一种基于多系统融合的列车网络控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及轨道车辆控制技术领域，尤其涉及一种基于多系统融合的列车网络控制系统及控制方法。

背景技术：

在现有轨道交通系统中，列车网络控制系统的主要设备包括ccu(中央控制单元)、erm(事件记录模块)、hmi(人机接口显示屏)等分立设备。其中ccu为列车的逻辑处理和总线管理控制器，相当于车辆的大脑，erm负责车辆级总线(mvb或eth)数据的实时记录，并将数据记录至硬盘中，以便在后续查询车辆状态。hmi作为机器与用户的接口，显示车辆状态，并允许司机通过触屏查询车辆状态并控制车辆部分功能。

现有技术中，erm主要是记录车辆总线级的数据，而ccu的中间变量无法记录，总线的采样周期也较长(一般为100ms)，或者记录时并不是基于统一的时间，而车辆总线通信周期有时为ms级甚至us级，时间不统一不利于后续的数据统计和分析。同时，现有的hmi一般为cpu与显示屏一体化的结构设计，由于这种结构为独立系统、独立电源，存在于单一密闭环境中，存在热设计不合理、故障率高等问题。

虽然现有技术中存在基于多cpu融合技术和基于单cpu多进程融合技术，但是都存在一定的技术问题。对于多cpu融合技术来讲，控制器体积大，系统间通信复杂且效率低，板卡资源未得到最大化应用。而对单cpu多进程融合技术来讲，无法实现不同sil等级的应用并存，比如目前网络系统对于中央控制单元(ccu)一般具有安全等级sil2的要求，而对于erm和hmi并无安全等级要求，不同安全等级的设备共用一个cpu传统的技术无法实现。因此，本发明考虑将现有的列车网络控制系统进行改进，以解决现有技术中列车网络控制系统数据记录不准确且故障率高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多系统融合的列车网络控制系统，以解决上述现有技术中列车网络控制系统数据记录不准确且故障率高的问题。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多系统融合的列车网络控制系统，包括，

融合cpu板及通过总线连接的mvb板卡、eth板卡、存储器和显示屏；

所述融合cpu板用于融合ccu模块、erm模块及hmi模块并实现所述ccu模块、所述erm模块及所述hmi模块之间的数据信息共享；

所述融合cpu板通过所述eth模块与所述存储器连接，所述存储器根据正在通信的所述mvb板卡或所述eth板卡存储所述数据信息中的车辆运行数据信息；

所述存储器用于存储所述数据信息中的车辆运行数据信息；

所述显示屏用于显示所述数据信息中的车辆状态数据信息。

在本申请一些实施例中，所述融合cpu板包括：

fpga模块，通信连接所述融合cpu板，用于所述融合cpu板的上电时序管理和运行状态监控；

gpu模块，通信连接所述融合cpu板，用于驱动所述显示屏。

在本申请一些实施例中，所述融合cpu板包括：

usb模块，通信连接所述融合cpu板；

pci模块，通信连接所述融合cpu板，用于连接所述eth板卡与所述存储器。

在本申请一些实施例中，所述融合cpu板采用4核cpu，其包括cpu1、cpu2、cpu3和cpu4；

所述融合cpu板基于虚拟机技术和功能需求，划分为第一部分、第二部分和第三部分，并分别为所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分部署操作系统；

其中，所述第一部分包括所述cpu1和cpu2、所述第二部分包括cpu3，所述第三部分包括cpu4。

在本申请一些实施例中，所述操作系统包括第一操作系统和第二操作系统；

所述第一操作系统部署于所述第一部分上，用于实现所述ccu模块的逻辑功能；

所述第二操作系统分别部署于所述第二部分和所述第三部分上，分别用于实现所述erm模块和所述hmi模块的逻辑功能。

在本申请一些实施例中，所述第一操作系统为qnx操作系统，所述第二操作系统为linux操作系统。

在本申请一些实施例中，所述第一操作系统和所述第二操作系统之间通过vmm实现数据信息共享。

在本申请一些实施例中，还包括：

电源板卡，所述电源板卡与所述融合cpu板和mvb板卡连接，所述电源板卡冗余设置。

一种基于多系统融合的列车网络控制系统的控制方法，包括：

s1：控制系统上电运行；

s2：vmm给ccu模块的第一操作系统、erm模块的第二操作系统和hmi模块的第二操作系统分配融合cpu板的内核和存储资源；

s3：第一操作系统和第二操作系统从硬盘加载软件并启动相对应的外设；

s4：判断第一操作系统和第二操作系统是否正常启动，

若是，第一操作系统和第二操作系统进行协同合作；

若否，第一操作系统和第二操作系统重新执行s3。

在本申请一些实施例中，所述s2步骤具体包括：

将pci模块驱动与eth模块驱动映射至ccu模块的qnx系统中，

将gpu(vga)模块驱动映射到hmi模块的linux系统中，

将pcie(存储扩展)与usb模块驱动映射到erm模块的linux系统中。

本发明的技术效果或优点：

本发明提供了一种基于多系统融合的列车网络控制系统，其包括mvb板卡及通过所述mvb板卡连接的融合cpu板、存储器和显示屏；其中，融合cpu板用于融合ccu模块、erm模块及hmi模块并实现ccu模块、erm模块及hmi模块之间的数据信息共享；并且，存储器用于存储数据信息中的车辆运行数据信息；显示屏用于显示数据信息中的车辆状态数据信息。由此，将ccu模块、erm模块、hmi模块高度融合后的控制系统，提高了系统的集成度，解决了原erm模块只能记录总线数据的缺陷，改善了hmi模块的散热条件，降低了硬件成本，提高了产品性能。解决了现有技术中列车网络控制系统数据记录不准确且故障率高的问题。同时，通过采用以上控制系统可以做到在同一个融合cpu实现不同安全等级设备共存。

附图说明

图1为现有技术中列车网络控制系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种基于多系统融合的列车网络控制系统的结构原理图；

图3为本发明实施例提供的一种基于多系统融合的列车网络控制系统融合cpu板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于多系统融合的列车网络控制系统的软件架构图；

图5为本发明实施例提供的一种基于多系统融合的列车网络控制系统的控制方法。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合具体实施例及说明书附图，对本发明的技术方案作详细说明。

本发明实施例提供的一种基于多系统融合的列车网络控制系统，包括，融合cpu板及通过总线连接的mvb板卡、eth板卡、存储器和显示屏；所述融合cpu板用于融合ccu模块、erm模块及hmi模块并实现所述ccu模块、所述erm模块及所述hmi模块之间的数据信息共享；所述融合cpu板通过所述eth模块与所述存储器连接，所述存储器根据正在通信的所述mvb板卡或所述eth板卡存储所述数据信息中的车辆运行数据信息；所述存储器用于存储所述数据信息中的车辆运行数据信息；所述显示屏用于显示所述数据信息中的车辆状态数据信息。本实施例中，电源板卡冗余设置。

更具体地说，融合方案中借鉴商用pc的模式，将融合cpu板和显示系统分立。hmi模块不再接收mvb从卡的信息，而是直接从ccu模块内部直接获取，通过标准的视频传输线缆将视频数据传输到显示屏。

如图1所示，在现有列车网络系统中，ccu模块、erm模块及hmi模块作为网络系统的核心设备，ccu模块作为主控制器管理mvb/eth总线，erm模块和hmi模块挂载在mvb/eth总线之上。然而在现有技术中，erm模块中只能记录mvb/eth的总线级数据，而ccu模块内部逻辑运算中间变量无法记录，即使记录中间变量也无法实现实时的完全同步。在传统的hmi模块中，接收mvb/eth总线的信息并将相关界面信息通过lvds/cga或其他接口投射到显示屏中，由于此种方案一般需要独立的融合cpu板和供电，而系统又相对封闭，散热条件不佳。

如图2所示，本发明在既有ccu模块中，外设包括mvb卡和以太网卡，除此之外其主要的功能在于逻辑运算，因此融合后的融合cpu板要有相对多的资源进行逻辑运算。将上述模块功能整合，运算资源全部整合入同一个融合cpu板上，外设板卡合并同类项，形成如图2所示的技术方案。即，现有技术中的列车控制系统中，ccu模块、erm模块、hmi模块分属三个独立设备，并通过外部总线相连，然而本申请中将三个模块进行融合，采用同一个融合cpu板配置不同的外设，从而节省了硬件成本。同时，3个模块的外部总线连接方式采用融合入同一个系统的cpci内部总线方式。由此，通过采用以上技术方案，使得erm模块直接应用ccu模块中mvb/eth的相关数据，同时还可以记录ccu模块的中间变量，即由于将ccu模块与erm模块融合入同一个系统当中，可以实现内部数据和外部数据的同步计算，提高了数据记录的准确性和效率。同时，融合后erm模块需要一个可扩展的存储设备，并且系统能够支持其存储功能。同时，本申请中hmi模块仅为显示面板，处理器的功能融入ccu模块中，ccu模块有良好的散热条件和较强的运算能力，运算和显示单元的相对分立，提高了系统的可靠性。

进一步，融合cpu板还包括多核cpu模块、fpga模块、gpu模块、eth模块、usb模块、pci模块。fpga模块通过pcie连接所述多核cpu模块，用于所述融合cpu板的上电时序管理和运行状态监控；gpu模块通过pcie连接所述多核cpu模块，用于驱动所述显示屏；pci模块通过pcie连接所述多核cpu模块，用于连接所述eth板卡与所述存储器，所述存储器根据正在通信的所述mvb板卡或所述eth板卡存储所述数据信息中的车辆运行数据信息；usb模块通过pcie连接融合cpu板。

具体地说，如图3所示，融合cpu板采用高性能的4核cpu模块，cpu模块通过ddr4控制器扩展4g的内存空间；cpu模块通过pcie与fpga通信，fpga完成cpu系统的上电时序管理、运行状态监控、can总线扩展及io资源扩展，此外fpga通过i2c总线外挂lm75温度传感器监控cpu模块温度；cpu模块通过pcie转pci桥片实现pci总线的管理；cpu模块外挂m.2接口的nvme存储，用于系统及应用程序的存储介质；cpu模块通过pcie转usb的芯片实现两路usb；cpu模块通过自带的rgmii接口实现双路以太网接口；cpu模块通过pcie外接gpu模块，cpu模块通过vga/lvds总线实现对显示屏的驱动。

如图4所示，融合cpu板基于虚拟机技术和功能需求，划分为第一部分、第二部分和第三部分，并分别为第一部分、第二部分和第三部分部署操作系统。具体地说，采用融合cpu板自带的运算单元调度机制，实现4核cpu模块的物理隔离，即第一部分包括cpu1和cpu2、第二部分包括cpu3、第三部分包括cpu4，其中cpu1与cpu2分配给中央控制单元ccu模块，cpu3分配给hmi模块，cpu4分配给erm模块。其中，操作系统包括第一操作系统和第二操作系统；第一操作系统部署于第一部分上，用于实现ccu模块的逻辑功能；第二操作系统分别部署于第二部分和第三部分上，分别用于实现所述erm模块和所述hmi模块的逻辑功能。并且，第一操作系统为qnx操作系统，第二操作系统为linux操作系统。具体地说，在软件方面考虑到ccu模块为整车的控制中心，可靠性要求较高，如果与erm模块及hmi模块完全做成一个操作系统可能会造成操作系统的不稳定，因此本申请在软件层面采用虚拟机技术将综合控制平台的x86系统通过软件在逻辑上划分为三个独立操作系统，每一个操作系统物理上都包含一个物理核心，并部署不同的操作系统，分别分配给ccu模块、erm模块和hmi模块，把不同的外设挂载在相关操作系统之上。原有ccu模块作为整车的控制中心，实时性和可靠性要求较高，因此采用的嵌入式实时操作系统qnx，而erm模块和hmi模块为了软件兼容性和扩展性的考虑，采用的操作系统是linux，融合后通过虚拟机技术，ccu模块仍部署qnx操作系统，erm模块和hmi模块上仍跑linux操作系统，三个核通过共享内存的方式进行核间通信。三个核心不同的设备保证了系统间的相对独立性，如果在一个操作系统出现软件问题时不影响其他操作系统的功能。并且融合控制器采用的是模块化可灵活配置的方案，在需要mvb总线的场合下可以配置mvb板卡，在需要以太网、4g、gps、i/o的情况下选择配置不同的模块，各个模块通过cpci挂载在融合cpu板上，保证了操作系统配置的灵活性以适应不同项目的需求。由此，采用虚拟机技术将多核cpu模块虚拟成多个独立的处理器，在不同的处理器部署不同的操作系统，并通过内部快速总线保证核间通信，实现了多系统融合，并保证了各个系统的独立性。系统中的以太网、4g、gps、i/o都采用模块化的配置方案，可以灵活配置，方便部署系统，保证了控制器的灵活性。

进一步，第一操作系统和第二操作系统之间通过vmm实现数据信息共享。具体地说，vmm(virtualmachinemonitor)是运行在基础物理多核处理器和操作系统之间的中间层软件，允许多个操作系统共享硬件，本系统采用的vmm系统对硬件系统的核心和存储资源做了逻辑分区，不同的操作系统运行在不同的cpu核心之上，内存也分属于不同操作系统。也即多个操作系统对硬件资源的使用没有重合，保证了各个系统的相互独立性，比如erm模块发生软件故障时，虽然ccu模块和hmi模块与其同属一个硬件，但ccu模块和hmi模块的运行不受影响。即，vmm无论是在系统启动还是系统运算过程中，都将按如上配置保证运算单元的独立性，保证各系统互补干涉。

具体地说，vmm的内存管理单元将物理内存划分为逻辑上独立的三段内存区间，各个系统只能操作vmm系统分配的空间，vmm实时监控各系统内存访问的范围，保证系统互补干涉。与此同时，各个系统间的核间通信通过vmm管理的核间通信单元进行。

vmm在系统启动后加载各个外设的驱动，然后通过虚拟化技术将相应的外设映射到不同的用户层操作系统，具体来讲就是将pci总线驱动与eth模块驱动映射至ccu模块的qnx系统中，将gpu(vga)驱动映射到hmi模块的linux系统中，将pcie(存储扩展)与usb模块驱动映射到erm模块的linux系统中，这种驱动虚拟映射方法使得各个外设挂载到不同的操作系统之上，保证各个外设间的独立性。vmm通过如上的cpu核心、内存资源、外设资源的管理方法实现各个系统间的物理隔离，保证各个系统运行过程中互补干扰，相互独立。

本发明还提供了一种基于多系统融合的列车网络控制系统的控制方法，具体包括，

s1：控制系统上电运行；

s2：vmm给ccu模块的第一操作系统、erm模块的第二操作系统和hmi模块的第二操作系统分配融合cpu板的内核和存储资源；

s3：第一操作系统和第二操作系统从硬盘加载软件并启动相对应的外设；

s4：判断第一操作系统和第二操作系统是否正常启动，

若是，第一操作系统和第二操作系统进行协同合作；

若否，第一操作系统和第二操作系统重新执行s3。

其中，s2步骤具体包括如下：

将pci模块驱动与eth模块驱动映射至ccu模块的qnx系统中，

将gpu(vga)模块驱动映射到hmi模块的linux系统中，

将pcie(存储扩展)与usb模块驱动映射到erm模块的linux系统中。

如图5所示，具体地说，整个控制系统的启动过程包括，控制系统上电后启动，vmm读取控制各模块的配置，这些配置信息包含了各个操作系统的资源配置信息分配，然后按照配置信息分配系统资源，各虚拟操作系统在分配的硬件资源上加载系统并启动自身分配到的外设资源。各个虚拟系统启动后vmm会对其监控，如果操作系统未启动成功或运行过程中发生错误，则第一操作系统和第二操作系统从硬盘加载软件并启动相对应的外设。