工业以太网在城轨车辆中的应用研究
时间：2023-02-02 16:40:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘 佳，任宝兵，马 悦
（1中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁大连 116052；
2动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，辽宁大连 116052）
目前，我国城市轨道交通车辆逐步向着舒适化、智能化及多功能化的方向发展［1］，车辆集成度越来越高，通信数据量越来越大，面向乘客服务信息也越来越丰富。列车通信网络不仅要保证重要信息在列车、车辆及设备间实时可靠传送，最终用户特别是乘客的信息交互也对列车网络性能提出了更高要求［2］。传统的TCN网络已无法满足列车对高速、大数据传输及强集成性等网络性能的需求。以太网以其强大的吞吐能力以及高效的传输性能很好地解决了传统列车网络在通信性能上的不足。此外，其灵活的组网方式和良好的可拓展性可建立集列车网络控制及旅客信息服务等诸多功能于一体的新型网络平台，实现列车多业务融合。将以太网作为列车控制网络俨然成为未来列车网络技术的发展方向之一［3］。多业务融合网络技术作为基于以太网的列车网络关键技术，在传统列车网络设计中，属非重点关注项，其技术积累少、实际应用经验不足。通过优化网络拓扑结构、精简车载通信设备及布线，实现多网融合和多系统功能融合，进一步节约设备安装空间，提高设备功能集成度，最终实现整车降本减重，成为列车网络架构设计和功能集成设计的重中之重。
在过去的几年中，继庞巴迪公司首次将基于以太网的列车网络应用于城轨车辆后，西门子、EKE等诸多国际知名轨道交通企业相继提出了各自基于以太网的列车控制方案［4-5］。国内关于列车以太网通信技术的相关研究起步较晚，目前，各大整车制造商对纯以太网控车技术在城市轨道交通车辆中的应用研究尚处于起步阶段［6］。因此，研究基于以太网的整车多业务融合网络构建形式对于发展下一代列车网络控制系统自主核心技术具有重要意义。
相较于总线拓扑结构单一的传统TCN网络，以太网网络在组网灵活性上展现了其强大的网络性能。线性拓扑结构、环形拓扑结构、梯形拓扑结构、单归属拓扑结构、双归属拓扑结构，形式多样的基本网络拓扑结构为列车网络构建形式提供了多种选择［7-8］。本节从成本、可靠性及整车布线难易程度等方面出发，设计了一种成本低廉、可靠性高、跨车线少及通用性强的列车以太网网络拓扑，并从多个维度对该拓扑的可靠性进行了分析。
1.1 网络拓扑设计
列车网络拓扑如图1所示。
图1 环形网络拓扑
整车网络采用两级网络拓扑结构。列车级网络由2个冗余的ETBN采用线性链路聚合的形式连接而成，用以实现列车重联功能。车辆级以太网干网由若干个管理型交换机两两相接组成一个环形拓扑结构，根据设备自身对冗余度的要求，终端设备可采用双归属或单归属的形式接入车辆网络拓扑，如图1所示。对于网络核心控制设备，可直接采用双设备冗余的连接方式接入列车网络，以提高设备可靠性，具体连接方式如图2所示。
图2 双设备冗余拓扑
1.2 可靠性分析
本节以双归属模式为例，对图1所示整车网络拓扑从功能完整性角度进行可靠性分析，并对1.1节所提各种连接方式进行了可靠性比较。
（1）ETBN故障
具有Bypass功能的2个ETBN能够保证当任意一个ETBN故障时，仍有1个ETBN可以维持原有功能。
（2）列车干网故障
2个ETBN间采用链路聚合的形式连接，由此可以保证当任意一根网线故障时，编组间通信不会因此中断。
（3）交换机故障
任意一个ED同时连接到2个交换机，任意一个交换机故障，不会影响到连接至该交换机上ED在网络中的功能完整性。
（4）车辆环网故障
环形网络保证了当组成环网的任意一根线缆断开时网络能够自动重构，进而保证了列车的网络完整性。
（5）ED网卡故障
双归属ED保证了当ED中的任何一个网卡故障时，该ED的通信仍可由另一个网卡完成，不会因此而导致该ED功能的缺失。
（6）ED系统故障
ED系统故障会导致该终端设备功能的缺失。
（7）ED-CS网络连接故障
功能正常的ED，同样可能因为ED与交换机之间网络连接的故障而导致该ED不能正常通信。有两根网线同时连接至两个交换机，可以保证当与其中一个交换机连接故障时，信息可以经连接至另一个交换机上的网线传输。
相比于双归属网络拓扑，其他网络拓扑在上述7种故障情况下的可靠程度随着冗余程度的下降而下降，具体分析见表1。
表1 不同网络拓扑可靠性对比表
城轨列车作为一个高度集成化的工业产品，其内部集成了包括列车监控系统、乘客信息系统、车地无线系统、火警系统在内的十几个子系统，而且随着整车设计水平的不断提高，整车集成度还在不断地增加。实现设备互联互通、系统高度集成一体化逐渐成为未来城轨行业业界共识［9］。由于传统TCN网络兼容性差，导致各子系统自成网络，维护网也不得不独立于列车总线之外。以太网以其强大的网络兼容性彻底打破了传统列车网络多网并存的网络模式，列车干网真正成为了不同业务网的共同载体。通过对管理型交换机的应用，可以方便地实现对不同功能网的管理。
整车网络设计可根据各业务网的实际功能需求为每个业务网提供一套独立的网络传输通道，如图3所示。同一终端设备可分属于多个业务网；
同一个业务网可包含多个终端设备；
对于有大数据传输及高可靠性需求的设备，可采用链路聚合形式与交换机相连，使得交换机可根据数据传输量对传输路径进行动态管理，以此提高传输效率及可靠性；
对于有跨业务网数据传输需求的功能，可选用三层交换机构建环网拓扑，此外，该网络模型还可支持多通道热备跨网络数据传输功能。
图3 环网多业务融合网络拓扑
为进一步验证文中所提设计方案的实用性，本节以某4编组列车为例，对该列车所采用的适应多业务融合的环形网络拓扑进行了详细设计。
由4台管理型交换机组成的环形网络作为整车通信干网，环形网络拓扑设计保证了当任意一根网线故障时，整车网络通信不受影响，如图4所示。分布于各节车上的设备直接与所在车节的交换机相连；
综合考虑整车布线难易程度、成本控制及可靠性保证等因素，对于列控系统核心部件，采用双设备冗余的方式接入整车网络，该拓扑方式保证了该设备所在线路或节点故障时设备功能的完整性；
对于TCU类重要系统设备，采用双归属策略接入整车网络，其余设备采用单归属形式接入整车网络。针对有2种数据传输需求的设备，每种数据经单独的传输通道与交换机通信。
图4 适应多业务融合的环形网络拓扑应用实例
整车网络划分为过程数据、视频数据、车地无线数据及特定子系统内部通信4个功能子网，为精简列车布线，维护数据与过程数据设计为共用同一子网；
视频功能网主要包含一体化HMI及PIS主机，负责视频信息、流媒体信息及语音信息的播报与显示；
车地无线子网为两路冗余的车地无线传输通道开辟独立的网络传输空间。此外，个别子系统有内部通信的需求（如火警系统），该网络同样为有这类需求的系统提供了单独的网络划分。整车通信干网为各功能子网提供公共的车间传输通道，不同功能子网的数据在各自的子网内传输，避免了设备之间的干扰，提高了数据传输效率及可靠性。
为容纳更多的设备，该网络模型中，子网掩码设为18位（即255.255.192.0），其中192所在字节的高2位用于子网划分。过程数据VLAN的IP地址设定为10.0.0.0/18，视频数据VLAN的IP地址设定为10.0.64.0/18，子系统内部通信VLAN的IP地址设定为10.0.128.0/18，车地无线VLAN的IP地址设定为10.0.192.0/18。过程数据VLAN所连设备默认网关为10.0.0.1，车地无线VLAN所属设备默认网关为10.0.192.13和10.0.192.14。其余VLAN默 认 网 关 为 空。CS1-CS4中VLAN1的IP配置为10.0.0.11-14，VLAN2及VLAN3的IP配 置 为空，VLAN4的 在CS2及CS3中 的IP配 置 为10.0.192.13和10.0.192.14。限于篇幅，详细配置不再赘述。所有设备按照上述规则进行IP配置，过程数据VLAN按照标准TRDP协议通信，通信周期50 ms；
视频数据VLAN传输全车14路摄像头及语音信息；
车载数据通过车地无线VLAN向地面实时传输车载数据；
火警系统按照特定的传输协议在内部通信VLAN中进行内部数据通信。随机对一段时间内干网带宽进行监测，如图5所示，同时在过程数据VLAN中任意挑选一个组播通信进行通信质量监控，如图6所示，实测结果表明，在进行大负载传输情况下，过程控制数据通信实时稳定，各子网间无干涉，整车网络性能总体良好，一体化显示屏监控信息如图7所示。
图5 总线带宽监测信息
图6 过程数据监测信息
图7 一体化HMI监控信息
以基于以太网技术的列车通信网络为研究对象，利用工业以太网在现有轨道交通车辆上的应用成果，在综合考虑优化列车网络结构、精简车载通信设备及整车布线等多方面因素的基础上，为现有轨道交通车辆提出的适应多业务融合的列车网络拓扑设计方法，能够有效减少车载通信及终端显示设备数量，提高车载设备利用率，实测结果表明，该拓扑具有较强的网络兼容性以及良好的通信性能，能够显著提升网络系统的综合应用效率。可以预见，文中所提基于以太网的适应多业务融合的网络拓扑设计方法在未来的城市轨道交通市场将会拥有较好的应用前景。
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