以太網(wǎng)絡拓撲在軌道交通車輛中的應用分析*

張福景，張立斌，劉 佳

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司， 遼寧大連116052）

隨著計算機技術和列車控制網(wǎng)絡應用的不斷發(fā)展，目前軌道交通列車上普遍使用的MVB、CAN 等總線技術。由于總線網(wǎng)絡拓撲單一、信息傳播速度低、組網(wǎng)靈活性差、吞吐能力有限等原因，已經(jīng)越來越不能滿足未來列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的需求；而以太網(wǎng)具有設備成本低廉、開放性高、高通信帶寬、技術成熟等優(yōu)點，成為軌道交通列車網(wǎng)絡的發(fā)展方向。2014 年左右，國際電工委員會制定 了IEC 61375-2-3 和IEC 61375-3-4 等 標 準［1-2］，進一步促進了以太網(wǎng)絡在軌道交通列車網(wǎng)絡控制中的應用。目前，加拿大龐巴迪公司開發(fā)的基于以太網(wǎng)的車輛網(wǎng)絡已經(jīng)應用在德國和荷蘭開行的區(qū)域性列車上，用于管理車上所有的設備，并且和原有的TCN 網(wǎng)絡系統(tǒng)共同存在；在國內(nèi)動力集中動車組上采用了整車以太網(wǎng)絡，并實現(xiàn)了通過以太網(wǎng)進行整車的控制。

1 常用以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲

1.1 線性網(wǎng)絡拓撲

線性網(wǎng)絡拓撲實現(xiàn)各交換機之間的線性連接，沒有冗余措施，交換機之間的以太網(wǎng)線纜斷開或者交換機故障均會導致整個網(wǎng)絡的中斷。線性網(wǎng)絡拓撲連接簡單，實際應用中多用在列車簡單的維護網(wǎng)絡中，交換機一般使用非網(wǎng)管型交換機，以方便整車各設備的維護為目的，網(wǎng)絡的故障對整車的控制功能沒有影響，如圖1 所示。

圖1 線性網(wǎng)絡拓撲

1.2 環(huán)形網(wǎng)絡拓撲

環(huán)形網(wǎng)絡拓撲為各交換機之間相互連接并形成一個環(huán)形，這樣當交換機之間的連接線纜出現(xiàn)任意一處斷開時能夠保證整個網(wǎng)絡的完整性，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的冗余，提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。該連接方法在實際列車中應用較多，連接方式簡單又能實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的冗余。采用該網(wǎng)絡拓撲連接的交換機需要為管理型交換機，環(huán)形網(wǎng)絡在物理上形成一個環(huán)形，為了避免出現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸風暴，在邏輯上不能形成環(huán)形通信，需要在環(huán)形網(wǎng)絡中的一個交換機上進行邏輯配置，使得網(wǎng)絡在邏輯上斷開，當網(wǎng)絡上其他地方產(chǎn)生物理線纜斷開時能夠自動恢復邏輯通信，如圖2 所示。

圖2 環(huán)形網(wǎng)絡拓撲

1.3 梯形網(wǎng)絡拓撲

梯形網(wǎng)絡拓撲一般以車節(jié)為單位，每一車節(jié)內(nèi)部的交換機之間進行環(huán)形拓撲連接，車節(jié)之間實現(xiàn)一節(jié)車的2 個交換機與下一節(jié)車的2 個交換機之間的互聯(lián)，這2 組交換機的互連線為冗余關系，一個連接線為主用線，另一個為備用線，線纜主備關系在交換機配置中進行設定，當為主的線纜出現(xiàn)故障時，備用線纜會自動啟用。梯形網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)勢體現(xiàn)在整個網(wǎng)絡存在車輛內(nèi)部交換機之間的環(huán)形冗余和車節(jié)之間的主備冗余，這樣，當任意車節(jié)內(nèi)部的任意線纜斷開，同時任意車節(jié)之間的任意線纜斷開，都不會影響整車網(wǎng)絡的整體通信功能，只有當車節(jié)之間連接的2 根線纜全部斷開或者是車節(jié)內(nèi)部出現(xiàn)多個線纜斷點時才會影響整車網(wǎng)絡的完整性。梯形網(wǎng)絡拓撲應用在對網(wǎng)絡穩(wěn)定性要求比較高的情況，需要交換機具有網(wǎng)絡配置管理功能，如圖3 所示。

圖3 梯形網(wǎng)絡拓撲

2 以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲發(fā)展趨勢

2.1 雙端口連接的網(wǎng)絡拓撲

隨著以太網(wǎng)的普及，現(xiàn)在很多車載設備控制器含有2 個以上獨立的以太網(wǎng)接口，這就為今后向雙端口連接的網(wǎng)絡拓撲發(fā)展打下基礎。雙端口連接就是一個終端設備同時連接在2 個以太網(wǎng)交換機上，這樣當其中一個交換機故障時不會導致連接在該交換機上的終端設備與網(wǎng)絡斷開，上面討論的環(huán)形網(wǎng)絡拓撲和梯形網(wǎng)絡拓撲只是解決了當以太網(wǎng)線纜故障時保證整個網(wǎng)絡的完整性，但是當交換機本身發(fā)生故障時，該交換機所連接的終端設備就與整個網(wǎng)絡斷開了，而雙端口網(wǎng)絡拓撲很好的解決了這個問題。

圖4 雙端口連接網(wǎng)絡拓撲

在環(huán)形網(wǎng)絡中，當一個交換機發(fā)生故障時，整個環(huán)形網(wǎng)絡斷開，但是不影響整個網(wǎng)絡的完整性，同時，由于終端設備采用雙端口網(wǎng)絡，發(fā)生故障的交換機連接的終端設備可以通過另一個交換機與網(wǎng)絡上的其他設備進行數(shù)據(jù)交互，而不影響網(wǎng)絡整體通信性能，如圖4 所示。

2.2 適應多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡拓撲

目前，在軌道交通車輛上，除了整車監(jiān)控網(wǎng)絡外，還存在著各子系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)的網(wǎng)絡、整車維護網(wǎng)絡以及視頻傳輸網(wǎng)絡等，為了降低整車布線的難度，減少不必要的重復布線，整車各網(wǎng)絡之間的融合是今后的發(fā)展趨勢。 相比傳統(tǒng)的MVB、CAN、RS485 等網(wǎng)絡，以太網(wǎng)的傳輸速度有了顯著的提升，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)以太網(wǎng)上普遍應用，為整車過程數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及突發(fā)性的維護數(shù)據(jù)等在同一個以太網(wǎng)絡上傳輸提供了條件。整車骨干網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)交換機形成列車級千兆以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，在整車骨干網(wǎng)交換機的基礎上，每節(jié)車各功能子網(wǎng)的交換機分別接入相應車節(jié)的骨干網(wǎng)交換機上，各功能子網(wǎng)內(nèi)部以及功能子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互全部通過整車骨干環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 適應多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡拓撲

3 以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲應用實例

某一4 輛編組的列車網(wǎng)絡拓撲圖如圖6 所示，整車網(wǎng)絡分為列車級和車輛級2 級網(wǎng)絡，整體網(wǎng)絡結構采用了適應多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡拓撲，針對特定的設備采用了雙端口連接的網(wǎng)絡拓撲。

列車級網(wǎng)絡由CS1～CS4 這4 個交換機組成，4個交換機之間采用環(huán)形拓撲連接，保證交換機之間任意連接線纜斷開時不影響整車以太網(wǎng)通信，組成列車級網(wǎng)絡的交換機均為網(wǎng)管型交換機，為了實現(xiàn)特定的跨子網(wǎng)訪問功能，其中CS2 和CS3 配置為3 層帶路由功能的交換機，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，列車級網(wǎng)絡采用千兆以太網(wǎng)。

車輛級網(wǎng)絡均連接在各車節(jié)的列車級以太網(wǎng)交換機上，車輛級網(wǎng)絡根據(jù)功能不同，劃分為以下4 個子網(wǎng)：控制功能子網(wǎng)、維護功能子網(wǎng)、視頻傳輸子網(wǎng)和車地無線傳輸子網(wǎng)，子網(wǎng)的劃分保證不同的數(shù)據(jù)只在子網(wǎng)內(nèi)部傳輸，避免了對其他設備的干擾，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率?？刂乒δ茏泳W(wǎng)的設備盡可能多的直接連接到每一車輛的列車級交換機上，減少過程數(shù)據(jù)在交換機之間傳輸?shù)难訒r，提高過程數(shù)據(jù)的實時性。視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)主要來自車輛廣播系統(tǒng)，包括攝像頭及廣播信息等，這些設備首先連接到每節(jié)車廣播系統(tǒng)的交換機（PIS-CS）上，然后通過廣播系統(tǒng)的交換機連接到每節(jié)車的列車交換機上；維護功能子網(wǎng)的設備首先連接到每節(jié)車的維護交換機（MTC-CS）上，這樣連接能夠有效的減少每節(jié)車列車交換機的接點數(shù)，也便于設備就近連接，減少車輛布線。車地無線傳輸子網(wǎng)主要由T1和T2車的無線傳輸模塊（WDM）組成，2 個WDM 模塊為冗余關系，分別連接在不同的列車級交換機上，減少列車級交換機故障時對車地無線通信的影響；WDM 模塊需要從過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)和視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)獲取過程和視頻等數(shù)據(jù)，需要WDM 模塊連接的列車級交換機具有路由功能。

在該列車網(wǎng)絡拓撲中，設備的子網(wǎng)掩碼為18位（255.255.192.0），其中第3 個字節(jié)掩碼192 所代表的高兩位用于子網(wǎng)劃分。高兩位全為0 代表過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)；高位為0，低位為1 代表視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)；高位為1，低位為0 代表維護數(shù)據(jù)子網(wǎng)；高位為1，低位為1 代表車地無線傳輸子網(wǎng)。過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)的起始IP 地址設定為：10.0.0.0/18，視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)的起始IP 地址設定為：10.0.64.0/18，維護數(shù)據(jù)子網(wǎng)的起始IP 地址設定為：10.0.128.0/18，車地無線傳輸子網(wǎng)的起始IP 地址設定為：10.0.192.0/18。根據(jù)上述子網(wǎng)IP 地址定義，給網(wǎng)絡拓撲中所有設備定義具體的IP 地址，根據(jù)圖6 的整車網(wǎng)絡拓撲圖搭建網(wǎng)絡測試平臺，過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)按照IEC 61375-2-3 標準規(guī)定的TRDP 協(xié)議進行過程數(shù)據(jù)通信，通信周期采用20 ms；視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)傳輸4 節(jié)車共14 路攝像頭實時視頻信息、流媒體信息及語音信息等；維護數(shù)據(jù)子網(wǎng)進行設備診斷數(shù)據(jù)的實時下載測試；車地無線傳輸子網(wǎng)進行車輛運行實時數(shù)據(jù)通過4G 或者WiFi 向地面服務器實時傳輸數(shù)據(jù)的測試。測試結果表明：在所有子網(wǎng)同時進行最大負載數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，過程數(shù)據(jù)通信功能正常，過程數(shù)據(jù)的最大延時小于10 ms；視頻數(shù)據(jù)的實時顯示及存儲功能正常；子設備的維護及車地無線傳輸功能正常。

圖6 網(wǎng)絡拓撲應用實例

4 結束語

從應用的角度描述了現(xiàn)在軌道交通車輛上應用的不同類型的以太網(wǎng)拓撲，并分析各種網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)缺點，結合實際工程應用的實例，闡述了以太網(wǎng)拓撲的配置及工作原理，實際測試表明該網(wǎng)絡拓撲能夠很好的滿足車輛過程控制數(shù)據(jù)的實時性要求，滿足視頻數(shù)據(jù)、車地無線傳輸數(shù)據(jù)及維護數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)通信帶寬要求。