一种列车无线智能网关系统、数据处理方法和网关与流程

1.本发明涉及列车网关技术领域，尤其是涉及一种列车无线智能网关系统、数据处理方法和网关。


背景技术：

2.目前，车地通信设备部分使用单4g通道或者单wlan通道与地面通讯。列车4g设备由于带宽受限且资费较贵，因此只传输部分列车控制数据，而越来越多需求的监控视频数据，诊断数据等无法落地。列车wlan设备可提供足够带宽，但是需要轨道铺设ap基站，在原有旧线路改造中实施困难。
3.列车与地面控制中心进行数据交互，对tcms数据封装在协议中直接发送，对升级程序通过中转设备进行交互，在升级程序交互过程中，地面中心通过tcp/ip方式同列车中转设备握手，通过私有协议发送升级请求，列车中转设备回复通过升级请求，列车中转设备通过tftp协议从地面中心获取待升级的程序文件，获取程序成功后中转设备发送成功信号至地面中心。中转设备发送广播包至列车设备，提示有更新的应用程序；接收到广播包的主机，识别到是本机的文件则发送提取应用程序请求；中转设备应答；主机获取待升级的应用程序，并发送获取成功信息至中转设备。
4.列车与地面控制中心的交互，流程复杂，控制指令交互次数过多，中途容易出现握手失败的情况而导致数据传送失败。全部数据通过同一种转发机制，无数据分级，安全等级高的数据和安全等级低的数据同等发送，容易抢占带宽资源而丢掉重要数据。所有数据无加密整合处理， 对于安全需求更高的列车检测数据透明发送。且没有大数据落地的解决方案。
5.因此，为了提高列车与地面控制中心的数据传输效率，设计一种列车网关是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种列车无线智能网关系统、数据处理方法和网关，对列车数据进行分等级与类别进行处理，对需要实时传输的数据，经过逻辑处理后直接进行点对点传输，对可延时传输的数据，打包并存储，在列车到站时通过毫米波或wifi，将可延时数据加速传输到地面网络；对地面网络数据，在需要时实时传输到列车网络。通过分类数据并按照不同的方式进行传输，提高了数据传输效率，实现较低成本的数据落地和数据调用。
7.第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种列车无线智能网关系统，包括逻辑控制与加速中心，用于接收地面控制指令，根据列车数据类型对数据进行等级分类，对需要实时传输的最高等级数据直接传输到地面网络；对可延时传输的数据进行打包并存储，通过毫米波或wifi ，将可延时数据加速传输到地面网络；对地面网络数据，在需要时实时传输到列车网络。
8.本发明进一步设置为：还包括数据交换中心，与逻辑控制与加速中心连接，数据交
换中心用于对列车采集的所有数据进行汇聚，并传输给逻辑控制与加速中心。
9.本发明进一步设置为：逻辑控制与加速中心包括相连接的逻辑控制中心和数据加速交换中心，逻辑控制中心进行地址转换，将地面网络数据地址转换为车辆网数据地址，车辆网络数据包的地址转换为地面网络地址，对传输需要实时传输的数据；对可延时传输数据进行打包并存储，在符合传输情形下，数据加速交换中心从存储器中取出数据，对可延时传输数据进行加速传输。
10.本发明进一步设置为：还包括温度检测模块，用于检测网关系统内温度并进行控制。
11.第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种列车无线智能网关系统数据处理方法，对列车数据进行等级分类，对不同等级的数据采用不同的传输方法，根据列车数据的数据源和数据类型，将列车数据分为消息数据、文件数据，将文件数据分为可延时传输数据与实时传输数据，消息数据和实时传输数据进行实时传输，可延时传输数据延时到有wifi或车站进行传输。
12.本发明进一步设置为：对新建网络或新增设备进行白名单安全认证，对通过认证的设备建立地址对应表，以点对点的方式进行实时传输。
13.本发明进一步设置为：可延时传输数据包括列车视频监控实时数据、传感器安全检测实时数据，对可延时传输数据标注时间、速度、定位标签，按照标签打包并压缩存储。
14.本发明进一步设置为：消息数据包括tcms网络数据、控制指令，将tcms网络数据定为最高等级，控制指令定为次高等级，实时传输数据定为次低等级，可延时传输数据定为低等级，按照从最高等级到低等级安排数据传输顺序和安全等级。
15.第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种列车无线智能网关系统终端，包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本技术所述方法。
16.第四方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：一种列车无线智能网关,包括逻辑控制与加速中心、电源单元、网络单元、存储单元、数据汇集单元、通讯单元、数据采集单元、无线通讯单元，电源单元用于给网关各单元提供电能，网络单元用于连接外网，通讯单元用于连接列车控制系统，数据采集单元用于将采集到的列车数据处理，转化后发送至数据汇集单元，数据汇集单元用于汇集车辆网数据， 逻辑控制与加速中心用于对汇集后的数据进行处理，分类存储，按照不同方式，通过网络单元或无线通讯单元，与地面网络进行交互。
17.与现有技术相比，本技术的有益技术效果为：1.本技术通过设置逻辑控制与加速中心，对数据进行等级分类，实现了实时数据的及时传输与大数据的延时传输；2.进一步地，本技术通过加速中心对大数据进行加速传输，提高大数据的传输效率；3.进一步地，本技术通过设置白名单认证，提高了数据传输的安全性；4.进一步地，本技术的智能网关，将车辆网络和地面网络隔离开来，保护了车辆网络的安全传输，在当前车辆网络框架的基础上，将车地数据一体化。
附图说明
18.图1是本技术的一个具体实施例的网关系统结构示意图；图2是本技术的一个具体实施例的网关系统原理示意图；图3是本技术的一个具体实施例的网关系统结构数据流向示意图；图4是本技术的一个具体实施例的网关结构示意图。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
20.具体实施例一本技术的一种列车无线智能网关系统，如图1、2所示，包括数据采集、数据汇集、逻辑控制与加速、数据存储、数据传输几个方面，列车网络采集的数据经过汇集后，经过逻辑控制与加速的等级分类并存储，不同等级的数据按照不同的方式传输到地面网络，地面网络的数据，在需要的时候传输给列车网络，不需要进行实时传输。
21.数据采集，包括列车性能数据、视频监控数据，安全监测原始数据，通过can接口、rs485接口、多功能车辆总线mvb（multifunction vehicle bus）接口、数字量输入输出接口和以太网接口中的至少一种，进行采集，并转化为以太网数据，传输给数据汇集中心进行汇集，数据汇集中心包括编组网交换机单元csu（consist switch unit）。
22.传输到can接口的数据，由can数据采集单元进行数据收发，can数据采集单元与列车can总线之间采用光耦隔离和收发器隔离，同时根据列车使用环境设计高速电感和电容。can数据采集单元将采集到的列车数据存储备份、加密和重新打包封装后，转化为以太网信号发送至数据汇集中心，进行低速数据交互。
23.传输到mvb接口的数据，由mvb数据采集单元进行转发，mvb数据采集单元与车辆网之间采用变压器隔离，包括高速差分收发器、现场可编程逻辑门阵列fpga、核心处理器，fpga进行过程数据和消息数据的包处理，通过并行总线发送至核心处理器，同样地，对数据存储备份、加密和重新打包封装后，转化为以太网信号发送至数据汇集中心。
24.rs485数据采集单元，进行rs485接口的数据收发，与列车rs485总线之间采用光耦隔离和收发器隔离，对数据存储备份、加密和重新打包封装后，转化为以太网信号发送至数据汇集中心。
25.数据采集单元，通过具有电磁隔离性的一致性统一标准接口，与列车网络控制中心连接，并上报车载无线智能网关的设备状态给列车网络控制中心。通过以太网，与数据汇集中心进行交互。
26.输入输出数据包括列车的报警信号和状态信号，经过打包封装后，转化为以太网信号发送至数据汇集中心。
27.mvb/can/485数据采集单元与列车系统建立mvb/can/485通讯链路，接收列车控制及管理系统tcms（train control and management system）控制指令，对mvb/can/485控制数据帧进行解析解码处理，重新整合数据帧发送给tcms系统逻辑控制中心，同时mvb/can/485数据采集单元接收tcms系统逻辑控制中心回复数据帧，整合处理后发送至mvb/can/485总线。
28.开关量采集单元dio（digital interface unit），通过以太网与数据汇集中心连
接，通过di、do接口与列车其他子系统进行通信。
29.数据汇集，是对列车所有数据的汇集。
30.通过以太网具有链路聚合功能的接口，连接视频（closed circuit television）监控网络和车辆多媒体网络，使监控视频数据更快速的传输，默认接收监控网络和车辆多媒体网络的所有组播组内数据。
31.数据汇集中心，包括编组网交换机单元csu（consist switch unit），能够实现最基本的二层以太网交换功能，使用基于端口的vlan将不同数据分开为不同的虚拟网络单元，并分配不同业务的带宽，使所有业务数据流互相不干扰，互相不抢占带宽。
32.逻辑控制与加速中心dtu（data transfer unit），包括逻辑控制中心和高速数据加速单元，通过逻辑控制中心与加速中心实现。
33.逻辑控制与加速中心dtu对汇集的数据进行处理，方法如下：逻辑控制中心设立白名单匹配和安全控制功能，绑定源（目的）ip与源（目的）mac地址，制定访问控制列表，实现白名单匹配。基于源ip地址、目的ip地址、源端口号、目的端口号、协议类型匹配，实现安全控制。
34.对数据进行等级分类，不同等级采用不同的传输方式。
35.数据等级包括：最高等级：包括列车控制及管理系统tcms（train control and management system）网络数据传输，包含了列车所有设备的状态信息和车辆报警信息，必须实时，安全的传送至地面网络，安全等级最高，采用实时点对点传输。
36.次高等级：包括控制指令，如设备升级命令、数据下载命令、设备状态查看命令、视频流调取命令，这些控制指令需要实时执行，也采用实时点对点传输。
37.最高等级与次高等级的数据，属于消息数据。消息数据的传输走tcp/ip协议，其中，控制指令传输只需要在地面控制中心和网关之间进行；tcms数据的传输安全等级和实时性要求是最高优先级。列车无线智能网关同时采集tcms网络数据和dio信号，根据时钟同步，对齐列车设备的状态信息和报警信息，并将数据在数据链路层加密处理后，按照私有协议进行封装。
38.次低等级：包括普通文件数据，如应用程序、设备日志文件、媒体片源，实时性要求一般，且传输频次不高，也采用实时点对点传输。
39.最低等级：包括大数据文件，如视频监控实时数据、列车安全检测设备原始数据；此类数据的特点为数据量大，传输需要大带宽，数据落地时间长，通过无线通讯或wifi可延时传输。
40.无线通讯包括毫米波通讯。在列车到站后，利用车站的毫米波通讯传输，或在有wifi时利用wifi传输。
41.大数据文件因为数据量较大，在传输之前需要先进行数据处理。数据处理方式为：实时获取视频流，将视频流数据进行标注，包括时间标签、速度、定位标签，并按照标注打包压缩，临时存储于存储单元中。
42.大数据文件的传输与普通文件数据传输逻辑一致，但为了保证传输速率，大数据文件在网关不同端口之间进行数据传输时，不需要经过逻辑控制中心数据转发，只需要经底层的高速数据加速单元的数据转发，最后经由毫米波设备或者wifi单元传输至地面中
心，提高数据传输速度。
43.对于视频流调取，因为支持多种不同视频流协议，因此单独处理。
44.文件数据的发送操作，包括：s1、新建网络或者新增设备时进行白名单安全认证；s2、经过认证的设备传送文件数据时，逻辑控制中心建立地址对应表，该对应表项将地面和车辆设备组成一个小的局域网，传送文件时，实行地面和列车设备的点对点传送。
45.点对点的传输方式，数据传输环节简单，提高了传输效率，保证了数据的完整性。
46.本技术将已认证白名单设备数据更直接快速的点对点直接对接发送，取消中间环节的存储和握手机制，提高效率；快速识别数据包类型，并保存为地址列表，当设备改变时，需要重新进行目标设备的标定。分级处理，安全等级高的数据有优先处理和传输权，提高了传输效率。
47.高速数据加速单元，能够实现底层数据的高速交换，根据逻辑控制中心预先配置的数据包流向，实现全部高速总线的全背板带宽交换功能。
48.数据存储，以两种制式的冗余ssd（ solid state disk）进行数据存储，如果主ssd功能出现故障，则由逻辑控制中心自动切换为备用ssd存储。
49.主ssd采用nvme固态盘存储器，数据存储具有同nvr一致的功能，实现了经过数据处理后的压缩或非压缩数据阵列存储。
50.数据传输所有的数据流向都由逻辑控制中心进行控制，从地面中心发送的控制命令均有逻辑控制中心逻辑控制翻译，并将所需数据返回至地面中心。
51.由于车辆网络和地面网络属于两个不同的专业局域网络，因此需要将地面网络数据地址转换为车辆网数据地址，将车辆网络数据包的地址转换为地面网络地址，以此种方式实现地面网和车辆网的所有数据交互，包含已知单播和组播数据。
52.在设备上电后，逻辑控制中心的时钟经由gps校时，并将校准后的时钟信号分发至所有单元，使所有子系统时间同步。逻辑控制中心收集各设备状态信息并自动记录，实时记录系统各设备的故障信息和系统运行及操作日志。
53.传输方式包括wifi、无线传输。
54.无线传输包括毫米波、4g或者5g无线广域网通信传输，采集列车门信号及速度信号，判断车辆是否到站，结合gps或bds定位系统，定位毫米波天线位置。定位到合适角度后，将预先存储在ssd内的数据通过tftp协议发送至地面控制中心。
55.结合4g或者5g无线广域网络、gps或bds定位，建立wwan通信，进行与地面的数据传输。
56.本实施例的数据流向，如图3所示，列车控制及管理系统tcms的数据，为最高等级数据，经过数据汇集后，经过逻辑控制中心建立的地址对应表，与地面网络形成一个小局域网，点对点传输给地面网络的服务器进行存储。
57.视频监控网络数据，按照标签进行打包压缩存储后，经过高速数据加速中心加速转发，通过车站的毫米波或有wifi情况下，直接传输给地面网络，不需要经过逻辑控制中心数据转发，提高这种大数据传输效率。
58.车辆安全检测原始数据，传输到本技术所述网关进行存储，再从网关传输到地面
网络的服务器进行存储。
59.地面网络的控制指令，包括请求设备日志、下发应用程序、片源等，只需要在地面控制中心和本技术所述网关系统之间进行；经过逻辑控制中心处理，传输到列车网络。
60.具体实施例二本技术的一种列车无线智能网关，如图4所示，包括逻辑控制与加速中心、电源单元、网络单元、存储单元、数据汇集单元、通讯单元、数据采集单元、无线通讯单元，电源单元用于给网关各单元提供电能，网络单元用于连接外网，通讯单元用于连接列车控制系统，数据采集单元用于将采集到的列车数据处理，转化后发送至数据汇集单元，数据汇集单元用于汇集车辆网数据， 逻辑控制与加速中心用于对汇集后的数据进行处理，分类存储，按照不同方式，通过网络单元或无线通讯单元，与地面网络进行交互。
61.逻辑控制与加速中心dut，是所有高速数据的交换中心，包括逻辑控制中心和高速数据加速中心两个模块。
62.高速数据加速单元具有多路可配置高速serdes接口，包括pcie接口、千兆以太网接口、xuai/sgmii接口、usb3.0接口、usb2.0接口、msata接口。
63.其中，1路pcie接口和1路sata接口完成两组sdd存储功能；1路pcie接口用于无线局域网wlan（wireless local area networks）功能；1路usb2.0用于4g功能；1路usb3.0用于5g功能；2路xuai/sgmii接口用于2路2.5g/1g以太网接口。
64.高速数据加速中心，能够实现底层数据的高速交换，根据逻辑控制中心预先配置的数据包流向，实现全部高速总线的全背板带宽交换功能。
65.数据汇集单元csu，所有车辆网数据在csu单元汇聚交换，包括用于连接视频监控网络和车辆多媒体网络的第一接口，第一接口具有链路聚合功能，能够将两个千兆端口聚合为2gbps带宽线路，从而使监控视频数据更快速的传输，而当其中1路千兆网络线路出故障时，此线路自动恢复为普通端口。
66.还包括有加入至视频监控网络和车辆多媒体网络的组播地址组的第二接口，默认接收所有组播组内数据。
67.csu单元还能够实现最基本的二层以太网交换功能，使用基于端口的vlan将不同数据分开为不同的虚拟网络单元，并分配不同业务的带宽，使所有业务数据流互相不干扰，互相不抢占带宽。
68.数据采集单元包括rs485数据采集单元、can数据采集单元、mvb数据采集单元、dio单元功能。
69.rs485数据采集单元，实现rs485接口的数据收发功能，rs485数据与列车rs485总线之间采用光耦隔离和收发器隔离。rs485数据采集单元将采集到的列车数据备份、加密和重新打包封装，转化为以太网信号发送至csu单元。
70.列车数据采集单元与列车网络控制中心之间的接口是一致性统一标准接口，具有电磁隔离性。同时，与列车网络控制中心之间还需要上报车载无线智能网关的设备状态。
71.can数据采集单元，实现can接口的数据收发功能，can数据与列车can总线之间采用光耦隔离和收发器隔离，同时根据列车使用环境设计高速电感和电容。can数据采集单元将采集到的列车数据备份、加密和重新打包封装，转化为以太网信号发送至csu单元。
72.mvb数据采集单元物理层选用高速差分收发器实现，与车辆网之间采用变压器隔
离。数据链路层的逻辑采用fpga进行过程数据和消息数据的包处理，并通过并行总线发送至核心处理器。mvb数据采集单元将采集到的列车数据备份、加密和重新打包封装，转化为以太网信号发送至低速数据交互单元。
73.dio单元，与列车网络控制中心之间进行信息交互，车载无线智能网关与列车之间还具有数字信号输入输出接口的链接，主要采集列车子系统的报警信号和状态信号，并将采集到的车辆报警信号和状态信号重新封装并转化为以太网信号发送至低速交换单元。
74.列车无线智能网关dio通讯模块背板通过以太网与csu连接，并通过di、do接口与列车其他子系统进行通信。
75.电源单元，包括用于为2.5网卡单元poe功能提供电源的第一电源、为其余部件提供电源的第二电源，第一电源、第二电源都采用冗余备份方式设置。
76.网络单元，包括2.5g网卡单元、wlan单元、无线广域网wwan（wireless wide area network）单元，用于对数据进行传输。
77.2.5g网卡单元还具有高速poe供电功能（ieee 802.3af/at），能够实现将供电耦合在2.5g高速以太网线路上，为毫米波天线设备供电。
78.2.5g网卡与dtu单元之间为高速的sgmii接口，该高速差分serdes接口可以由dtu单元通过串行以太网媒体信号mdc/mdio配置为1.25g sgmii,实现双路千兆以太网。
79.wlan单元，实现设备的wifi功能，由高速数据加速中心分配数据，实现车辆网络和地面网络的连接。
80.wwan单元，实现4g或者5g的无线广域网通信，同时集成gps和bds的卫星导航功能，建立wwan通信，进行与地面的实时数据传输。
81.无线通讯单元，包括毫米波传输。
82.存储单元，实现列车无线智能网关的数据存储功能，存储介质为ssd固态硬盘。
83.数据存储具有同nvr一致的功能，实现了经过数据处理后的压缩或非压缩数据阵列存储。
84.通讯单元，用于实现数据汇集与数据采集之间的数据通讯。
85.因为列车无线智能网关设备包含高速数据加速单元，以太网交换单元，poe 供电等功能，电源中的部分能量以热量的方式进行扩散，提高了网关内温度，因此，设置温度检测并进行控制，当温度升高至设置的高阈值时，提高风扇的转速；当温度降低至低阈值时，降低风扇的转速，保持温度不超过范围。
86.具体实施例三本发明一实施例提供的一种列车无线智能网关系统终端设备，该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如数据等级分类程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现对数据的等级分类。
87.示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述列车无线智能网关系统终端设备中的执行过程。
88.所述列车无线智能网关系统终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述列车无线智能网关系统终端设备可包括，但不仅限于，处理
器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述上述示例仅仅是所述列车无线智能网关系统终端设备的示例，并不构成对所述列车无线智能网关系统终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或组合某些部件，或不同的部件，例如所述列车无线智能网关系统终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
89.所述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu),还可以是其他通用处理器、数据信号处理器(digital signal processor，dsp) 、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种列车无线智能网关系统终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个所述一种列车无线智能网关系统终端设备的各个部分。
90.所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种列车无线智能网关系统终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card ,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
91.本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。