СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВЯЗИ В ПОЕЗДНОЙ ЛИНИИ ETHERNET Российский патент 2025 года по МПК H04L12/54 

Изобретение относится к системам передачи данных по линии Ethernet, в частности для организации межвагонной (межпоездной, межсекционной) сети связи на железнодорожном транспорте в процессе пассажирских (на трамваях, электропоездах, монорельсовых подвижных составах) и грузовых (на электровозах и тепловозах) перевозок.

Известно несколько способов построения сети передачи данных Ethernet.

Для систем видеонаблюдения, видеоинформирования и звукового оповещения пассажиров сеть подвижного состава строится при помощи программно-аппаратных коммутаторов для сетей с интерфейсом Ethernet (RU 195047 U1), характеризующиеся тем, что содержат два сетевых коммутатора, микроконтроллер, первую и вторую линейки разъемов, первую и вторую линейки трансформаторов, линейку индикаторов, преобразователь напряжения со следующими соединениями: микроконтроллер соединен с первым коммутатором шиной ШД 1 по интерфейсу RMII, а с первым и вторым коммутаторами шиной ШД 2 по интерфейсу SPI, при этом шина ШД4 программируемого микроконтроллера выполнена с возможностью подключения внешней флеш-памяти, первый и второй коммутаторы соединены между собой шиной ШД 3 по интерфейсу RGMII, выходы портов обоих коммутаторов соединены с линейкой светодиодных индикаторов, сеть Ethernet - восемь однопортовых линий связи - связана через первую и вторую линейку разъемов и через первую и вторую линейку трансформаторов с первой и второй линейками портов входа/выхода PHY, а также одна линия связи соединена с преобразователем напряжения.

Коммутаторы являются неуправляемыми и, соответственно, не имеют возможности назначать каждому подключаемому устройству IP-адрес (DHCP), реализовать фильтрацию пакетов или сортировку передаваемых по сети пакетов данных по приоритету (QoS) и т.д., также данные коммутаторы не имеют возможности осуществлять электропитание узлов сети по технологии Power over Ethernet.

Для микропроцессорных систем управления подвижным составом межвагонная (межсекционная) сеть передачи данных строится посредством управляемых коммутаторов Ethernet. Коммутаторы являются составной частью центрального блока управления подвижным составом (https://www.saut.ru/catalog/mpsuid/tsbu/). Такие коммутаторы автоматически определяют адресацию узлов в сети, а также реализуют функции реконфигурации сети при возникновении ее неисправности, инициализации сцепа - определение ориентации вагонов (секций), их порядкового номера.

Существенным ограничением применения таких коммутаторов является отсутствие в них возможности подключить в сеть передачи устройства других (вспомогательных) систем, т.к. неисправность таких устройств в сети системы управления может негативно повлиять на работоспособность подвижного состава в целом.

Предлагаемое устройство обеспечения связи в поездной линии Ethernet представляет из себя управляемый коммутатор Ethernet, реализующий функции:

- инициализации сети в части определения ориентации вагонов (секций) и их порядкового номера в сцепе;

- организации сетей передачи данных для сетевых устройств подвижного состава;

- реконфигурации сети при возникновении ее неисправности;

- динамического распределения IP адресов в выделенных локальных сетях (DHCP-сервер);

- синхронизации часов реального времени для всех сетевых устройств (РТР);

- электропитание узлов сети по технологии Power over Ethernet.

Структурная схема коммутатора показана на фиг. 1. Коммутатор имеет в своем составе две микросхемы Ethernet switch - это сделано с целью физического разделения сетей, связанных с выполнением функции управления движением, и сетей связи вспомогательных систем. Посредством микроконтроллера (или микропроцессора) MCU, к которому по интерфейсам R(G)MII, MDIO (или SPI) подключены две микросхемы Ethernet switch, осуществляется реализация логических функций устройства, в т.ч. транслирование пакетов данных между физически разделенными сетями. Коммутатор содержит в своем составе две микросхемы, реализующие функцию управления электропитанием по технологии РоЕ (Power over Ethernet).

Модуль электропитания Power обеспечивает преобразование входного напряжения постоянного тока от бортовой сети подвижного состава и подачу стабилизированного напряжения постоянного тока на электронные компоненты коммутатора для его функционирования.

Светодиодные индикаторы предназначены для отображения пользователю состояния портов коммутатора.

Коммутатор имеет четыре порта G1-G4, работающих на скорости 1 Гбит/с: первый и второй подключаются к межпоездной линии связи, третий - к графическому терминалу (монитору) на головных вагонах (секциях), четвертый - к другому коммутатору для выполнения реконфигурации сети при ее неисправности. Преобразователи интерфейсов Ethernet в S(R)GMII выполнены на микросхемах - драйверах физического уровня передачи Ethernet.

При выключении электропитания коммутатора порты G1 и G2 объединяются через реле Bypass - осуществляется пропуск сигналов через коммутатор (фиг. 1).

Порты M1-М5 служат для подключения устройств, связанных с функцией управления движением, например, центрального блока управления, тягового преобразователя, преобразователя собственных нужд, тормозной системы и т.д. Скорость работы портов 10/100 Мбит/с. Порты P1-Р15 предназначены для подключения вспомогательных систем подвижного состава, в т.ч. беспроводной передачи данных, видеокамер, светодиодных табло, и могут работать на скорости 10/100 Мбит/с.Порты P1-Р15 имеют возможность электропитания узлов сети по технологии Power over Ethernet.

Дополнительно имеется возможность объединения сетей связи между портами М1-М5 и Р1-Р15 (опция Expand активируется путем установки на печатную плату трансформатора Ethernet, а также активации (включения и конфигурации) портов MAC16 и МАС1 микросхем Ethernet switch).

Предлагаемый способ обеспечения связи в поездной линии Ethernet предполагает назначение для каждого сетевого устройства конкретного порта коммутатора; подключение к другим портам коммутатора в процессе эксплуатации недопустимо и приведет к нарушению работоспособного состояния системы - будет осуществлен переход в безопасное состояние, в котором обмен по данному порту будет заблокирован до перезапуска системы. Диагностические сообщения по состоянию сети связи подвижного состава от коммутаторов передаются по линии связи Ethernet в систему управления для отображения на графическом терминале.

Посредством коммутатора осуществляется разделение физической сети передачи на виртуальные локальные сети (VLAN). Конфигурация сети задается при проектировании системы посредством создания файла конфигурации, загружаемого в энергонезависимую память коммутатора. Файл конфигурации содержит сведения о режимах работы каждого порта коммутатора, за исключением портов 1 Гбит/с - данные порты имеют фиксированные функции. Файл конфигурации создается на этапе разработки программного обеспечения подвижного состава и может компилироваться совместно с программным обеспечением коммутатора в единый исполняемый файл.

При возникновении неисправности межсекционной линии связи, например - обрыв, осуществляется перенаправление потока через другой коммутатор. Для этого активируются порты коммутаторов G4, объединяющие сети.

Пример построения сети связи пятивагонного электропоезда показан на фиг. 2. В каждом вагоне устанавливается по два коммутатора для обеспечения резервирования сети. Внутри каждого вагона коммутаторы объединены друг с другом по портам G4; по данным портам выполняется непрерывный контроль их работоспособного состояния.

При возникновении неисправности сети коммутаторы производят ее реконфигурацию для сохранения работоспособного состояния системы. Примеры реконфигурации сети при возникновении различных неисправностей показаны на фигурах с 3 по 9:

Фиг. 3 - Одна неисправность сети;

Фиг. 4 - Две неисправности сети;

Фиг. 5 - Неисправность сети ведущего вагона;

Фиг.6 - Две неисправности сети, в том числе неисправность ведущего вагона;

Фиг. 7 - Три неисправности сети, в том числе неисправность ведущего вагона;

Фиг. 8 - Четыре неисправности сети, в том числе неисправность ведущего вагона (вариант 1);

Фиг. 9 - Четыре неисправности сети, в том числе неисправность ведущего вагона (вариант 2).

Изобретение относится к системам передачи данных по линии Ethernet, в частности для организации межвагонной сети связи на железнодорожном транспорте. Технический результат изобретения заключается в сохранении работоспособного состояния системы при возникновении различных неисправностей. Способ обеспечения связи в поездной линии Ethernet предполагает подключение в физически разделенные сетевые устройства подвижного состава для последующего обмена данными между ними. Для каждого сетевого устройства используют назначенный порт коммутатора, выделяют подсети для каждого класса сетевых устройств, определяют ориентацию и порядковый номер вагонов, осуществляют динамическое выделение IP-адресов и электропитание сетевых устройств по технологии Power other Ethernet. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ обеспечения связи в поездной линии Ethernet, характеризующийся тем, что применяют управляемый коммутатор в количестве не менее двух коммутаторов на вагон, имеющий в своем составе две микросхемы Ethernet switch, для физического разделения сетей, связанных с функцией управления движением и сетей связи вспомогательных систем, две микросхемы РоЕ, реализующие функцию управления электропитанием по технологии РоЕ (Power other Ethernet); подключают две микросхемы Ethernet switch к микроконтроллеру MCU по интерфейсам R(G)MII, MDIO (или SPI), посредством которого осуществляют реализацию логических функций устройства, а также транслирование пакетов данных между физически разделенными сетями; объединяют коммутаторы по портам: G1, G2 - для обмена информацией между вагонами, G3 - для передачи сообщений к графическому терминалу, расположенному в головном вагоне, по портам G4 - для обеспечения резервирования сети при возникновении неисправности сети связи; внутри каждого вагона коммутаторы объединяют друг с другом по портам G4, по которым выполняют непрерывный контроль их работоспособного состояния; при возникновении неисправности сети коммутаторы производят ее реконфигурацию для сохранения работоспособного состояния системы посредством файла конфигурации, содержащего сведения о режимах работы каждого порта коммутатора и загруженного в энергозависимую память коммутатора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подключают в физически разделенные сети такие сетевые устройства подвижного состава, как тяговые преобразователи, компоненты системы управления, тормозную систему, приборы обеспечения безопасности движения и беспроводной передачи данных, видеокамеры, светодиодные табло, графические дисплеи.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют и на секциях тягового подвижного состава.

4. Устройство обеспечения связи в поездной линии Ethernet, представляющее из себя управляемый коммутатор Ethernet, имеющий в своем составе для физического разделения сетей не менее двух микросхем Ethernet switch, которые по интерфейсам R(G)MII, MDIO подключены к микроконтроллеру MCU, две микросхемы РоЕ, реализующие функцию управления электропитанием по технологии Power over Ethernet, модуль электропитания Power, четыре порта G1 - G4, работающих на скорости 1 Гбит/с, первый и второй из которых подключаются к межпоездной линии связи и через реле Bypass осуществляют пропуск сигналов через коммутатор при выключении электропитания, третий - к графическому терминалу на головных вагонах, четвертый порт подключают к четвертому порту второго коммутатора для обеспечения резервирования сети, порты M1 - М5 для подключения устройств, связанных с функцией управления движением, порты P1 - Р15 для подключения вспомогательных систем подвижного состава, работающих на скорости 10/100 Мбит/с и имеющих возможность электропитания узлов сети по технологии Power over Ethernet.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что объединение сетей связи между портами G1 - G4, M1 - М5 и P1 - Р15 осуществляется через микроконтроллер или через опцию Expand, которая реализуется путем установки на печатную плату трансформатора Ethernet и включения портов MAC16 и МАС1 микросхем Ethernet switch.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что порты P1 - Р15 предназначены для подключения таких вспомогательных систем подвижного состава, как система беспроводной передачи данных, видеокамер и светодиодных табло.

7. Устройство по 4, отличающееся тем, что применяют и на секциях тягового подвижного состава.