以太列車骨干網(wǎng)在復(fù)興號動車組中的應(yīng)用

蘇錚

摘要：隨著我國高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）、絞線式列車總線（WTB）、多功能車輛總線（MVB）、控制器局域網(wǎng)（CAN）等都已無法滿足高速列車日益發(fā)展的需求，為此，迫切需要開發(fā)新型的列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太列車骨干網(wǎng)（ethernettrainbackbone，ETB）技術(shù)的誕生，可以滿足高速列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的需求。

關(guān)鍵詞：以太列車骨干網(wǎng)；復(fù)興號；動車組；應(yīng)用

1以太列車骨干網(wǎng)構(gòu)架

以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)普遍采用的通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)局域內(nèi)所有計算機(jī)被連接在一條同軸電纜上，具有沖突檢測的載波感應(yīng)多處訪問方法，采用競爭機(jī)制和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)由共享傳輸媒體，如雙絞線電纜或同軸電纜和多端口集線器、網(wǎng)橋或交換機(jī)構(gòu)成。采用現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)的TCN等網(wǎng)絡(luò)來組成列車網(wǎng)絡(luò)和車輛網(wǎng)絡(luò)，具有通信速率高、實(shí)時性強(qiáng)、互操作性好等優(yōu)點(diǎn)，徹底解決了TCN等網(wǎng)絡(luò)存在的帶寬窄、速率低、互操作性差等缺點(diǎn)。

以太列車骨干網(wǎng)即列車以太骨干網(wǎng)絡(luò)，是由國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-2-5《Electronicrailwayequipment--Traincommunicationnetwork（TCN）--Part2-5：Ethernettrainbackbone》規(guī)定的一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車級通信網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)同時規(guī)定了列車不同種類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互用性和開放性。ETB技術(shù)基于TCP/IP協(xié)議中ISO-OSI模型的1～4層技術(shù)和IEEE802.3以太網(wǎng)技術(shù)，規(guī)定了列車以太骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，以及網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和冗余定義等。列車通信網(wǎng)絡(luò)最終由一條列車以太骨干網(wǎng)絡(luò)連接起來，其穩(wěn)定性和安全性直接決定了列車是否能夠正常運(yùn)行。

2復(fù)興號動車組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

復(fù)興號動車組為8輛編組，采用4動4拖編組方式，每4輛車為1個牽引單元，具體編組為：Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc。動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的列車總線采用WTB，車輛總線采用MVB，同時布設(shè)以太網(wǎng)，用于列車監(jiān)控、軟件上傳和數(shù)據(jù)的下載解析。

2.1子系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)置正確性檢查

車輛的各個設(shè)備，在整個通信網(wǎng)絡(luò)層面相當(dāng)于各個子系統(tǒng)，都有自己的IP地址和MAC地址。IP地址是車輛設(shè)備唯一的動態(tài)地址，通過SoftPerfectNetworkScanner軟件進(jìn)行掃描測試，可將整列車所有MVB連接設(shè)備的IP地址都掃描出來。例如，IP地址為10.1.1.202，代表此設(shè)備已經(jīng)連入了以太網(wǎng)，可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和傳輸。

2.2動車組初運(yùn)行

動車組初運(yùn)行時基于一個特殊的協(xié)議：列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議（TTDP）。所有的ETBNs（多個以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）都需要執(zhí)行TTDP。動車組初運(yùn)行時需要為每一個組成網(wǎng)址節(jié)點(diǎn)（子網(wǎng)號）及每一個以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置一個標(biāo)識號。子網(wǎng)號和列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)號用于建立列車IP地址映射、列車路由定義、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換規(guī)則及終端設(shè)備命名等。TTDP的主要目標(biāo)是計算出這些標(biāo)識符，而為了計算確定這些標(biāo)識符，TTDP構(gòu)建了兩類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)洹＃?）物理拓?fù)洌河糜谏梢蕴熊嚬歉删W(wǎng)節(jié)點(diǎn)的順序和導(dǎo)向列表；列車物理拓?fù)湓谶B通性列表中被定義。物理拓?fù)淇偸请S著連接到以太列車骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的改變而更新。（2）邏輯拓?fù)洌河糜谏闪熊囎泳W(wǎng)的順序和導(dǎo)向列表；列車邏輯拓?fù)湓诹熊嚲W(wǎng)絡(luò)目錄中被定義。邏輯拓?fù)浒恕白泳W(wǎng)號”和“以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)號”。動車組初運(yùn)行進(jìn)程遵循以下規(guī)則：（1）具有最低編組UUID（universallyuniqueidentifier）的編組內(nèi)，以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（ETBN）的末端節(jié)點(diǎn)，被稱為ETBN的頂節(jié)點(diǎn)。（2）如果列車只有唯一編組，ETBN的頂節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)確定的，頂節(jié)點(diǎn)地址“ETBNID”取值為1。（3）ETBNs在ETB參考方向2時升序定義為2，最后一個被確定的ETBN是ETB的底節(jié)點(diǎn)。（4）ETB的參考方向總是指向ETBN頂節(jié)點(diǎn)。

動車組初運(yùn)行過程應(yīng)當(dāng)在所有ETBN上運(yùn)行，其過程如下：（1）發(fā)現(xiàn)和監(jiān)視ETB成員的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)拓?fù)溥^程一直保持激活狀態(tài)，TOPOLOGY報文從每一個ETBN由多播發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)，因此，ETBN交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)列表要隨每一次傳輸不斷更新。（2）與列車應(yīng)用程序通告并協(xié)商拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如沒有應(yīng)用程序的確認(rèn)，則無法添加任何行為。（3）在應(yīng)用程序確認(rèn)之后，列車的邏輯拓?fù)浔挥脕韰⒖家越⒘熊嘔P映圖和更新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。列車的終端設(shè)備（EDs）將被通告最新被認(rèn)可的拓?fù)?。列車ETB端點(diǎn)的端口被設(shè)為阻塞狀態(tài)（discardingstate），只有HELLO報文（IEEE802.3管理幀）能被發(fā)送（使用管理MAC地址），以發(fā)現(xiàn)預(yù)期的重聯(lián)。拓?fù)涞姆€(wěn)定性基于循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）的計算。當(dāng)所有的CRC（本地的和從其他ETBN接收到的）一致時，所有的ETBN分享相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3ETBNs成員發(fā)現(xiàn)

2.3.1內(nèi)部成員發(fā)現(xiàn)：

每一個ETBN不斷地嘗試探測ETB上其他的ETBNs。為了檢測其余的ETBNs，每一個ETBN周期性地發(fā)送一個數(shù)據(jù)鏈路層多播幀去其余的ETBNs。這個幀被命名為TTDPTOPOLOGY幀。在ETB的兩個方向上，鏈路聚合組被用于發(fā)送TTDPTOPOLOGY幀。當(dāng)接收到TTDPTOPOLOGY幀，ETBN應(yīng)該在交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)列表中尋找?guī)脑碝AC地址，用來探測這個幀是來自于目錄DIR1還是目錄DIR2。當(dāng)ETBN從未接收到幀，則說明在ETB上ETBN是唯一的，在一個超時后將會聲明穩(wěn)定性。在一個超時后，沒有接收到一個特定ETBN的幀，則說明特定的ETBN消失。兩種不同的工具用來建立：①連通性列表“連通性矢量”字段；②“ETBN矢量”字段。

2.3.2外部成員探測：

一旦拓?fù)浔涣熊噾?yīng)用程序認(rèn)可，“InaugInhibition”標(biāo)志位是“True”時，列車末端ETB的以太網(wǎng)端口被設(shè)置為丟棄狀態(tài)；只有管理幀（參考它們的目的MAC地址）被允許通過（如TTDPHELLO幀），而TTDPTOPOLOGY幀被禁止。例如，在列車重聯(lián)/ETB延長時，新的外部ETB成員將由周期性交換的幀檢測。這個消息被命名為TTDPHELLO幀。當(dāng)列車應(yīng)用程序允許一個新的ETB初運(yùn)行，新的成員將被添加到ETB拓?fù)?。這個幀相當(dāng)小，它們會被配置較高的發(fā)送頻率，因此能夠?qū)ζ溆嗟腅TBN出現(xiàn)或消失有較快的響應(yīng)。

2.3.3交換機(jī)端口狀態(tài)處理：

根據(jù)列車初運(yùn)行狀態(tài)和成員探測，處理ETBN交換機(jī)端口狀態(tài)。尤其是描述一個末端節(jié)點(diǎn)如何從丟棄狀態(tài)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

2.3.4ETB分享：

ETB線路狀態(tài)由TTDPTOPOLOGY幀發(fā)出，被所有的ETBN分享。每一個ETBN根據(jù)從它的端口接收到的TTDPHELLO幀計算出它的線路狀態(tài)。

結(jié)論

列車骨干網(wǎng)在復(fù)興號動車組的應(yīng)用，是高速動車組的一個突破，打破了常規(guī)的TCN、WTB、MVB及CAN的構(gòu)架，使得車輛控制更為方便與快捷，并可以準(zhǔn)確、實(shí)時地監(jiān)控列車狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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[2]李元軒，高楓，孔元，趙紅衛(wèi).基于以太網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)性能研究[J].鐵道機(jī)車車輛，2015，35（06）：11-14+18.

（作者單位：北京鐵路集團(tuán)天津動車客車段天津動車所）