基于工業(yè)以太網(wǎng)的動車組列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

王沛東，孔 元

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是動車組的核心組成部分，如同動車組的大腦和神經(jīng)，負(fù)責(zé)對動車組牽引、制動、輔助供電、車門、空調(diào)等系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和診斷。傳統(tǒng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括 TCN、Arcnet、World FIP、Lon-Works、CAN等，可以基本上滿足列車上各種設(shè)備的監(jiān)控需要，但這些總線的傳輸速率較低，當(dāng)傳輸內(nèi)容增多時，帶寬將成為瓶頸［1］；而且組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一。隨著列車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷擴展，例如視頻監(jiān)控和車廂級多媒體等業(yè)務(wù)的應(yīng)用，以及診斷數(shù)據(jù)的不斷增多，使得列車網(wǎng)絡(luò)上需要傳輸?shù)男畔⒃絹碓蕉?，傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能支持如此大容量的數(shù)據(jù)傳輸要求。

工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的通信速率，而且組網(wǎng)靈活方便。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，阻礙其用于工業(yè)控制現(xiàn)場的固有缺陷如通信實時性、總線供電等都已得到了很大程度的改善。以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場已成為控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，也是列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)未來的發(fā)展方向。因此本文針對基于工業(yè)以太網(wǎng)的動車組列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了研究。

1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)介紹

以太網(wǎng)是當(dāng)今局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纖或者雙絞線上傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是商用以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域延伸的產(chǎn)物［2］，其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和抗干擾性方面更能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

以太網(wǎng)是標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，任何廠商都可以參與。不同廠家的產(chǎn)品很容易互聯(lián)互通。以太網(wǎng)控制器生產(chǎn)廠家眾多，價格便宜，使用廣泛，有豐富的軟硬件資源可供開發(fā)人員和用戶利用和參考。以太網(wǎng)接口開放，容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成。

目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，現(xiàn)場總線存在多種標(biāo)準(zhǔn)，不同網(wǎng)絡(luò)之間通信困難，難以互相兼容。而以以太網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)卻以其協(xié)議開放、兼容性、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了廣泛的技術(shù)支持，得到了迅速發(fā)展，逐漸成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流技術(shù)。國際上各種現(xiàn)場總線組織紛紛加入到以太網(wǎng)的研究行列中來，將以太網(wǎng)技術(shù)補充到原有的現(xiàn)場控制體系中，推出了結(jié)合以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線高速部分，例如現(xiàn)場總線基金會的HSE（High Speed Ethernet）；PI（Profibus International）的ProfiNet；CI（ControlNet International）的Ether Net／IP；P-NET用戶組織的P-NET-on-Ethernet等。以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域已得到規(guī)模型應(yīng)用。

與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)因其所具有的價格低廉，通信速率高，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，不僅壟斷了辦公自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域的信息管理層和控制層等中上層網(wǎng)絡(luò)通信中也得到了廣泛應(yīng)用。并有直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層通信的趨勢。隨著基于網(wǎng)絡(luò)的遠程診斷與維護、旅客信息與舒適度支持等新的用戶需求的提出，以太網(wǎng)不僅可以成為列車網(wǎng)絡(luò)中的高層信息網(wǎng)絡(luò)，也極有可能上下貫通直接與下層車載控制設(shè)備相連，從而形成車輛控制與信息服務(wù)相結(jié)合的新型列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的有機融合。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的動車組列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，以太網(wǎng)用于列車網(wǎng)絡(luò)主要具有以下優(yōu)勢：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。以太網(wǎng)傳輸速率已經(jīng)從10 Mb／s提高到現(xiàn)在的 100Mb／s、l 000Mb／s甚至 10 Gb／s，完全能夠滿足列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大容量高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

（2）組網(wǎng)方便靈活。以太網(wǎng)支持多種物理傳輸介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活，管理簡單。

（3）應(yīng)用廣泛。便于和其他設(shè)備進行接口，很容易在列車網(wǎng)絡(luò)中擴展其他具有以太網(wǎng)接口的設(shè)備。

（4）價格低廉，有利于降低列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成本。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以太網(wǎng)控制器生產(chǎn)廠家眾多，價格便宜。相對于目前ARCNET等列車網(wǎng)絡(luò)，硬件價格相對低廉得多。

（5）集成度高，占用空間小。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，集成度日益提高，有利于列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中智能控制單元體積的減小和結(jié)構(gòu)的精簡。

（6）容易與信息系統(tǒng)集成。采用以太網(wǎng)，能夠非常方便地接入信息系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的共享，方便地面工作站通過以太網(wǎng)下載數(shù)據(jù)，獲取列車運行過程中的實時信息。

基于工業(yè)以太網(wǎng)的迅速發(fā)展和諸多優(yōu)勢，國際電工委員會IEC也開始著手推出支持以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動以太網(wǎng)技術(shù)在列車網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用，其中包括用于車輛總線——以太網(wǎng)的IEC 61375-3-4，和用于列車總線——以太網(wǎng)的IEC 61375-2-5。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)的不足及相應(yīng)解決方法

以太網(wǎng)具有比傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)高得多的傳輸速率，但并不是真正的實時網(wǎng)絡(luò)。這是因為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議是以 CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection，載波多路訪問／沖突檢測）技術(shù)為基礎(chǔ)，如果兩個節(jié)點同時試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生沖突。在這種情況下，訪問機制首先確保節(jié)點停止傳輸數(shù)據(jù)，而后根據(jù)預(yù)定義的隨機選擇算法，節(jié)點再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程一直重復(fù)直至沖突消失。上述機制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送，可是不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和確定性［3］。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的前提下更好地應(yīng)用到列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，需要采用合適的策略加以解決。

針對以太網(wǎng)實時性和確定性的問題，主要有以下幾種解決方案：

（1）提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率：實際應(yīng)用經(jīng)驗表明，對于共享式以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在30%以下時，高速以太網(wǎng)發(fā)生沖突碰撞的可能性極小，負(fù)載在10%以下時，以太網(wǎng)碰撞概率幾乎為零［4］。數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的減輕，從而可以在一定程度上減小沖突發(fā)生的概率，提高網(wǎng)絡(luò)的實時性和確定性。

（2）采用交換式以太網(wǎng)：采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)，隔離各端口之間的信息流，使原來的共享式帶寬變?yōu)楠氄际綆挘瑥亩构I(yè)以太網(wǎng)的實時性和確定性得到很大提高。

（3）修改媒體訪問控制協(xié)議：位于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的CSMA／CD協(xié)議是導(dǎo)致以太網(wǎng)通信不確定性的根本原因，因此修改以太網(wǎng)MAC層協(xié)議是改變以太網(wǎng)不確定性最直接的方法。典型代表有RT-CSMA／CD協(xié)議、CSMA／DCR協(xié)議等。

（4）增加實時通信控制層：在保留標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的基礎(chǔ)上，在MAC層上增加一個用于實施確定性調(diào)度的控制層。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)在動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

工業(yè)以太網(wǎng)在動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下兩種方案：

（1）工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。保持現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主要功能不變，對于數(shù)據(jù)量較大、傳輸速率要求較高的任務(wù)，采用工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備。以太網(wǎng)與列車總線通過通信網(wǎng)關(guān)進行接口。目前已經(jīng)有相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)用于以太網(wǎng)和傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)之間的通信。例如意大利Far Systems公司推出的WTB-Ethernet轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)RACSNET-WCN，可以將以太網(wǎng)連接到TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)的WTB總線上。其典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的典型結(jié)構(gòu)

（2）以工業(yè)以太網(wǎng)為主構(gòu)成列車網(wǎng)絡(luò)。整個列車網(wǎng)絡(luò)全部采用工業(yè)以太網(wǎng)，以全雙工交換式以太網(wǎng)作為整列車信息傳輸?shù)耐ǖ?，以解決以太網(wǎng)實時性的問題。國際電工委員會IEC著手推出的車輛總線——以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375-3-4和列車總線——以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375-2-5，即是為了推動以太網(wǎng)技術(shù)在列車網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以在每個車廂內(nèi)設(shè)置一個交換機（見圖2），將整個以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)劃分為多個沖突域，以便使各個以太網(wǎng)節(jié)點獲得更高的帶寬。下面的仿真分析部分針對此種方案進行了建模仿真。

圖2 以工業(yè)以太網(wǎng)為主的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 仿真分析

采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET Modeler對以太網(wǎng)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進行了仿真驗證。OPNET Modeler是一個網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能夠準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察、或者輸出到第三方的軟件包去。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有三個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在電信、軍事、航天航空、系統(tǒng)集成、咨詢服務(wù)、大學(xué)、行政機關(guān)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

圖3 基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)模型圖

針對8輛編組的動車組進行基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)仿真，每節(jié)車廂長度設(shè)為25m。其中每節(jié)車廂各設(shè)置一個16口的以太網(wǎng)交換機，以便將整個列車網(wǎng)絡(luò)劃分為8個沖突域。每個車廂內(nèi)有8個以太網(wǎng)終端節(jié)點連接到交換機，設(shè)置數(shù)據(jù)庫訪問應(yīng)用對業(yè)務(wù)流量進行模擬，在第3節(jié)車廂放置一個服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進行觀察和分析。各節(jié)點與交換機、交換機與交換機之間的鏈路采用100BaseT全雙工鏈路，整個網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖4 基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

圖5 基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)延時

基于此模型，將仿真持續(xù)時間設(shè)為0.5h，進行仿真。圖4為整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載圖?？梢钥闯霎?dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在2.5Mb／s左右，相對于100Mb／s的帶寬，負(fù)載遠低于10%，能夠保證網(wǎng)絡(luò)的實時性和確定性。

圖5為仿真得出的網(wǎng)絡(luò)延時，可以看出收斂后的延時平均值在1ms左右，具有較低的時延，傳輸性能良好，能夠滿足列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的要求。

4 結(jié)束語

對工業(yè)以太網(wǎng)在動車組列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進行了研究，對工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢進行了分析，并分析了工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)的不足及相應(yīng)的解決方案。提出了工業(yè)以太網(wǎng)在動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET進行了建模和仿真分析，驗證了工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)的可行性。

隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，將吸引越來越多的生產(chǎn)廠商致力于開發(fā)符合鐵路應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的高可靠性、高擴展性及高智能以太網(wǎng)系列產(chǎn)品和控制器，從而推動工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在列車網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用。

［1］陳明可.以太網(wǎng)在城軌車輛上的應(yīng)用前景［J］.鐵道機車車輛，2010，30（04）：62-64.

［2］黃 軼，胡鵬飛.工業(yè)以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用設(shè)計［J］.鐵道運營技術(shù)，2011，17（1）：40-45.

［3］康葆榮.工業(yè)以太網(wǎng)實時性問題及解決方案［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2006，19（7）：38-40.

［4］Erik V，Stefan R，Ulrich R.Measurements in switched Ethernet networks used for automation systems［A］.WPCS-2000［C］.Portugal：2000IEEE：231-238.