基于實(shí)時以太網(wǎng)的列車重聯(lián)研究

魏濤

(株洲中車時代電氣股份有限公司,湖南 株洲412000)

當(dāng)前國內(nèi)主流的TCN(列車控制網(wǎng)絡(luò))一般由MVB(多功能車輛總線)與WTB(絞線式列車總線)構(gòu)成。MVB是車輛級總線，連接單個車輛單元內(nèi)的終端設(shè)備，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 Mbps；WTB是列車級總線，連接各動態(tài)編組車輛單元，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps。

隨著鐵路信息化、智能化建設(shè)推進(jìn)，視頻影音等對列車網(wǎng)絡(luò)通信帶寬、時延、靈活性等方面提出了更高要求[1]。傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率難以支撐多媒體音視頻數(shù)據(jù)傳輸。在此背景下，列車以太網(wǎng)編組網(wǎng)絡(luò)ECN和以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)ETB結(jié)合的列車以太網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。對列車實(shí)時以太網(wǎng)重聯(lián)技術(shù)進(jìn)行研究，骨干網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)大流量數(shù)據(jù)傳輸、貫穿重聯(lián)列車，能有力擴(kuò)大載客量、提高運(yùn)行效率。

1 列車實(shí)時以太網(wǎng)重聯(lián)技術(shù)

列車重聯(lián)是指列車間進(jìn)行連掛運(yùn)行，可擴(kuò)大載客量、提高運(yùn)行效率。兩車之間采用車鉤連接，車鉤中電氣電路完成電氣信號的互相連通。重聯(lián)列車采用以太網(wǎng)作為媒介，在骨干網(wǎng)側(cè)傳輸重聯(lián)相關(guān)信息，基于TTDP(列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議)建立拓?fù)?，在物理和邏輯上成為拓?fù)湫畔⑦_(dá)成一致一體。實(shí)時以太網(wǎng)重聯(lián)與傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)重聯(lián)相比，速率更快、時延更小、組網(wǎng)更靈活[3]。

2 重聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 跨編組尋址技術(shù)

終端設(shè)備跨編組通信時，要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出對方全局地址[4]。結(jié)合圖1描述跨編組尋址過程，編組子網(wǎng)1終端設(shè)備A（本地子網(wǎng)地址10.0.1.200 ），要訪問編組子網(wǎng)2終端設(shè)備D（本地子網(wǎng) 地 址 10.0.1.100 ）。 地 址 映 射 規(guī) 則[5]為00001010.1 bb00000.0000000 0.v0tttttt，解釋如表1。得D全局地址10.12 8.12 9.100 ，通信報文源地址10.0.1.200 ，目的地址10.12 8.12 9.100 。經(jīng)1編組ETBN將源地址轉(zhuǎn)變?yōu)槿值刂?0.12 8.6 5.200 。

圖1 ETBN跨編組尋址

表1 ETBN地址設(shè)定規(guī)則表

通過路由尋尋址，到達(dá)D所在2編組。2編組ETBN將目的地址轉(zhuǎn)變?yōu)楸镜刈泳W(wǎng)地址并傳遞給D。

2.2 列車拓?fù)浣?/h3>

當(dāng)列車拓?fù)浒l(fā)生變化，如重聯(lián)、解聯(lián)、上電等情形下，在獲得應(yīng)用層準(zhǔn)許后，列車會進(jìn)行初運(yùn)行。在此過程中，TTDP用于物理拓?fù)?、邏輯拓?fù)涞慕⒓俺踹\(yùn)行的完成[6]。

列車在進(jìn)行拓?fù)浣r，需要在ETB上選取一個參考方向，即ETB參考方向。該方向由端節(jié)點(diǎn)CstUUID(簡稱UUID)決定[7]。UUID是一種通用唯一標(biāo)識碼，可對列車編組進(jìn)行唯一標(biāo)識。多個編組重聯(lián)時，根據(jù)兩端節(jié)點(diǎn)所在編組UUID大小來確定骨干網(wǎng)ETB參考方向。編組UUID小的端節(jié)點(diǎn)所在側(cè)為方向1；UUID大的端節(jié)點(diǎn)所在側(cè)為方向2。編組號、子網(wǎng)號、ETBN id都隨著方向2遞增。

2.2.1 物理拓?fù)浣⑺惴?/p>

Hello幀主要用于診斷鏈路、發(fā)現(xiàn)鄰居設(shè)備。Topology幀通過組播方式發(fā)送，發(fā)送給其它ETBN節(jié)點(diǎn)共享拓?fù)湫畔?。一般超過400ms沒有收到某節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔r，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔⑹АG失。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)超過1s收不到其它任何節(jié)點(diǎn)Topology幀時，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是孤立的。經(jīng)過排序的節(jié)點(diǎn)MAC和節(jié)點(diǎn)朝向orientation匯總成的表格叫做Conn Table。從ETB頂節(jié)點(diǎn)開始排布，直到底節(jié)點(diǎn)。每接收到新的Topology幀，Conn Table就會進(jìn)行重新計(jì)算一次。Conn Table CRC32是Conn Table的CRC32校驗(yàn)值，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)Topology幀中Conn Table CRC32一致時，就證明列車物理拓?fù)湟呀?jīng)建立完成[8]。物理拓?fù)浣⒂?jì)算流程如圖2所示[9]。

圖2 拓?fù)浣⑺惴鞒虉D

2.2.2 邏輯拓?fù)浣⑺惴?/p>

當(dāng)重聯(lián)列車的邏輯拓?fù)浣⑼瓿蓵r，才可統(tǒng)一進(jìn)行列車IP地址配置，建立ETBN邏輯拓?fù)渲饕鶕?jù)Topolgy幀中的連接矢量(Conn Vector)、ETBN矢量(ETBN Vector)、etbTopoCnt進(jìn)行推算[10]。

Conn Vector包含自身節(jié)點(diǎn)及直接連接的鄰居節(jié)點(diǎn)MAC地址，若沒有鄰居則MAC地址填充全0，由此可獲知直接鄰居節(jié)點(diǎn)信息；ETBN Vector則是本節(jié)點(diǎn)在某一方向上發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的無序排列表，在節(jié)點(diǎn)端口方向1和2上各有一個ETBN Vector，可綜合得到本節(jié)點(diǎn)周圍發(fā)現(xiàn)的所有節(jié)點(diǎn)；TNDir包含列車中的UUID、CN id、Subnet id、ETBN id、編組朝向等信息，用于表征列車拓?fù)溥壿嬤B接方式[11]，etbTopoCnt是其CRC32校驗(yàn)值，當(dāng)所有Topology幀中etbTopoCnt一致時，則列車邏輯拓?fù)浣⑼瓿伞?/p>

3 列車ETBN交換機(jī)架構(gòu)介紹

ETBN為列車以太網(wǎng)骨干網(wǎng)交換機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)三層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)跨網(wǎng)段通信功能[12]。ETBN系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要由CPU單元、接口單元、電源單元以及金屬外殼組成[13]。CPU單元是核心部件，其中CPU芯片用于完成協(xié)議處理，而交換芯片用于完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。CPU芯片外圍連接有內(nèi)存單元FLASH和DDR，用于斷電保存和高速存取。CPU芯片一部分引腳直接引出串口和調(diào)試口到接口單元，另一部分引腳經(jīng)過交換芯片引出交換口到接口單元。接口單元則提供列車通信相關(guān)接口，一同構(gòu)成對外接口，電源單元負(fù)責(zé)為整個模塊提供電源。

圖3 ETBN系統(tǒng)架構(gòu)圖

ETBN上電后，首先要經(jīng)過底層初始化，完成時鐘配置、文件系統(tǒng)加載、ETBN端口號和網(wǎng)口初始化、等工作[14]。接著獲得編組信息、IP映射關(guān)系以及連接表信息，獲取端口連接的設(shè)備IP地址和MAC地址，管理Hello幀和Topology幀的發(fā)送周期及接收超時等，基于TRDP進(jìn)行設(shè)備間通信。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

列車以太網(wǎng)重聯(lián)的實(shí)驗(yàn)依托于公司級核心項(xiàng)目——洛杉磯地鐵，整體實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖4 洛杉磯地鐵實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在洛杉磯地鐵實(shí)驗(yàn)臺中，每1節(jié)車廂包含1個編組，編組內(nèi)含有一對互為冗余的ETBN節(jié)點(diǎn)，最終完成6編組列車的重聯(lián)。如圖5所示，為其中3節(jié)車廂在顯示器中的詳細(xì)拓?fù)湔故?。由圖可知，在ETBN的CN側(cè)接有ECNN二層冗余環(huán)網(wǎng)，各種終端連接在環(huán)網(wǎng)交換機(jī)ECNN下，如HVAC(空調(diào)控制器)、IOM(輸入輸出模塊)、EGWM(中央控制單元)等，負(fù)責(zé)列車運(yùn)行中的溫度控制、采集并輸出指令以及監(jiān)測處理數(shù)據(jù)等功能。

圖5 顯示器中的列車系統(tǒng)連接圖

重聯(lián)期間，通過記錄ETBN節(jié)點(diǎn)初運(yùn)行開始時刻及初運(yùn)行完成時刻，可得到初運(yùn)行完成所耗費(fèi)時間，重復(fù)進(jìn)行多次重聯(lián)實(shí)驗(yàn)，獲取結(jié)果如表2所示，通過計(jì)算可得，平均初運(yùn)行完成時間為405.6 ms，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，初運(yùn)行時間一般需控制在600ms以內(nèi)，可知該以太網(wǎng)重聯(lián)過程，初運(yùn)行時間較短、速度較快。傳統(tǒng)TCN重聯(lián)時間一般需要1s以上。相比之下，以太網(wǎng)重聯(lián)時間更短、速度更快。

表2 列車以太網(wǎng)重聯(lián)初運(yùn)行時間

任取列車中某一編組，將ETBN主節(jié)點(diǎn)斷電，備節(jié)點(diǎn)通過心跳線檢測到主節(jié)點(diǎn)生命信號不再發(fā)生變化，超過一定時間后，備節(jié)點(diǎn)會切換為主節(jié)點(diǎn)。多次進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)斷電，抓包讀取原備節(jié)點(diǎn)ETBN角色字段，計(jì)算其節(jié)點(diǎn)狀態(tài)由備節(jié)點(diǎn)切換為主節(jié)點(diǎn)所耗費(fèi)的時間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，計(jì)算平均切換時間為127ms，切換速度快，保證了鏈路可靠性。

表3 主備冗余切換時間

5 總結(jié)展望

本文對基于實(shí)時以太網(wǎng)的列車重聯(lián)進(jìn)行研究，分析跨編組通信尋址方法，探究初運(yùn)行中的TTDP機(jī)制，對重聯(lián)過程中列車物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)涞慕⑦M(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。結(jié)合洛杉磯地鐵實(shí)驗(yàn)臺，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M6編組列車的重聯(lián)過程，獲得測試結(jié)果。

由結(jié)果可知，基于實(shí)時以太網(wǎng)的列車重聯(lián)，初運(yùn)行時間短、時延小、鏈路可靠性高。由ECN和ETB相結(jié)合的列車以太網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，相比于MVB和WTB結(jié)合的TCN技術(shù)的性能表現(xiàn)有很大提升空間。以太網(wǎng)技術(shù)使得列車組網(wǎng)方式更加靈活、可靠性更強(qiáng)，還能更好地與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，更有利于實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合。