基于絞線式列車總線-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信冗余的應(yīng)用

劉巍 潘宇波 邵忠俊

【摘要】? ? WTB總線是目前軌道交通行業(yè)使用較為普遍的現(xiàn)場總線協(xié)議，WTB-ETH網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為機(jī)車互聯(lián)互通的關(guān)鍵設(shè)備，每臺機(jī)車上均需要兩臺互為熱備的WTB-ETH網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該設(shè)備主要是進(jìn)行機(jī)車間控制、操作、實時狀態(tài)信息的傳輸，考慮到機(jī)車互聯(lián)互通的安全性、可靠性，需要將每臺機(jī)車上互為熱備的兩臺WTB-ETH網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計成互為冗余的狀態(tài)，因此本論文設(shè)計了一種設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信冗余的方法，重點闡述了該方法的網(wǎng)絡(luò)通信冗余的機(jī)制。應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計能夠充分的滿足軌道領(lǐng)域的各項功能指標(biāo)的技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】? ? WTB? ? 冗余? ? 熱備? ? 網(wǎng)絡(luò)通信

目前國內(nèi)的軌道交通領(lǐng)域使用的高速鐵路列車現(xiàn)象總線普遍使用WTB、MVB總線，WTB總線為絞線是列車總線每秒最大傳輸速率為1Mbps，可以實現(xiàn)機(jī)車間過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，其最大的特點就是具備列車初運行功能，滿足列車隨機(jī)動態(tài)編組的需求;而MVB總線為多功能車輛總線，每秒最大傳輸速率為1.5Mbps，被用來作為車輛內(nèi)互聯(lián)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信，對于目前的機(jī)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求，WTB、MVB總線能夠滿足當(dāng)前需求;

一、機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)

針對當(dāng)前的國內(nèi)軌道交通市場，由于其特殊性對機(jī)車上使用的設(shè)備有著不同的需求，與國際市場上的機(jī)車存在著區(qū)別，但是對于國內(nèi)的軌道交通領(lǐng)域的機(jī)車使用的用于通信的現(xiàn)場總線均是采用的國際標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)車通信網(wǎng)絡(luò)中普遍使用WTB總線、MVB總線、CAN總線、RS485總線以及以太網(wǎng)等，對于本設(shè)備使用WTB總線以及以太網(wǎng)，WTB總線做為列車級通信總線，其主要實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，其最大特點是具有列車初運行功能（列車初運行功能即當(dāng)列車車輛的組成發(fā)生變化后，可以自動地對各車輛進(jìn)行重新編組，最后形成新的車輛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個過程中的操作均為自動，不需要人為的介入），WTB總線使用周期性的傳輸過程數(shù)據(jù)，其傳輸數(shù)據(jù)的基本周期為25ms的整數(shù)倍，一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長度為128字節(jié)，其中總線上的過程數(shù)據(jù)采用廣播的方式進(jìn)行傳輸，在編組中的每個節(jié)點除了能收到本節(jié)點的過程數(shù)據(jù)還能收到其他節(jié)點的過程數(shù)據(jù)，因此就能更全面的將編組中其它車輛的信息展示在本車顯示屏，而WTB總線傳輸?shù)南?shù)據(jù)就采用的是非周期的傳輸方式，一般為觸發(fā)性傳輸，微機(jī)系統(tǒng)拓?fù)湟妶D2;以太網(wǎng)部分遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1979年建立一個分委員會專門研究一種用于開放系統(tǒng)互聯(lián)的體系結(jié)構(gòu)，一個系統(tǒng)可以和位于全球任何地方的且也遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)進(jìn)行連接。國際標(biāo)準(zhǔn)中的OSI模型從底到上分為七層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層及應(yīng)用層，在TCP/IP模型中則分為四層，分別包括網(wǎng)絡(luò)訪問層、互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層、應(yīng)用層，其中傳輸層和互聯(lián)網(wǎng)層與OSI模型的傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層一一對應(yīng)，具體模型對比見圖1。

在TCP/IP協(xié)議棧中出棧數(shù)據(jù)均進(jìn)行封裝和標(biāo)識，從而傳遞給下一層，當(dāng)接收方接收到封裝的數(shù)據(jù)后檢查標(biāo)識并去掉各層協(xié)議的封裝獲取傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

二、IEC 61375-1-2007協(xié)議

在IEC 61375-1-2007協(xié)議中，介紹了當(dāng)前列車主要使用的絞線式列車總線在列車間的相互連掛與解連的應(yīng)用，其中編組連掛與解連涉及到設(shè)備間的主權(quán)分配與節(jié)點命名（初運行機(jī)制），每一個節(jié)點設(shè)備都是一個獨立的個體，在進(jìn)行連掛的過程中節(jié)點之前通過向兩個方向發(fā)送檢測請求及應(yīng)答幀判斷兩個方向是否有待加入的節(jié)點，通過檢測應(yīng)答幀進(jìn)行節(jié)點確認(rèn)，而后對各個已識別的節(jié)點設(shè)備按照一定的邏輯進(jìn)行編組命名，反之亦然，通過該方式完成編組的連掛與解連，在協(xié)議中具體規(guī)定了通過初運行機(jī)制發(fā)送的各類幀，幀長度，以及幀的定義與頻率，在整個編組中中間設(shè)備出現(xiàn)故障時將不會影響當(dāng)前編組，當(dāng)末端節(jié)點設(shè)備出現(xiàn)故障時將導(dǎo)致再次初運行，從而形成新的編組，該重新編組的過程持續(xù)不到10s，通過協(xié)議中規(guī)定的機(jī)制進(jìn)行節(jié)點設(shè)備冗余機(jī)制的實現(xiàn)。

三、當(dāng)前網(wǎng)關(guān)冗余設(shè)備的實現(xiàn)機(jī)制

對于軌道交通領(lǐng)域的特殊性，設(shè)備的可靠性是該行業(yè)的重中之重，而對于已經(jīng)過該領(lǐng)域要求測試的設(shè)備也不可避免的會出現(xiàn)故障，特別是為了保證重要數(shù)據(jù)的實時傳輸，完成實時數(shù)據(jù)的無縫節(jié)切換，因此設(shè)備冗余能夠更好的完成列車對可靠性的要求，在列車間通信中，WTB-ETH網(wǎng)關(guān)占據(jù)重要角色，他主要擔(dān)負(fù)兩車之間重要數(shù)據(jù)的傳輸，因此其可靠性至關(guān)重要，在此對于可靠性的需求我們將WTB-ETH網(wǎng)關(guān)設(shè)備中實現(xiàn)冗余處理，具體實現(xiàn)方法：每臺列車上安裝兩臺互為冗余的WTB-ETH網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其設(shè)備IP分別設(shè)備為192.168.1.4與192.168.1.5，同一節(jié)車的兩個設(shè)備均連接在車載交換機(jī)上，并且均以廣播的通信方式與TCU進(jìn)行以太網(wǎng)通信，在網(wǎng)關(guān)程序內(nèi)部使用單播通信僅發(fā)送WTB初運行后分配的節(jié)點索引以及設(shè)備心跳到互為冗余的設(shè)備，互為冗余的兩個網(wǎng)關(guān)接收到對方的數(shù)據(jù)后按照定制的主選/備選設(shè)備的協(xié)議將節(jié)點索引小的設(shè)備定義為首選網(wǎng)關(guān)并在發(fā)送給TCU數(shù)據(jù)的UIC報頭中將首選標(biāo)志位置1，反之備選網(wǎng)關(guān)將該位置0，此時TCU雖然接收到兩個網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，但是只是處理首選網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù);同時，互為冗余的兩個網(wǎng)關(guān)設(shè)備時刻通過單播通信監(jiān)控著對方，一旦之前確定的首選網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障或者脫離局域網(wǎng)，備選網(wǎng)關(guān)無法繼續(xù)接收到監(jiān)控數(shù)據(jù)，此時備選網(wǎng)關(guān)將自己發(fā)送的UIC報文中的首選網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位置1，該標(biāo)志位被封裝在WTB數(shù)據(jù)中進(jìn)行傳輸，根據(jù)WTB協(xié)議規(guī)定每個設(shè)備均對應(yīng)一個端口號，無論是設(shè)備是否發(fā)生故障，還是脫離局域網(wǎng)，只要是整個WTB編組中未發(fā)生初運行，則端口號與設(shè)備均形成對應(yīng)關(guān)系，并且均可以從設(shè)備對應(yīng)的端口號中讀取數(shù)據(jù)，此時其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備將從出現(xiàn)故障或者脫離局域網(wǎng)的設(shè)備端口中讀取的數(shù)據(jù)的首選網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位置0，整個過程就完成了首選網(wǎng)關(guān)與備選網(wǎng)關(guān)的切換，該套機(jī)制解決了如下幾種情況：首選網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障、首選網(wǎng)關(guān)脫離局域網(wǎng)、首選網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障后又自動恢復(fù)、首選網(wǎng)關(guān)又重新加入網(wǎng)絡(luò)、首選網(wǎng)關(guān)電源被切除、首選網(wǎng)關(guān)電源恢復(fù)等。詳細(xì)邏輯見圖3。

四、結(jié)束語

本文針對列車車載設(shè)備的通信可靠性要求，保障車載設(shè)備通信的穩(wěn)定性，設(shè)計一款車輛間通信WTB-ETH網(wǎng)關(guān)的冗余的方法，重點闡述了冗余機(jī)制的切換以及冗余設(shè)備之間的監(jiān)控，防止WTB-ETH網(wǎng)關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障后影響到機(jī)車的正常運行，并搭建測試平臺對該邏輯進(jìn)行長時間測試，模擬出現(xiàn)故障的各種可能性，確保該邏輯的穩(wěn)定可靠。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] IEC.IEC61375-1-2007.Part 1：Train Communication Network

[2] TJJW059-2015：交流傳動機(jī)車TCN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通暫行技術(shù)條件

[3]李洋濤.TCN列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（1）：4-7

[4]曾陸洋.基于以太網(wǎng)的列車通訊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2014