列車重聯實時以太網標準

唐柳

（中車株洲電力機車研究所有限公司 湖南省株洲市 412001）

1 列車通信網絡發(fā)展概述

列車通信網絡（Train Communication Networks, TCN）被譽為列車的“神經系統(tǒng)”，主要包括列車控制、車載設備之間的數據傳輸以及故障診斷等功能。我國軌道交通列車的通信網絡主要采用多功能車輛總線（Multi-function Vehicle Bus, MVB）和絞式列車總線（Wire Train Bus, WTB）作為通信技術[1,2]。雖然這兩種總線有著較好的實時性和可靠性，但是受其通信帶寬的約束，已經不能承載更多的列車相關業(yè)務數據傳輸。隨著軌道交通列車智能化的發(fā)展，加入網絡的設備不斷增加，傳輸的數據越來越多。旅客信息服務、視頻監(jiān)控/CCTV、視頻廣播、障礙物識別等業(yè)務需要在列車中鋪設更多的通信網絡進行數據傳輸[3]。為了解決上述問題，需要研究新的具備確定性、實時性和大帶寬的列車通信網絡技術。工業(yè)實時以太網雖然能滿足大帶寬、實時性等基本要求，但是無法解決不同國家、不同廠家列車重聯運營時的網絡自動重聯、智能尋址以及互聯互通問題[4]。

中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱中車株洲所）等公司從2008開始研究軌道交通列車實時以太網技術[6,7,8]，通過對網絡體系架構、智能組網與重構等關鍵技術的研究，研制出了完全具有自主知識產權的可規(guī)?；瘧玫漠a品平臺系列。在產品研制過程中，中車株洲所還全程參與國際電工委員會IEC 61375標準的制定，并根據我國軌道交通實際的發(fā)展情況，聯合中國鐵道科學研究院集團有限公司、中車青島四方機車車輛股份有限公司、中車株洲電力機車有限公司等公司制定了GB/T 28029國家標準。標準涵蓋了基于實時以太網的列車通信網絡架構、骨干網絡、編組網絡、通信協議等完整的標準體系。

本論文對基于實時以太網的列車通信網絡體系架構進行介紹，并對該架構中最難的列車重聯初運行部分進行了重點分析，為我國軌道交通企業(yè)開發(fā)以及應用基于實時以太網技術的控制系統(tǒng)提供參考。

2 列車通信網絡架構

IEC 61375是全球應用最廣泛的列車通信網絡標準[9]。標準定義了列車通信網絡的架構，如圖1所示。其中，編組單元是指一個或者多個車輛形成一個固定組成，在中國國家鐵路集團有限公司或者地鐵公司運營過程中，編組單元不能被拆解成更小的單元獨立運行。列車通信網絡由骨干網、編組網兩個層次的網絡組成。編組網是編組單元內部的通信網絡，一個編組單元可以有一個或者多個編組網。列車骨干網是編組網絡之間的通信網絡，編組單元之間可以有一個或者多個骨干網絡。

圖1：列車通信網絡架構

圖2：兩個編組單元構建新的重聯列車示意圖

3 列車重聯與網絡初運行

我國軌道交通的運輸流量變化很大，特別在春節(jié)等節(jié)日期間。運營公司在滿足運量需求時，還需要節(jié)約能耗，降低成本。列車重聯是將固定的編組單元通過車鉤連掛在一起，動態(tài)地組成一列新的列車，從而靈活地提高運營公司資源調度能力。在重聯過程中，編組網通過車鉤連接器連接在一起。由于編組網在列車制造出廠時往往采用相同的配置參數，連接在一起之后將由于地址沖突等原因無法通信。因此，列車重聯時，編組網需要根據編組在新列車中的位置，重新計算配置參數，這個過程稱為網絡初運行?；趯崟r以太網的網絡初運行通過各個編組網的骨干網節(jié)點(Ethernet Train Backbone Node，ETBN)進行。

如圖2所示，編組X和編組Y是可以獨立運行的兩個編組單元，需要通過圖中的重聯連接器進行重聯運行。編組X有三個ETBN節(jié)點，分別為節(jié)點A、節(jié)點B和節(jié)點C。編組X和編組Y的前進方向都是DIR1，反向為DIR2。

編組X和編組Y的重聯初運行主要過程包括拓撲發(fā)現以及統(tǒng)一資源標識尋址階段。

3.1 拓撲發(fā)現

圖3：骨干網的TOPOLOGY幀結構

圖4：連接矢量

圖5：ETBN矢量

骨干網節(jié)點C和D通過重聯連接器的以太網線纜連接在一起，以組播方式周期性地發(fā)送列車拓撲發(fā)現協議(Train Topology Discovery Protocol, TTDP)拓撲幀(TOPOLOGY)，將自身以及鄰居ETBN節(jié)點信息通知給所有其他ETBN節(jié)點。TOPOLOGY幀的結構如圖3所示。

TOPOLOGY幀中的ETB類型/長度/值(LTV)中包含了骨干網中所有節(jié)點的相關信息，并構建出連接矢量和ETBN矢量，分別如圖4和圖5所示。

ETBN節(jié)點通過TOPOLOGY幀的編組網(Consist Network, CN)的LTV計算出列車網絡索引，如圖6所示。

根據ETBN拓撲發(fā)現的計算結果，圖2編組X和編組Y的初運行結果如圖7所示。其中，編組X的ETBN節(jié)點A、B、C組成了子網2個編組網，節(jié)點A和B作為熱備冗余節(jié)點連接在子網id為1的同一個子網內；節(jié)點C連接在子網id為2的子網內。假設列車重聯后的運行方向為DIR1(可以由駕駛臺鑰匙等決定)，對比編組X重聯之前的DIR1和DIR2兩個方向，編組方向與重聯列車的運行方向一致。編組Y的ETBN節(jié)點D和E分別構成2個編組網。對比編組Y的DIR1和DIR2兩個方向，編組方向與重聯列車的運行方向相反。

另一方面，初運行根據端節(jié)點A和端節(jié)點D的地址大小關系，確定A節(jié)點為重聯列車的頂節(jié)點，并根據其他節(jié)點與A節(jié)點的連接位置關系依次編號1~5。

3.2 統(tǒng)一資源標識尋址

如圖8所示，兩個獨立編組通過重聯構建了新的列車。ETBN編號為2的編組中有一個主控設備和顯示器，出廠時配置的編組網內地址分別為10.0.1.1和10.0.1.2。ETBN編號為3的編組也有主控設備和顯示器，出廠時配置的IP地址和另一個編組相同。

在拓撲發(fā)現階段，ETBN節(jié)點通過計算，為每個編組子網分配全列車唯一的id，并為編組內各個設備分配列車級的通信地址，譬如編號為2的ETBN節(jié)點為主控設備分配的列車級地址為10.2.1.1。編號為3的ETBN節(jié)點則為編組內的主控設備分配列車級地址為10.3.1.1，顯示器設備分配列車級地址為10.3.1.2。

假設地址為10.3.1.2的顯示器要和地址為10.2.1.1的主控設備進行跨編組通信，即使顯示器得到了主控設備的列車級地址，但是顯示器的應用功能并不知道10.2.1.1這個設備就是需要進行通信的目標設備。為了解決這個問題，需要采用統(tǒng)一資源標識(Universal Resource Identification, URI)進行智能尋址。

圖6：列車網絡索引

圖7：兩個編組列車重聯結果示意圖

圖8：編組網ID和通信地址關系

圖9：URI與IP地址映射

在拓撲發(fā)現結束以后，需要進行跨編組通信的設備從編組內ETBN獲取列車拓撲信息，包括編組id等，然后根據id等信息，構建出自身的URI。資源標識的統(tǒng)一形式如：devLabel.vehLabel.cstLabel。其中，devLabel為設備標簽，vehLabel表示設備所處車輛標簽，這兩個標簽已經固定配置在編組內。cstLabel表示設備所處編組標簽，這與初運行的拓撲計算強相關。如圖9所示，ETBN編號為2的編組的主控模塊(Vehicle Control Module, VCM)設備，其設備標簽可命名為devVCM，假設該設備被安裝在1號車輛內，車輛標簽為veh01。而根據初運行拓撲計算結果，設備所處編組標簽命名為cst02，表示列車網絡方向第二個編組。由此可知，該設備的URI為devVCM.veh01.cst02。

需要跨編組通信的設備在生成URI以后，將URI信息發(fā)送給ETBN，構建跨編組通信智能尋址數據庫。

當列車級地址為10.3.1.2的顯示器需要與列車級地址為10.2.1.1的主控設備進行通信時，顯示器項ETBN #3發(fā)送地址解釋申請，要求獲得devVCM.veh01.cst02這個URI對應的列車級通信地址。ETBN #3在智能尋址數據庫中將devVCM.veh01.cst02對應的列車級通信地址10.2.1.1反饋給顯示器。

顯示器將10.2.1.1作為目標地址進行數據通信，數據在到達ETBN #2以后，將目標地址進行變換，更改為編組內的地址10.0.1.1，從而實現跨編組實時通信。

4 總結

網絡初運行是列車重聯運行的重要環(huán)節(jié)，也是列車通信網絡需要攻克的技術難點。本文著重分析了基于實時以太網的列車重聯網絡初運行標準規(guī)范，包括網絡拓撲建立、設備URI智能尋址規(guī)范?；趯崟r以太網的列車重聯標準將規(guī)范不同廠商ETBN節(jié)點之間的初運行一致性，保證了列車重聯運行的互聯互通和通信的實時性。