以太列車骨干網(wǎng)在復(fù)興號動車組中的應(yīng)用

羅昭強 尚大為 韓東寧 劉利國

(中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組調(diào)試車間，130062，長春//第一作者，高級技師)

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)(ethernet train backbone, 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。

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、實時性強、互操作性好等優(yōu)點，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。以太列車骨干網(wǎng)構(gòu)架見圖1。

圖1 以太列車骨干網(wǎng)構(gòu)架

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)IEC 61375-2-5 《Electronic railway equipment--Train communication network (TCN)--Part 2-5: Ethernet train backbone》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IEEE 802.3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行。

在列車上,ETB使用物理線路將有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如ETBN(以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點)、中繼器等連接在一起，并使用無源部件作為以太網(wǎng)的線纜和連接器。列車上的ETB被分為3個區(qū)域，分別為車輛內(nèi)部有源(TBN)/無源部件、連接同一編組車輛的無源部件、連接編組間無源部件(手動/自動車鉤)。ETB規(guī)定車輛內(nèi)部連接、同一編組車輛間連接、編組間連接都需要使用CAT5e線纜和M12D Coded連接器作為有源設(shè)備的連接器，采用全雙工模式，物理層之間的連接方式采用交叉的連接方式，使用以太網(wǎng)供電。

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)(見圖2)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(見圖3)。

圖2 動車組控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 動車組以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

每輛車上裝有以太網(wǎng)交換機(見圖4)，通過車輛之間的貫通線纜把車輛連成一個整體，實現(xiàn)子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口與車輛以太網(wǎng)的連接，進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。利用筆記本電腦，通過RJ45/M12線纜，可以連接車輛上任意一臺以太網(wǎng)主機，實時對車上帶有MVB總線的設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下載、傳輸、監(jiān)控及上傳，對車輛子系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控和查詢。

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SoftPerfect Network Scanner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。

圖4 動車組車輛以太網(wǎng)交換機結(jié)構(gòu)

2.2 動車組初運行

動車組初運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)都需要執(zhí)行TTDP。動車組初運行時需要為每一個組成網(wǎng)址節(jié)點(子網(wǎng)號)及每一個以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點配置一個標(biāo)識號。子網(wǎng)號和列車骨干網(wǎng)節(jié)點號用于建立列車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?/p>

(1)物理拓?fù)洌河糜谏梢蕴熊嚬歉删W(wǎng)節(jié)點的順序和導(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)點號”。

動車組初運行進(jìn)程遵循以下規(guī)則：

(1) 具有最低編組UUID(universally unique identifier)的編組內(nèi)，以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點(ETBN)的末端節(jié)點，被稱為ETBN的頂節(jié)點。

(2) 如果列車只有唯一編組，ETBN的頂節(jié)點是靜態(tài)確定的，頂節(jié)點地址“ETBN ID”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。

(4) ETB的參考方向總是指向ETBN頂節(jié)點。

動車組初運行過程應(yīng)當(dāng)在所有ETBN上運行(見圖5)，其過程如下：

(1)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)視ETB成員的運行狀態(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，因此,ETBN交換機轉(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端點的端口被設(shè)為阻塞狀態(tài)(discarding state)，只有HELLO報文(IEEE 802.3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)。

圖5 ETBN上的動車組初運行示意圖

2.3 ETBNs成員發(fā)現(xiàn)

(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TTDP TOPOLOGY幀。在ETB的兩個方向上，鏈路聚合組被用于發(fā)送TTDP TOPOLOGY幀。當(dāng)接收到TTDP TOPOLOGY幀，ETBN應(yīng)該在交換機轉(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)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TTDP HELLO幀)，而TTDP TOPOLOGY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TTDP HELLO幀。當(dāng)列車應(yīng)用程序允許一個新的ETB初運行，新的成員將被添加到ETB拓?fù)洹＿@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)。

(3)交換機端口狀態(tài)處理：根據(jù)列車初運行狀態(tài)和成員探測，處理ETBN交換機端口狀態(tài)。尤其是描述一個末端節(jié)點如何從丟棄狀態(tài)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)(見圖6)。

(4)ETB分享：ETB線路狀態(tài)由TTDP TOPOLOGY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TTDP HELLO幀計算出它的線路狀態(tài)。圖7顯示出ETBN線路的成員發(fā)現(xiàn)過程，它僅適用于使用線路進(jìn)行靜態(tài)配置狀況。

圖6 交換機端口狀態(tài)處理

圖7 ETBNs成員發(fā)現(xiàn)過程

3 以太列車骨干網(wǎng)應(yīng)用

以太列車骨干網(wǎng)可以將構(gòu)成列車編組中的骨干節(jié)點互相連接起來，每一個編組可有0、1或多個列車骨干節(jié)點，其組成網(wǎng)可以通過一個或多個骨干網(wǎng)節(jié)點連入列車骨干中。列車骨干網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)有以下兩種：

(1)激活的(Active)：這種狀態(tài)下，列車骨干網(wǎng)節(jié)點可以在組成網(wǎng)和列車骨干網(wǎng)之間傳遞數(shù)據(jù)包。

(2)未激活的(Passive)：這種狀態(tài)下，列車骨干網(wǎng)節(jié)點不會在組成網(wǎng)和列車骨干網(wǎng)之間傳遞數(shù)據(jù)包。

組成網(wǎng)和列車骨干網(wǎng)間的連接應(yīng)該是冗余的，有以下兩種冗余架構(gòu)(見圖8)：

(1)組成網(wǎng)冗余：復(fù)制一個完整的組成網(wǎng)作為冗余，該冗余組成網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)節(jié)點是未激活的。

(2)列車骨干網(wǎng)節(jié)點冗余：組成網(wǎng)和列車骨干網(wǎng)至少要通過2個列車骨干網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行連接，可以將終端設(shè)備通過列車骨干節(jié)點直接連接到列車骨干網(wǎng)上，也可以將終端設(shè)備放到組成網(wǎng)中，之后再連接到骨干網(wǎng)。

圖8 組成網(wǎng)與列車骨干網(wǎng)連接的冗余結(jié)構(gòu)

組成網(wǎng)和列車骨干網(wǎng)的應(yīng)用可以通過一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合來實現(xiàn)。對于列車骨干網(wǎng)可采用以下技術(shù)：

(1) 列車可以使用WTB或者ETB其中的一個。

(2) 列車可以同時使用WTB和ETB，如WTB用于可操作數(shù)據(jù)，ETB用于多媒體數(shù)據(jù)。

(3) 列車可以使用多個ETB，如一個ETB用于可操作數(shù)據(jù)，另一個ETB用于多媒體數(shù)據(jù)。

(4) 列車在固定的配置(列車組之間無可操作的重聯(lián)或解編)情況下，可以忽略列車骨干網(wǎng),如果列車骨干網(wǎng)使用不同的技術(shù)(WTB或ETB)，則需要使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。

對于組成網(wǎng)，可以采用以下技術(shù)：

(1) 在一個編組中，可以使用MVB、CAN或ECN(ethernet consist network)等技術(shù)。

(2) 如果明確支持上述技術(shù)，組成網(wǎng)中MVB、CAN及ECN技術(shù)可以聯(lián)合使用。在這種情況下，組成網(wǎng)技術(shù)間的數(shù)據(jù)交換以及組成網(wǎng)和列車骨干網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換需要特別明確。

(3) 簡單編組不需要組成網(wǎng)，終端設(shè)備可以直接連接到列車骨干節(jié)點上，或者骨干網(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)終端設(shè)備的功能。

為了提供冗余，數(shù)據(jù)傳輸媒介應(yīng)該是雙重的。為了支持動車組初運行，節(jié)點應(yīng)該能夠打斷總線，去接收選擇的數(shù)據(jù)傳輸方向。為了防止無效或不運行的節(jié)點無意識地打斷總線，需要提供一個作用機制。

4 結(jié)語

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、實時地監(jiān)控列車狀態(tài)。