CN111824092B - 一种多主实时热备冗余制动力分配方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多主实时热备冗余制动力分配方法和系统，方法包括，两个以上中央制动控制单元ECU独立、实时地计算出各轴的目标制动力，通过网络通讯总线传输包含目标制动力的报文，各轴电控阀基于所有中央制动控制单元ECU计算的目标制动力，确定目标控制值或进行制动力方式切换。本发明的系统包括，两个以上中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、轴电控阀以及外部制动需求输入，并采用本发明提供的制动力分配方法。本发明的制动力分配方法和系统，可以满足车辆制动响应的实时性要求，同时，至少两个中央制动控制单元ECU的架构提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆的制动力分配方法和系统，具体涉及一种采用多个中央制动控制单元(ECU)的实时热备冗余分配方法和系统。
背景技术
目前，商用车辆、拖挂车、汽车、乘用车、公交车等路面交通领域的制动系统已经开始装备电子制动力分配控制装置(EBD/EBS)。EBS系统中一般会配置一个中央制动控制单元ECU，中央制动控制单元ECU通过CAN总线向各轴/各轮电控阀发送制动请求指令。当主控ECU失效时，电子制动力分配功能失效，自动切换至纯气控制动模式，此时，车辆制动功能自动降级。
在轨道交通列车制动系统中，车控系统每节车都配置一个电子制动控制单元EBCU，两个司机室的EBCU分别作为主控ECU与备份主ECU，其它车全为从EBCU。在架控制动系统中，每一个单元编组首尾两端配置两个EBCU，分别为主控ECU与备份主ECU。当主控ECU失效或异常时，由备份主ECU争抢主权。类似基于主从模式的制动拓扑架构，主从切换逻辑复杂，并且，在主从切换过渡期间，制动无法及时响应，且因某种异常导致的频繁主从切换，将严重影响列车制动的安全性。
发明内容
针对上述问题，提供一种多主实时热备冗余制动力分配方法和系统，该技术方案满足实时制动相应的要求，提高了控制系统的可靠性，同时，规避了主从ECU架构下异常反复切换或主从切换失败的风险。
本发明提供了一种多主实时热备冗余制动力分配方法，包括：
步骤1，两个以上中央制动控制单元ECU分别接收同样的外部制动需求输入，基于所述外部制动需求输入独立、实时地计算出多个轴中各个轴的目标制动力，并以报文的形式发出；
步骤2，网络通讯总线将所述报文传输至所述各轴的电控阀；
步骤3，所述各轴的电控阀实时接收所述报文，并根据数据处理策略选择一个所述报文中的所述目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换。
相较于主从ECU架构，本发明中的所有中央制动控制单元ECU可理解为均为主ECU。
优选地，步骤3中，所述数据处理策略为，判断接收到的所有所述报文是否可用，当两个以上所述报文可用时，选择目标制动力最大的报文，以其目标制动力作为所述目标控制值；当仅有一个所述报文可用时，将其所述目标制动力作为所述目标控制值；当所有所述报文均不可用时，所述电控阀由电控制动模式自动切换至气控制动模式。
通过判断接接收到的报文的可用性，选取可信数据中的最大目标制动力作为目标控制值，能够防止任意周期因为某个中央控制单元ECU计算出错导致列车的制动力不足。
优选地，判断所述报文是否可用包括，判断所述报文对应的所述中央制动控制单元ECU自身状态和通讯状态是否正常。
优选地，判断报文是否可用还包括，判断报文是否持续更新、报文校验是否正确或网络通讯总线内部是否报出故障中的一项或多项。
优选地，步骤1中，所述中央制动控制单元ECU设置为两个，两个中央制动控制单元(ECU)同时接收所述外部制动需求输入。
优选地，步骤1中，所述中央制动控制单元ECU设置为多于两个，激活端的所述中央制动控制单元ECU先接收外部制动需求输入；激活端的所述中央制动控制单元ECU再将所述外部制动需求输入通过外网总线分发至其他中央制动控制单元ECU。
优选地，所述轴电控阀在每个运行周期都会实时丢弃不可用报文，并实时报出不可用的所述中央制动控制单元ECU的故障状态。
本发明还提供了一种多主实时热备冗余制动力分配系统，包括两个以上中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、各轴的电控阀和外部制动需求输入单元，其特征在于，采用所述多主实时热备冗余制动力分配方法。
优选地，所述两个以上中央制动控制单元ECU分别通过不同的端口或帧ID发送所述报文。
通过不同的端口或帧ID发送数据，可最大程度地防止不同中央控制单元ECU之间报文冲突，同时保证指令的同步性。
优选地，所述网络通讯总线可以是任意种类的工业总线，如CAN总线，以太网，Lonworks等。基于车辆需求，灵活选择网络通讯总线的种类。
优选地，所述网络通讯总线采用单网热备方式或双网热备方式；当所述网络通讯总线采用所述单网热备方式时，所述中央制动控制单元ECU通过一条所述网络通讯总线传输所述报文；当所述网络通讯总线采用所述双网热备方式时，所述中央制动控制单元ECU通过两条所述网络通讯总线分别传输相同的所述报文，以此实现当一条网络通讯总线故障时，另一条网络通讯总线仍可将所述报文传输至所述各轴的电控阀。
本发明的有益效果是：
1.相较于主从ECU，在系统架构方面，两个或多个中央制动控制单元ECU的硬件配置与主从ECU的硬件配置成本是一致的，但其软件算法较复杂的主从ECU架构更为简洁，成本更低；同时，还能规避主从ECU架构异常反复切换或主从切换失败的风险。
2.相较于主从ECU，在功能方面，两个或多个中央制动控制单元ECU同时实时运算，不存在主从切换的过渡阶段，任意时刻任意一个中央制动控制单元ECU失效时，都不会影响制动响应，不存在主从过渡阶段的响应真空区。
3.相较于单一EBS控制系统，在系统架构方面，多主实时冗余备份的方式可靠性提升一倍。
4.相较于单一EBS控制系统，在硬件架构方面，两个或多个中央制动控制单元ECU的架构较之传统的单一EBS系统架构减少了跨车的布线，布线更为简洁。
附图说明
本发明的以上内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明提供的数据处理策略的示意图；
图3为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图；
图4为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图；
图5为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
在一个实施例中，图1为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图。如图1所示，该实施例的多主实时热备冗余制动力分配系统包括两个中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、各轴的电控阀和外部制动需求输入单元。
外部制动需求输入单元产生外部制动需求输入，外部制动需求输入具体为踏板信号401、方向信号402和司机激活403，并提供给中央制动控制单元ECU。
两个中央制动控制单元ECU包括第一中央制动控制单元ECU1 301和第二中央制动控制单元ECU2 302。第一中央制动控制单元ECU1 301和第二中央制动控制单元ECU2 302同时接收踏板信号401、方向信号402和司机激活403；并基于踏板信号401、方向信号402和司机激活403独立、实时地计算各轴的目标制动力，并以报文的形式发出。
可以理解的是，当一个中央制动控制单元ECU出现故障时，由于两个中央制动控制单元ECU均是实时计算所有轴的目标制动力，可用中央制动控制单元ECU能实时响应，相较于主从ECU，不存在主从ECU切换期间无法及时响应，以及主从ECU频繁切换的问题。
网络通讯总线可采用任意种类的工业总线，如CAN总线、以太网、Lonworks等，本实施例中以CAN总线为例进行介绍。
网络通讯总线CAN1 201将第一中央制动控制单元ECU1 301和第二中央制动控制单元ECU2 302各自形成的报文传输至各轴的电控阀101～106。
需说明的是，当中央制动控制单元设置为两个时，网络通讯总线是指从ECU向电控阀传输报文的内网总线；当中央制动控制单元设置为多于两个时，网络通讯总线包括从ECU向电控阀门传输报文的内网总线和在ECU之间传输信息的外网总线；本实施例中，网络通讯总线为内网总线。
内网总线可采用单网热备方式或双网热备方式，本实施例中采用单网热备方式。
网络通讯总线CAN1 201传输报文时，第一中央制动控制单元ECU1 301和第二中央制动控制单元ECU2 302分别通过不同的端口或帧ID发送，防止报文之间发生冲突。
各轴的电控阀101～106实时接收报文，并根据数据处理策略，选择一个报文的目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换。
图2示出了根据本发明一个实施例的数据处理策略。如图2所示，数据处理策略包括：
S101：判断第一中央制动控制单元ECU1 301的报文是否可用。
该步骤可以包括判断第一中央制动控制单元ECU1 301自身状态和通讯状态是否正常。
该步骤进一步可以包括判断报文是否持续更新、报文校验是否正确或网络通讯总线内部是否报出故障中的一项或多项；为保证图示清楚，图2中未示出此项判断。
S102：判断第二中央制动控制单元ECU2 302的报文是否可用。
该步骤可以包括判断第二中央制动控制单元ECU2 302自身状态和通讯状态是否正常。
该步骤进一步可以包括判断报文是否持续更新、报文校验是否正确或网络通讯总线内部是否报出故障(图中未示出)；
当第一中央制动控制单元ECU1 301的报文可用时，而第二中央制动控制单元ECU2302的报文不可用时，转到步骤S103；当第一中央制动控制单元ECU1 301的报文可用，且第二中央制动控制单元ECU2 302的报文可用时，转到S104；当第一中央制动控制单元ECU1301的报文不可用，而第二中央制动控制单元ECU2 302的报文可用时，转到S105；第一中央制动控制单元ECU1 301的报文不可用，且第二中央制动控制单元ECU2 302的报文不可用时，转到S106；
其中：
S103：各轴的电控阀101～106目标控制值(轴x_Req)等于第一中央制动控制单元ECU1 301的目标制动力(Req_Ecu1)；
S104：各轴的电控阀101～106目标控制值(轴x_Req)等于第一中央制动控制单元ECU1 301的目标制动力(Req_Ecu1)和第二中央制动控制单元ECU2 302的目标制动力(Req_Ecu2)中的最大值；
S105：各轴的电控阀101～106目标控制值(轴x_Req)等于第二中央制动控制单元ECU2 302的目标制动力(Req_Ecu2)；
S106：电控阀从电控制动模式切换为气控制动模式。
需说明的是，气控制动模式是直接根据气压变化进行制动，当电控制动失效时，电控阀不再通过电信号进行电控制动，而根据踏板踩放产生的气压变化进行气控制动。
需说明的是，对两个中央制动控制单元ECU是否可用的判断可更改先后顺序。
本实施例提供的数据处理策略，在报文均为可用、均不可用以及部分可用三种状态时，提供三种对应的处理策略，不仅解决了制动控制单元故障下的制动控制问题，同时，在制动控制单元均正常工作时，电控阀也可基于所有报文，采用较优的最大目标制动力作为目标控制值，避免了某一中央制动控制单元ECU计算出错导致的车辆制动力不足的问题。
各轴的电控阀在每个运行周期都会实时丢弃不可用的报文，并实时报出不可用的中央制动控制单元ECU的故障状态。
在另一个实施例中，图3为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图。本实施例与图1所示的一个多主实时热备冗余制动力分配方法和系统实施例相似。如图3所示，该实施例的多主实时热备冗余制动力分配系统包括两个中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、各轴的电控阀和外部制动需求输入单元，其各单元的功能与图1所示实施例中各单元的功能相同。
外部制动需求输入单元产生外部制动需求输入401～403，并提供给两个中央制动控制单元ECU，第一中央制动控制单元ECU 301和第二中央制动控制单元ECU 302。
两个中央制动控制单元ECU同时接收外部制动需求输入，并独立、实时地计算各轴的目标制动力，并以报文的形式发出。
网络通讯总线CAN1 201将报文传输至各轴的电控阀101～106。
需说明的是，本实施例中网络通讯总线为内网总线。
需说明的是，本实施例中，网络通讯总线CAN1 201采用与图1所示实施例不同的双网热备方式，两个中央制动控制单元ECU通过两条网络通讯总线分别传输相同的报文。
可以理解的是，当内网总线采用单网热备方式时，任意一个节点出现故障可导致内网总线整体故障，无法正常传输报文，而采用双网热备方式可实现在一条内网总线出现故障时，另一条内网总线仍可将报文传输至电控阀。
各轴的电控阀101～106实时接收报文，并根据数据处理策略，选择一个报文的目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换，其中，数据处理策略与图2所示的数据处理策略相同。
在另一个实施例中，图4为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图。如图4所示，该实施例的多主实时热备冗余制动力分配系统包括三个中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、各轴的电控阀和外部制动需求输入单元。
外部制动需求输入单元产生外部制动需求输入，外部制动需求输入具体为踏板信号401、方向信号402和司机激活403，并提供给中央控制单元ECU。
三个中央制动控制单元ECU包括第一中央制动控制单元ECU1 301、第二中央制动控制单元ECU2 302和第三中央制动控制单元ECU3 303，其中，第一中央制动控制单元ECU1301位于激活端，而第二中央制动控制单元ECU2 302和第三中央制动控制单元ECU3 303位于非激活端。第一中央制动控制单元ECU1 301先接收踏板信号401、方向信号402和司机激活403；再将踏板信号401、方向信号402和司机激活403通过网络通讯总线中的外网总线CAN2 202分发至第二中央制动控制单元ECU2 302和第三中央制动控制单元ECU3 303。第一中央制动控制单元ECU1 301、第二中央制动控制单元ECU2 302和第三中央制动控制单元ECU3 303基于踏板信号401、方向信号402和司机激活403独立、实时地计算各轴的目标制动力，并以报文的形式发出。
网络通讯总线中的内网总线CAN1 201将第一中央制动控制单元ECU1 301、第二中央制动控制单元ECU2 302和第三中央制动控制单元ECU3 303的报文传输至各轴的电控阀。
各轴的电控阀101～106实时接收报文，并根据数据处理策略，选择一个报文的目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换。
网络通讯总线中的内网总线CAN1 201可以采用单网热备方式或双网热备方式，本实施例中采用单网热备方式。
各轴的电控阀实时接收报文，并根据数据处理策略选择一个报文中的目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换。
数据处理策略与图2所示的一个实施例中的数据处理策略相似，仅需将判断的报文数量增加为三份，分别对应第一中央制动控制单元ECU1 301、第二中央制动控制单元ECU2 302和第三中央制动控制单元ECU3 303。该数据处理策略包括：
判断接收到的三份报文是否可用，当两个以上报文可用时，选择所述目标制动力最大的报文，以其目标制动力作为所述目标控制值；当仅有一个报文可用时，将其目标制动力作为目标控制值；当三份报文均不可用时，电控阀从电控制动模式自动切换至气控制动模式。
需说明的是，本发明还可设置三个以上的中央制动控制单元ECU，可类推采用本实施例介绍的设置三个中央制动控制单元ECU的方法。
在另一个实施例中，图5为本发明提供的多主实时热备冗余制动力分配方法和系统的一个实施例的示意图。本实施例与图4所示的一个多主实时热备冗余制动力分配方法和系统实施例相似。如图5所示，该实施例的多主实时热备冗余制动力分配系统包括三个中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、各轴的电控阀和外部制动需求输入单元，其各单元的功能与图4所示实施例中各单元的功能相同。
外部制动需求输入单元产生外部制动需求输入401～403，并提供给中央制动控制单元ECU。
位于激活端的第一中央制动控制单元ECU 301先接收外部制动需求输入401～403，再通过网络通讯总线中的外网总线CAN2 202分发给另外两个位于非激活端的第二中央制动控制单元ECU 302和第三中央制动控制单元ECU 303，三个中央制动控制单元基于外部制动需求输入独立、实时地计算各轴的目标制动力，并以报文的形式发出。
网络通讯总线中的内网总线CAN1 201将报文传输至各轴的电控阀101～106。
需说明的是，本实施例中，网络通讯总线中的内网总线CAN1 201采用与图4所示实施例不同的双网热备方式。
各轴的电控阀101～106实时接收报文，并根据数据处理策略，选择一个报文的目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换，其中，数据处理策略与图2所示的数据处理策略相同。
这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种多主实时热备冗余制动力分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)两个以上中央制动控制单元ECU分别接收同样的外部制动需求输入，基于所述外部制动需求输入独立、实时地计算出多个轴中的各轴的目标制动力，并以报文的形式发出；
(2)网络通讯总线将所述报文传输至所述各轴的电控阀；
(3)所述各轴的电控阀实时接收所述报文，并根据数据处理策略选择一个所述报文中的所述目标制动力作为目标控制值，或进行制动力方式切换；
所述数据处理策略为，判断接收到的所有所述报文是否可用，当两个以上所述报文可用时，选择所述目标制动力最大的所述报文，以其所述目标制动力作为所述目标控制值；当仅有一个所述报文可用时，将其所述目标制动力作为所述目标控制值；当所有所述报文均不可用时，所述电控阀从电控制动模式自动切换至气控制动模式。
2.根据权利要求1所述的多主实时热备冗余制动力分配方法，其特征在于，判断所述报文是否可用包括，判断所述报文对应的所述中央制动控制单元ECU自身状态和通讯状态是否正常。
3.根据权利要求2所述的多主实时热备冗余制动力分配方法，其特征在于，判断报文是否可用还包括，判断报文是否持续更新、报文校验是否正确或网络通讯总线内部是否报出故障中的一项或多项。
4.根据权利要求1所述的多主实时热备冗余制动力分配方法，其特征在于，步骤(1)中，所述中央制动控制单元ECU设置为两个，两个中央制动控制单元ECU同时接收外所述部制动需求输入。
5.根据权利要求1所述的多主实时热备冗余制动力分配方法，其特征在于，步骤(1)中，所述中央制动控制单元ECU设置为多于两个，激活端的所述中央制动控制单元ECU先接收所述外部制动需求输入；激活端的所述中央制动控制单元ECU再将所述外部制动需求输入通过外网总线分发至其他所述中央制动控制单元ECU。
6.根据权利要求1所述的多主实时热备冗余制动力分配方法，其特征在于，所述轴的电控阀在每个运行周期都会实时丢弃不可用的所述报文，并实时报出不可用的所述中央制动控制单元ECU的故障状态。
7.一种多主实时热备冗余制动力分配系统，包括两个以上中央制动控制单元ECU、网络通讯总线、各轴的电控阀和外部制动需求输入单元，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述多主实时热备冗余制动力分配方法。
8.根据权利要求7所述的多主实时热备冗余制动力分配系统，其特征在于，所述两个以上中央制动控制单元ECU分别通过不同的端口或帧ID发送所述报文。
9.根据权利要求7所述的多主实时热备冗余制动力分配系统，其特征在于，所述网络通讯总线可以是任意种类的工业总线。
10.根据权利要求7所述的多主实时热备冗余制动力分配系统，其特征在于，所述网络通讯总线采用单网热备方式或双网热备方式；当所述网络通讯总线采用所述单网热备方式时，所述中央制动控制单元ECU通过一条所述网络通讯总线传输所述报文；当所述网络通讯总线采用所述双网热备方式时，所述中央制动控制单元ECU通过两条所述网络通讯总线分别传输相同的所述报文，以此实现当一条网络通讯总线故障时，另一条网络通讯总线仍可将所述报文传输至所述各轴的电控阀。
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