列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的研究與開發(fā)

劉旗揚

（廣西大學(xué)科技處，廣西南寧530004）

綠色裝備技術(shù)

列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的研究與開發(fā)

劉旗揚

（廣西大學(xué)科技處，廣西南寧530004）

針對軌道交通車輛具有強電磁干擾、強震動、溫差大等惡劣的運行環(huán)境，設(shè)計了列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，具有通信速率高、容量大、延時低、全雙工通信、支持QoS和VPN、可靠性高等優(yōu)點，為以太網(wǎng)通信技術(shù)在軌道交通列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了參考。

列車；信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；以太網(wǎng)；交換設(shè)備

軌道交通列車的發(fā)展核心是互聯(lián)和智能化，通過車載和車地智能設(shè)備的相互連接，實現(xiàn)車載智能子系統(tǒng)、智能車廂、再到智能列車，從而把車載設(shè)備和子系統(tǒng)、乘務(wù)員、乘客、設(shè)備和整車供應(yīng)商、機務(wù)段、鐵路局、中國鐵路總公司信息中心緊密地連接在一起?，F(xiàn)有軌道交通列車車載機械、電氣和輔助設(shè)備眾多，車內(nèi)安裝有大量的分布式傳感器和智能節(jié)點，節(jié)點之間的耦合關(guān)系也越來越復(fù)雜，以及各種安全檢測和信息服務(wù)系統(tǒng)對列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能要求的提高，這些都需要列車通信網(wǎng)絡(luò)具有高的帶寬、較高的實時性和可靠性、較好的可維護性和擴展性、良好的互操作性等，并且需要具有分布式任務(wù)處理和數(shù)據(jù)融合功能[1，2]。因此研發(fā)適應(yīng)大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧熊囆畔⒎?wù)網(wǎng)絡(luò)成為其發(fā)展方向。

列車車載環(huán)境惡劣，車輛之間經(jīng)常需要解編和重聯(lián)，常用的民用以太網(wǎng)，在可靠性、實時性和穩(wěn)定性等方面與列車通信網(wǎng)絡(luò)需求并不相適應(yīng)；同時機車車輛環(huán)境的復(fù)雜性，也要求在現(xiàn)有以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進一步改進。加拿大龐巴迪于2011年在德國和荷蘭的區(qū)域型列車上配備了列車以太網(wǎng)設(shè)備，列車上同時存在車載環(huán)型以太網(wǎng)和TCN系統(tǒng)，這是國際上第一次列車以太網(wǎng)的商業(yè)化應(yīng)用。日本日立公司提出了基于以太網(wǎng)的B-System的構(gòu)架，B-System網(wǎng)絡(luò)可以傳輸控制信息、診斷信息、視頻監(jiān)控、旅客信息，并實現(xiàn)車地?zé)o縫連接，實現(xiàn)列車與列車控制、維修基地大量數(shù)據(jù)交換。德國西門子正在研究把工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET作為列車通信網(wǎng)。法國阿爾斯通正在研究列車級和編組級以太網(wǎng)，并已開始與法國鐵路運營商SNCF合作在全部TGV高速鐵路列車內(nèi)測試車載以太網(wǎng)性能[3-5]。

交換設(shè)備是列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，普通交換機難以在現(xiàn)代化列車強電磁干擾、強震動、溫差大等惡劣的運行環(huán)境下正常工作。針對以上現(xiàn)狀，本文開發(fā)了一種列車車載信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。

1 列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的設(shè)計要求

針對列車惡劣的運行環(huán)境，以及列車安全運行對網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量、安全性、可靠性的苛刻要求，車載列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備有以下幾方面的要求。

1.1 電磁干擾

列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備通常和車載控制監(jiān)測設(shè)備一起固定安裝在機箱內(nèi)部，處在極為復(fù)雜而惡劣的電磁環(huán)境中。當(dāng)遭受電磁干擾時，交換設(shè)備可能會發(fā)生通信數(shù)據(jù)延時增加、丟包率提高、網(wǎng)絡(luò)堵塞，嚴(yán)重時發(fā)生自動重啟、死機等現(xiàn)象，將會嚴(yán)重影響列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性。所以在電磁干擾方面要求，既防止外界信號對交換設(shè)備造成干擾，又要避免交換設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射影響周圍設(shè)備的正常工作。

1.2 冗余電源設(shè)計

為了增加交換設(shè)備的可靠性，交換設(shè)備需采用冗余外置直流電源供電，可以在較寬范圍的電壓下正常工作。當(dāng)其中一個電源出現(xiàn)故障時，備用電源會立即投入工作，同時主板的蜂鳴器會發(fā)出報警提醒。在更換新的電源后，兩個電源繼續(xù)協(xié)同工作。

1.3 加固網(wǎng)絡(luò)接口

交換設(shè)備之間、交換設(shè)備與接入設(shè)備之間的連接采用IEC 62076-2-101標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的D型連接器，如Phoenix公司的D型編碼4針M12接口，與傳統(tǒng)的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口相比，M12接口具有IP67防護等級以及機械卡鎖結(jié)構(gòu)，可以在列車長期震動的環(huán)境下保證接口的穩(wěn)固連接。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

交換設(shè)備與列車監(jiān)控設(shè)備的布置主要有兩種形式：（1）與列車控制監(jiān)測設(shè)備一起安裝在同一個機箱內(nèi)部，如采用DIN（德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）導(dǎo)軌安裝；（2）獨立使用，通過螺絲固定在面板上。兩種使用方式的外觀界面如圖1、圖2所示。

圖1 插入機箱內(nèi)部的外觀簡圖

圖2 獨立使用的外觀簡圖

2 硬件設(shè)計

列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備采用MICREL公司的KSZ8999I工業(yè)級以太網(wǎng)交換芯片作為核心芯片，協(xié)調(diào)控制與其連接的各個模塊的工作。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 交換設(shè)備硬件系統(tǒng)框圖

KSZ8999I是一款高性能的二層可管理QoS交換芯片，包括三個不同的QoS優(yōu)先級方案、雙MII接口、軟件與硬件省電模式、MDC/MDIO自動翻轉(zhuǎn)等功能，完全滿足列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的需求。KSZ8999I包含9個采用混合信號低功率技術(shù)的10/100收發(fā)器、8個MAC介質(zhì)訪問控制單元、1個高速無阻塞交換結(jié)構(gòu)、1個專用地址查詢引擎和1個片上緩沖存儲器。PHY單元均支持10Base-T和100BaseTX.

電源模塊選擇通用的直流110V供電，隔離電源模塊采用星原豐泰DC110V輸入DC-DC轉(zhuǎn)換模塊TL10/110S12，輸入電壓范圍為72-144VDC；由MICREL公司的低壓差線性電源芯片MIC39100-3.3BS和MIC39150-1.8BT，以及整流二極管1N4004和相關(guān)外圍電路，分別為整個交換設(shè)備提供+3.3 V、+1.8 V、+2.5 V電源，其中兩片MIC39100組成雙冗余電路。

網(wǎng)絡(luò)變壓器分別采用Pulse H1164和Pulse H1102連接交換設(shè)備Port1～Port8和Port9以太網(wǎng)接口。網(wǎng)絡(luò)變壓器有兩個功能：可以增加信號強度，增加傳輸距離。由于芯片與外部被網(wǎng)絡(luò)變壓器隔開，抗干擾能力大大提升，對芯片起到了很好的保護作用。

EEPROM是一個2 K位串行CMOS，內(nèi)部含一個16字節(jié)頁寫緩沖器，具有寫保護功能。EEPROM用于存儲交換機的配置信息，如虛擬局域網(wǎng)、端口速率限制、端口的優(yōu)先級選項等等[2]。在交換設(shè)備上電或復(fù)位時檢測到EEPROM后，從中讀取配置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對交換設(shè)備的管理和配置。

列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的機構(gòu)結(jié)構(gòu)采用如圖2所示的獨立外觀；對外網(wǎng)絡(luò)接口采用Phoenix公司的D型編碼M12接口。

3 軟件設(shè)計

列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備軟件設(shè)計主要是對核心交換芯片KSZ8999I內(nèi)部的寄存器進行配置，實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)劃分、端口速率限制、QoS等功能。根據(jù)設(shè)計要求，本方案交換機的軟件設(shè)計主要分以下兩部分。

3.1 IIC總線配置程序

交換芯片KSZ8999I通過讀取EEPROM，可以執(zhí)行更高級的功能，例如廣播風(fēng)暴抑制和速率控制等功能。上電或者復(fù)位后，交換芯片從EEPROM中讀取所有寄存器配置信息，配置訪問時間小于15 ms.通過調(diào)用IIC總線配置程序?qū)⑴渲眯畔懭隕EPROM，或者讀取EEPROM的配置信息來了解交換設(shè)備的工作狀態(tài)。

3.2 SPI總線配置程序

SPI（Serial Peripheral Interface-串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使交換芯片與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信來交換信息。可以使用該串行總線連接交換設(shè)備和外部控制計算機，通過交換設(shè)備的SPI總線配置程序訪問交換設(shè)備，來配置其參數(shù)。此外可以通過該總線來讀寫EEPROM中的信息。

4 不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下的性能仿真

借助OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，以通用動車組（編組方式是4節(jié)動車配4節(jié)拖車）構(gòu)建列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型，研究交換設(shè)備在總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)的延遲、鏈路負載、鏈路吞吐量的對比情況。

4.1 基于OPNET的列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建模

一般動車的編組方式是4節(jié)動車配4節(jié)拖車，每節(jié)車廂設(shè)置一臺交換設(shè)備。列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型由8臺交換設(shè)備組成。如圖4所示，總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是將相鄰車廂的交換設(shè)備首尾相連；如圖5所示，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是將間隔車廂上的交換設(shè)備相連組成一個封閉環(huán)網(wǎng)。

圖4 總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖5 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

4.2 不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)性能比較

對應(yīng)于總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置bus和ring兩個網(wǎng)絡(luò)場景。這兩個網(wǎng)絡(luò)場景的帶寬均為100 Mbps.添加一個Ftp應(yīng)用業(yè)務(wù)模擬隨機性信息的傳輸，再添加一個Video Conferencing應(yīng)用業(yè)務(wù)模擬車載監(jiān)測信息傳輸[6]。這兩種不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下以太網(wǎng)延時、鏈路負載和鏈路吞吐量仿真結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 以太網(wǎng)延遲對比

圖7 鏈路負載對比

圖8 鏈路吞吐量對比

4.3 仿真結(jié)果分析

從圖6中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，總線型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)延遲高于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，圖7中顯示兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的鏈路負載基本相同，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)略高于總線型網(wǎng)絡(luò)，而從圖8中可以看出環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的鏈路吞吐量要高于總線型網(wǎng)絡(luò)。各項指標(biāo)都表示環(huán)型網(wǎng)絡(luò)要優(yōu)于總線型網(wǎng)絡(luò)，這是由于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的每一臺交換設(shè)備都有兩條路徑選擇，這樣的冗余設(shè)計提高了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和可靠性。

5 結(jié)束語

針對列車特殊的工作環(huán)境（強電磁干擾、強震動、溫差大等），設(shè)計了列車信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，該設(shè)備支持IEEE 802.3u快速以太網(wǎng)協(xié)議，適用于軌道交通列車通信系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、大容量狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)等智能列車信息服務(wù)系統(tǒng)。

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Research and Development of Train Information Service Network Switch

LIU Qi-yang
（Department of Science and Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China）

As rail transit vehicles with strong electromagnetic interference，strong vibration，temperature difference，such as bad operation environment，the train information service network switch is designed，which has the characteristics of high communication rate，large capacity，low latency，full-duplex communication，supportingthe QoS and VPNprotocol，and high reliability.It provides reference for the Ethernet technology using as train communication network.

train；information service network；ethernet；switch

TP391；U266

：A

：1672-545X（2017）01-0143-04

2016-10-03

廣西科技攻關(guān)項目（桂科攻1598009-6）；南寧市科技攻關(guān)項目（20151021）

劉旗揚（1974-），女，廣西寧鄉(xiāng)人，碩士，助理研究員，研究方向：軌道交通信息化與智能化。