一种高速列车车载智能设备

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一种高速列车车载智能设备\n技术领域\n[0001] 本发明涉及高速列车系统，尤其是高速列车车载智能设备。\n背景技术\n[0002] 列车智能化指的是让列车具备“自检测、自诊断、自决策“的能力。自检测指的是借助传感器技术实现高速列车对自身状态的全方面，多维度的检测；自诊断指的是列车能根据检测到的状态进行故障的智能定位和诊断；自决策指的是在成功实现了前两者的基础上，高速列车实现对故障危害的判决，采取相关措施降低其危害。\n[0003] 现有的高速列车智能系统存在以下待解决或待改善的问题或缺陷：\n[0004] 1）为了高速列车的安全运营，列车上安装的传感器越来越多，随着而来的传感数据并有恰当的途径来实时地提供给地面数据中心，以备列车在出现安全事故时，彻查事故发生原因。\n[0005] 2）列车上的传感器重类众多，个数众多，分散布置在列车上各个位置，其提供的信号形式、功率大小各异，目前的列车上未有好的途径对其进行恰当处理和传输。\n[0006] 3）现有列车上的总线形式众多，通信方式众多，但网络带宽均较低、功能单一，以MVB为例，只有大约2M左右的带宽，WTB则只有1.5M左右的带宽。不足以承载越来越多的传感器数据，更难以融合车载设备开关量数据、乘客音、视频数据,其它多种列控数据等。\n发明内容\n[0007] 本发明提供一种高速列车车载智能设备，以解决背景技术提到的部分或全部问题。但本发明提供的车载智能设备实际所能解决的问题不限于背景技术部分的描述。\n[0008] 本发明提供一种高速列车车载智能设备，包括：背板，一个或多个核心处理模块CPM单板，一个或多个列控数据单板，一个或多个多功能输入输出MIO单板；\n[0009] 所述CPM单板能处于主状态或备用状态，进行主备功能倒换；\n[0010] 所述列控数据单板用于实现列控数据和背板数据的相互适配；\n[0011] 所述MIO单板用于收发列车上的各类传感器数据，实现各类传感器数据和背板数据的适配，包括A/D转换，D/A转换，滤波，采样，信号功率缩放和速率适配；\n[0012] 所述背板连接各单板，为单板间的数据交换提供交换通道；\n[0013] 所述车载智能设备作为以太环上的节点与以太环网上的其它车载智能设备通过以太环网进行通信，能配置成主、备、从三种工作模式；\n[0014] 所述CPM单板主要包括数据业务硬件转发网关和数据硬件交换等模块，用于实现所述车载智能设备接入和处理多类数据业务,以及与所述其它车载智能设备间的以太数据交换；\n[0015] 经所述MIO单板适配后的传感数据通过所述车载智能设备和/或所述其它车载智能设备提供给车载数据中心，车载列车控制系统和/或地面数据中心；\n[0016] 地面数据中心与所述车载智能设备通过GSM-R进行车地通信。\n[0017] 优选地，高速列车车载智能设备还包括用于处理开关量数据的单板。\n[0018] 优选地，高速列车车载智能设备还包括用于处理列车零部件上的电子标签信息的单板。\n[0019] 优选地，高速列车车载智能设备还包括用于处理音、视频数据的单板。\n[0020] 优选地，地面数据中心和/或车载数据中心，将控制指令通过所述高速列车车载智能设备传送到列车控制系统，以进行列车控制。\n[0021] 优选地， 地面数据中心和/或车载数据中心，通过所述高速列车车载智能设备，传送指令给传感器，以同步收集传感器数据。\n附图说明\n[0022] 图1: 车载智能设备系统组网方案示意图\n[0023] 图2：车载智能设备环网系统主设备保护方法示意图\n[0024] 图3：车载智能设备模块、单板架构方案示意图\n[0025] 图4：车载智能列车多业务传输与处理及在一对电缆上传输的方法示意图[0026] 图5：车载智能设备实时同步采集的方法示意图\n具体实施方式\n[0027] 外文缩写解释：\n[0028] ARCnet Attached Resource Computer Network链接资源计算机网络[0029] （一种工控领域的局域网络技术，在列车上，与MVB的作用相同）[0030] CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件[0031] CPM Center Processor Module 核心处理（单板）\n[0032] DMA Direct Memory Access，直接内存存取\n[0033] ETH Ethernet 以太网（单板）\n[0034] GSM-R GSM for Railways铁路通信专用数字移动通信系统\n[0035] MIO Multi Input and Output 多功能输入输出（单板）\n[0036] MSTP Multi-Service Transfer Platform 多业务传送平台\n[0037] MVB Multifunction Vehicle Bus多功能车辆总线\n[0038] （是一种列车控制网络总线，可用于传感器数据传递，列车控制信息传递等）[0039] NRZ Not Return to Zero不归零码\n[0040] NTP Network Time Protocol 网络同步时间协议\n[0041] PCI-E Pedpherd Component Interconnect -Express 快速外围器件互联，[0042] 一种高速串行PCI接口\n[0043] PIS Passenger Information System 乘客信息系统\n[0044] PTP Precision Timing Protocol 精密网络同步协议\n[0045] QoS Quality of Service 服务质量\n[0046] RES Reserved 扩展功能（单板）\n[0047] SVR Server 服务器（单板）\n[0048] TDM Time Division Multiplex 时分复用\n[0049] UTC Universal Time Coordinated 协调世界时\n[0050] 实施例：\n[0051] 一种高速列车车载智能设备，包括：背板，一个或多个核心处理模块CPM单板，一个或多个列控数据单板，一个或多个多功能输入输出MIO单板；\n[0052] 所述CPM单板能处于主状态或备用状态，进行主备功能倒换；\n[0053] 所述列控数据单板用于实现列控数据和背板数据的相互适配；\n[0054] 所述MIO单板用于收发列车上的各类传感器数据，实现各类传感器数据和背板数据的适配，包括A/D转换，D/A转换，滤波，采样，信号功率缩放和速率适配；\n[0055] 所述背板连接各单板，为单板间的数据交换提供交换通道；\n[0056] 所述车载智能设备作为以太环上的节点与以太环网上的其它车载智能设备通过以太环网进行通信，能配置成主、备、从三种工作模式；\n[0057] 所述CPM单板包括数据业务硬件转发网关和数据硬件交换模块，用于实现所述车载智能设备接入和处理多类数据业务,以及与所述其它车载智能设备间的以太数据交换；\n[0058] 经所述MIO单板适配后的传感数据通过所述车载智能设备和/或所述其它车载智能设备提供给车载数据中心，车载列车控制系统和/或地面数据中心；\n[0059] 地面数据中心与所述车载智能设备通过GSM-R进行车地通信。\n[0060] 优选地，高速列车车载智能设备还包括用于处理开关量数据的单板。\n[0061] 优选地，高速列车车载智能设备还包括用于处理列车零部件上的电子标签信息的单板。\n[0062] 优选地，高速列车车载智能设备还包括用于处理音、视频数据的单板。\n[0063] 优选地，地面数据中心和/或车载数据中心，将控制指令通过所述高速列车车载智能设备传送到列车控制系统，以进行列车控制。\n[0064] 优选地， 地面数据中心和/或车载数据中心，通过所述高速列车车载智能设备传送指令给传感器，以同步收集传感器数据。\n[0065] 图1为本发明的实施例提供的一种车载智能设备系统组网示意图，所述系统可以包括：\n[0066] 车载智能环网S101，环网S101由车载智能从设备S102、S103，车载智能主设备S104，车载智能备设备S105等组成，需要指出的是，一列列车中每个车厢都有一个车载智能设备，具体为有一车厢为主设备、一个备设备，其它都为从设备。比如在8车厢的列车中有1个主设备、1个备设备和6个从设备。S101环网的作用是解决网络传输通信、克服列车特殊工况、解决长距离电缆传输、网络故障实现自愈，让高速列车上各种数字业务都能利用这一环网进行通信。\n[0067] 车载智能从设备S103，第一用于组建智能环网S101；第二用于接入S108所包括的各种设备。S103是一个支持多种接口的多业务接入处理的设备，通过所述车载设备，高速列车上各类传感器数据，各种列控网数据，车载设备开关量数据，乘客音、视频数据等都可以融合在车载以太环网上实现通信；S102与S103功能相同，可以根据其所在车厢接入不同设备和不同业务。车载智能子设备集合S108，是指车载智能设备S103支持接入的各类设备。\n包括MVB、ARCnet、RS485等列控网络，各类传感器，车载配电柜开关量，车载RF电子标签，乘客信息系统，车载智能终端，IP电话，IP摄像头。当然所支持的设备没有列详尽，现有列车所有电子设备不需要对接口进行创新工作的其它设备也适用。所述的车载智能终端是指列车车底传感采集设备。在具体实现上，以传感器数据为例，首先经过所述从车载智能设备MIO单板采集，CPM单板运算和封装到以太网报文。再经过所述车载智能环网送到所述车载智能主设备进行整车传感器数据统一运算。而后经过所述车载智能主设备把整车数据送给所述车载数据中心和/或地面数据中心，显然整车数据也可以由此发送给列控系统。最后，整车传感数据由所述车载数据中心、地面数据中心和/或列控系统进行统一分析处理和综合运用。\n[0068] 车载智能主设备S104，第一个作用与智能从设备S103完全相同，可以接入各种智能子设备，用于组建环网；第二个作用作为整个环网的采集数据的中央处理设备，对环网各节点发送到此的数据进行统合处理；第三个作用是与车载数据中心S106、地面数据中心S107相连接通信。\n[0069] 车载智能备设备S105，在系统网络处于正常状态时作用与车载智能从设备S103相同；在网络故障，特别是车载智能主设备S104出现故障时，环网S101的主设备从S104切换到S105，此时，其作用与上面描述的车载智能主设备S104相同。\n[0070] 车载数据中心S106，不属于本发明内容，提供人机界面，其作用是处理车载智能环网收集的数据并实施应用层安全和运维运用。\n[0071] 地面数据中心S107，不属于本发明内容，通过车地GSM-R无线通信设备与车载智能主设备相连接，其作用是通过智能环网收集的数据进行综合挖掘分析，进行维修参考、领导观摩、安全评估、部件履历管理等功能。\n[0072] 图2为本发明实施例提供的一种车载智能设备环网系统的主设备保护方法示意图，该方法优选地包括：\n[0073] S201：智能环网启动。\n[0074] S202：主设备与各从、备设备节点建立数据通信，主设备与车载、地面数据中心建立数据通信。\n[0075] S203：环网主、备设备进行信息交互、状态热备份。\n[0076] S204：主设备判断传输、处理数据是否异常，备设备判断主设备是否工作异常。\n[0077] S205：主设备退为备设备，备设备升为主设备。\n[0078] 本实施案例中，S203环网主、备设备进行信息交互，数据热备份，两个设备的数据备份建立于两个设备相连的环网链路。S204主设备判断传输、处理数据是否异常，备设备判断主设备是否工作异常，主设备通过自身巡检判断，通过环网链路、数据中心提供工作状态异常检测信息；从设备通过自身巡检的基础上，接受环网链路、数据中心送至的状态信息来判断主设备是否工作异常。\n[0079] 进一步地讲，不管是主设备还是备设备，在判断传输数据、链路故障时，都需要一个归避环网自愈的时间。具体实现为，当主、备设备判断出异常时，这个异常可能是列车环网链路故障引起的，并且环网有其自愈的特点，所以这里需要做一个等待环网自愈过程的时间，只有在超出了这个预定的时间后，才进行正常的异常分析处理过程。\n[0080] 本发明的车载智能设备的结构例如图3所示。所述车载智能设备可以包括以下一项或几项及其改变形式：\n[0081] CPM单板S310、S320，两者会互为备份关系，实现1+1冗余保护，在正常工作时，一个为主，另一个为备。\n[0082] 背板数据同步总线S331，用于连接非以太类数据业务单板，并为其提供时钟同步和时间同步功能。运用TDM双向同步传输方式，为设备中各业务单板（MIO、MVB）与CPM单板之间提供数据链路；业务单板到CPM单板，提供同步时钟源、同步时间源；CPM单板到各业务单板提供同步时钟和同步时间授时。在具体实现中， 所述背板数据同步总线处于业务单板与CPM单板之间。各类业务单板把各种状态的数据码型转换到NRZ码，根据其速率映射到所述背板数据同步总线TDM的若干时隙，数据带宽越大则所占用TDM的时隙就越多，规定其固定的开始、结束、校验等帧格式，未足位用填塞位表示，此即为速率匹配和数据映射。另一端CPM单板上，CPM单板可以获得各业务单板送来的标准帧格式TDM数据，进行运算、分类，二次速率匹配映射到以太网报文中，整个过程都以硬件方式实现，以达到数据的低抖动和高实时性。背板PCI-E总线S332，用于SVR单板的扩展，为其提供高数据数据通道。\n[0083] 背板ETH总线S333、S334，用于接入RNA和ETH单板。\n[0084] 在具体实现中，为了达到单板与机框槽位无关，背板要求所有槽位都具有背板数据同步总线S331、背板PCI-E总线S332和背板ETH总线S333。\n[0085] MVB单板S341，作用是采集和连接列车控制网络MVB总线。其主要功能块为电气隔离、码型转换、速率匹配、数据映射至背板数据同步总线S331。\n[0086] TCM单板S342，作用是采集和连接列车控制网络RS485总线。其主要功能块为电气隔离、码型转换、速率匹配、数据映射至背板数据同步总线S331。\n[0087] ARC单板S343，作用是采集和连接列车控制网络ARCnet设备中的电流环。其主要功能块为电气隔离、码型转换、速率匹配、数据映射至背板数据同步总线S331。\n[0088] 在具体实现中，上面三类列控网络单板在业务层次在设备系统中有两个作用，一个是可把列控数据透明传输，达到车厢内的列控网数据可以在整列车进行传输通信；另一个是可通过CPM单板S310中的硬件网关与CPU模块的功能，把列控网络的数据进行提取再构造，打破现有列控数据的闭环与不开放，提高数据利用率。\n[0089] FRF单板S344，作用是利用外联天线或露缆，从车厢中读取RF电子标签。其主要功能块为耦合器，放大器，射频发射接收模块，射频访问协议模块，基带信号处理，速率匹配、数据映射至背板数据同步总线S331。通过RFR单板，不再需要机车人员扶持有手持式RF阅读器，并且可以更加实时，持续地对电子标签进行访问管理。\n[0090] MIO单板S345，作用是传感器数据采集，包括电压、电流、温度、振动、压力等各种类型。其主要功能块为A/D转换，工频滤波，抗混叠滤波，小信号放大，过采样数字滤波，速率匹配、数据映射至背板数据同步总线S331。\n[0091] 在具体实现中，MIO单板可以从CPM单板提取同步时钟和时间，达到系统网络内所有传感器同步采集。\n[0092] NIF单板S346，有两个主要功能，一是提供开关量输出输入驱动；二是提供设备同步时钟同步时间接口。共主要功能块为，开关量输入，开关量输出，时钟输入输出接口，时间输入输出接口，速率匹配、数据映射至背板数据同步总线S331。\n[0093] 在具体实现中，NIF单板可以从CPM单板提取同步时钟和时间，达到设备中，系统网络内所有开关量的同步输入采集和同步输出控制。\n[0094] RES单板S347，业务功能类型没定义，面向背板的速率匹配、数据映射和其它单板一样有完整的定义。\n[0095] ETH单板S348，作用是连接各类以太网类型的设备，其主要功能有长距离、抗干扰传输，各类业务接入许可确认。\n[0096] SVR单板S350，是CPM单板CPU模块的扩展数据计算单板，在设备和系统中可以起服务器的作用。其主要功能是数据运算与存储。\n[0097] RNA单板S360，作用是让车载智能设备组建环网并完成自愈功能，共主要功能有长距离、抗干扰传输，节点接入许可确认，链路状态检测。\n[0098] 在一种具体实现中，所述CPM单板S310可以包括：\n[0099] 时钟时间同步处理模块S311，其作用是由上游提供的数据报文恢复同步时钟和同步时间，这里的上游包括从NIF单板S346来的GPS信号；从ETH单S348或RNA单板S360来的同步时钟信号和PTP报文。另一方面，通过背板同步总线S331向各业务单板提供同步时钟和同步时间。\n[0100] 数据业务硬件转发网关S312，其作用是把各种码型、速率匹配好的数据以硬件电路的方式进行分类、运算、封装、转发到CPU或以太网数据报文中。\n[0101] CPU模块S313，其作用是设备内各单板管理，业务数据运算，为以太网数据通信提供通信协议栈。在复杂海量数据处理时，进行数据分流、调度至SVR单板S350。\n[0102] 数据硬件交换模块S314，其作用是进行高QoS的以太网数据二层交换。\n[0103] 在具体实现中，启用QoS队列调度规则，提供网络传输队列机制，区分对待报文延迟，阻塞和过载。\n[0104] 以太环网保护模块S315，用硬件方式实现环网保护协议，检测和处理链路状态、环网状态，发送、接收协议帐，实现链路倒换等功能。\n[0105] 图4为本发明的实施例提供的一种智能列车多业务在一对电缆上传输的方法示意图，该方法可包括：\n[0106] S410：各类业务接入，匹配各式物理层功能。\n[0107] S420：归一化，码型转换为NRZ码、速率匹配映射到TDM背板总线。\n[0108] 在具体实现中，本发明的核心思想就是利用一种同步低延时，低抖动的TDM背板总线技术，把各类单板接入的各类业务通过码型转换、速率匹配映射到统一的报文格式，统一的物理总线上，为而后CPM的处理提供了便利，为支持各种业务的插拔式板卡设计提供了便利。\n[0109] S430：判断主CPM工作是否正常。\n[0110] 在具体实现中，在设备中有两个CPM，可以实现1+1冗余保护。判断CPM工作是否正常的判据有，CPM单板上CPU软件狗，CPU硬件狗，硬件白板寄存器，主备状态机等。\n[0111] S441：主CPM进行TDM数据接收、分类。\n[0112] S442：备CPM进行TDM数据接收、分类。\n[0113] 在具体实现中，CPM在这一步完成数据的接受、分类。主备两个CPM单板是1+1实时备份冗余关系，当主异常时，由主退备，而备则由备升主。进一步讲，在具体实现时通常以“并发选收”的模式进行热备份，即可以并行处理的地方电路进行1+1备份处理，需要择一输出时则选择主CPM处理的内容。再进一步，而后各个步骤如果在CPM单板上执行，那么理解为在主CPM上执行处理。\n[0114] 在具体实现中，必须指出，原有MVB等列控数据本来是自闭环处理而不对外开放，此处通过硬件网关模块，结合CPU运算查询功能，可以MVB数据透明上传，也可以对基本报文进行分解提取，再进行重新封装，上传利用。\n[0115] S450：是否需要进行数据分析。具体实现中，由人机配置，硬件网关模块执行。\n[0116] S460：数据硬件交换模块，依业务需求按优先级传输。\n[0117] 在具体实现中，启用QoS队列调度规则，实现差分化服务，提供网络传输队列机制，区分对待报文延迟，阻塞和过载。\n[0118] S461：CPU进行数据分析。\n[0119] 在具体实现上，这里主要对各类采集数据的去重，滤噪。\n[0120] S462：是否需要请求SVR单板。\n[0121] 在具体实现中。是否需要请求SVR，需要查看所需运算数据是否需要专有数字滤波器，CPU计算能力，上层应用对数据提取要求配置等。\n[0122] S463：SVR单板进行数据分析处理。\n[0123] 在具体实现上，进行各类采集数据信噪筛选，数字滤波器组建，计算有效测量对像等。\n[0124] S470：判断主传输通道工作是否正常。\n[0125] 在具体实现中，可以通过RNA在位状态，远端设备状态、接入链路状态、环路保护状态机状态等来判断主传输通道是否正常工作。\n[0126] S481：主通道东向RNA单板及通信电缆。\n[0127] S482：主通道东向RNA单板及通信电缆。\n[0128] 在具体实现中，提供了适合列车的环网组建方案，RNA单板长距离、抗干扰传输方案，RNA设备节点接入确认方法。\n[0129] 图5为本发明的实施例提供的一种车载智能设备实时同步采集的方法示意图，该方法以MIO单板采集传感器信号为例，可包括：\n[0130] S510：智能设备系统启动。\n[0131] S520：是否可获得UTC时钟时间。\n[0132] 在具体实现中，是否可获得UTC时钟时间有两个方式，一个是从上游PTP报文恢复，本设备支持IEEE 1588 PTP协议或者NTP协议；一个是从GPS设备中直接提取时间。\n[0133] S531：主设备提取UTC时间、时钟，通过PTP传递给各设备。\n[0134] 在具体实现中，车载智能设备时钟时间同步功能块需要支持PTP报文解析和时钟、时间恢复并向下游设备节点传递。全部设备跟踪上UTC时间后，那么所有设备内的传感器都可以实现完全同步采集。\n[0135] S532：主设备自己生成时钟、时间，通过PTP传递给各设备。\n[0136] 在具体实现中，各从设备跟踪主设备生成的时间，达到这一网络内的所有传感器达到同步采集，实现准同步采集。\n[0137] S540：设备CPM通过背板同步总线把同步时间、时钟广播给各业务单板。\n[0138] 在具体实现中，在背板上定义一种TDM总线， 利用TDM的物理特性低延时，零抖动传递时间和时钟，利用TDM的时隙做数据速率匹配与传递数据。\n[0139] S550：各业务单板通过背板同步总线恢复出同步时间。\n[0140] 在具体实现中，总线上定义了一一对应的时间脉冲和时间报文。时间脉冲间的细致时间由于脉冲和跟随的同步时钟计算而得。\n[0141] S560：判断是否同步触发。\n[0142] S571：MIO根据同步时间，触发采样动作获取数据后，把同步时间戳加入报文。\n[0143] S572：MIO执行过采样，采集连续时间上的数据，上行业务同步提取时间和数据，形成带时间戳的报文。\n[0144] 在整个同步采集方案具体实现中，当服务器或者数据中心收到带有时间戳的数据报文后，可以进行横向各类传感、控制数据的对比较、统筹运用、深度发掘。