列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術在西安地鐵中的應用

師 帥

(西安市軌道交通集團有限公司 運營分公司，陜西 西安 710000)

隨著我國軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，利用工業(yè)以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡是目前軌道車輛通信研究的熱點。工業(yè)以太網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(不低于100 Mbit/s，甚至達到1 000 Mbit/s)和帶寬，并具有組網(wǎng)靈活、可靠性高、便于維護等優(yōu)勢，使大量信息傳輸、智能診斷、故障精確定位、專家診斷等功能成為可能，為支撐多業(yè)務傳輸?shù)木W(wǎng)絡融合技術開辟了新的途徑，并將徹底改變既有地鐵列車多個業(yè)務多種網(wǎng)絡混雜使用的現(xiàn)狀。

隨著地鐵列車運營要求的提高，目前地鐵列車網(wǎng)絡的應用模式是同時配置多套彼此分離的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，如列車控制網(wǎng)絡、以太網(wǎng)維護網(wǎng)絡、專家診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡、乘客信息系統(tǒng)(PIS系統(tǒng))傳輸網(wǎng)絡與多媒體網(wǎng)絡、列車廣播系統(tǒng)(PA系統(tǒng))傳輸網(wǎng)絡與多媒體網(wǎng)絡以及其他基于以太網(wǎng)通信的子系統(tǒng)網(wǎng)絡(如走行部監(jiān)測內(nèi)網(wǎng)、車門內(nèi)部通信網(wǎng))等。多套彼此分離的以太網(wǎng)網(wǎng)絡加大了列車通信網(wǎng)絡的復雜程度，使得列車設計、運營、維護成本大幅度增加，因此，將多套彼此分離的車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡進行一體化融合設計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、多媒體網(wǎng)絡、維護網(wǎng)絡、信息網(wǎng)絡等多網(wǎng)合一，組建成一個整車一體化以太網(wǎng)數(shù)據(jù)大動脈，可提高以太網(wǎng)設備利用率，為健康診斷系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)平臺構建車載平臺基礎，對地鐵列車控制、大數(shù)據(jù)應用具有重要的意義。西安市軌道交通集團有限公司對此開展了相關的技術方案研究與論證，以期為未來地鐵列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡融合技術的推廣提供技術參考。

1 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術方案介紹

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術主要是指對各系統(tǒng)的以太網(wǎng)進行融合，多網(wǎng)融合以太網(wǎng)系統(tǒng)具有高帶寬、高實時性等優(yōu)勢，可提升列車的可靠性、可維護性、可監(jiān)控性，有效降低列車運營、管理、維修的難度，支撐日益增加的列車智能化、大數(shù)據(jù)等多元化業(yè)務需求。多網(wǎng)融合以太網(wǎng)系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

(1) 整車以太網(wǎng)維護網(wǎng)功能。能夠為各子系統(tǒng)微機控制單元提供一致的維護介質，各單元通過以太網(wǎng)交換機組成列車局域網(wǎng)。各網(wǎng)融合以太網(wǎng)上設置的標準的高速服務接口(以太網(wǎng)接口)，在每列車司機室內(nèi)維修人員容易接近的位置設2個以太網(wǎng)接口。列車維修人員使用筆記本電腦通過以太網(wǎng)接口連接到多網(wǎng)融合以太網(wǎng)，即可實現(xiàn)與連接到本地以太網(wǎng)接口完全相同的功能。使用各系統(tǒng)供應商提供的維護軟件對相應的列車設備進行維護操作，可對設備進行調(diào)試，軟件裝載，讀取設備的狀態(tài)信息、過程數(shù)據(jù)和所儲存的信息。

(2) PIS系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡與多媒體網(wǎng)絡、PA系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡與多媒體網(wǎng)絡功能。在不額外增加以太網(wǎng)硬件的基礎上建立整車音視頻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)以及內(nèi)部控制網(wǎng)，實現(xiàn)控制信息及多媒體數(shù)據(jù)的交互功能。

(3) 以太網(wǎng)信息網(wǎng)功能。多網(wǎng)融合以太網(wǎng)為整車搭建以太網(wǎng)信息網(wǎng)，為各子系統(tǒng)的以太網(wǎng)維護數(shù)據(jù)傳輸提供有線傳輸通道；LTE(長期演進)接入融合以太網(wǎng)，為各子系統(tǒng)的以太網(wǎng)維護數(shù)據(jù)上傳提供無線傳輸通道；列車數(shù)據(jù)采集單元通過多網(wǎng)融合以太網(wǎng)收集各子系統(tǒng)的以太網(wǎng)維護數(shù)據(jù)，并通過LTE通道傳輸至地面相關服務器，實現(xiàn)列車以太網(wǎng)信息網(wǎng)功能，并為列車智能運維、大數(shù)據(jù)收集提供數(shù)據(jù)基礎。

(4) 子系統(tǒng)內(nèi)部控制網(wǎng)功能。替代車載子系統(tǒng)原有的以太網(wǎng)內(nèi)部控制網(wǎng)，實現(xiàn)子系統(tǒng)(例如邏輯控制單元、走行部監(jiān)測系統(tǒng)、弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、車門控制單元等)內(nèi)部各控制單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

Tc.帶司機室的拖車；Mp.帶受電弓的動車；M.動車；CCU.中央控制單元；ERM.數(shù)據(jù)記錄單元；HMI.人機接口單元；BCU.制動控制單元；FAS.煙火系統(tǒng)；TDS.走行部監(jiān)測系統(tǒng)；PIS.乘客信息系統(tǒng)；SM.超級管理接口；BMS.蓄電池管理系統(tǒng)；EDCU.車門控制單元；DCM.數(shù)據(jù)采集單元；SIV.輔助控制單元；ACU.空調(diào)控制單元；ATRP.列車雷達防護單元；ACU-C.司機室的空調(diào)控制單元；CCU-D.牽引記錄單元；PMS.受電弓監(jiān)控系統(tǒng)；DCU.牽引控制單元；CAM.網(wǎng)絡攝像頭。

如圖1所示，Tc車的CCU、ERM、HMI、BCU、FAS、TDS、PIS、SIV、ACU等設備，Mp車的ACU、PMS、TDS、EDCU、DCU等設備，M車的ACU、SIV、EDCU、DCU等設備均接入千兆交換機的百兆網(wǎng)口。PIS、TDS接入到本車的主干交換機上，其車與車之間系統(tǒng)內(nèi)部的主機不再需要原來的線纜進行連接，其系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸都是通過列車主干網(wǎng)來進行的?？紤]到PIS系統(tǒng)及其余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，在帶寬設計上搭建的是一個千兆的列車以太骨干網(wǎng)。

在網(wǎng)絡架構上，按照可靠性設計要求，列車網(wǎng)絡采用了環(huán)網(wǎng)冗余技術，所有交換機均通過跨接方式相連，在主線路斷開的情況下，可以快速切換至備份鏈路，保證數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定傳輸[1]。所謂環(huán)網(wǎng)是指交換機的連接方式為一個環(huán)，其中一臺交換機被設定成主交換機，其他交換機為從交換機。主交換機會決定這個環(huán)行拓撲中其中一段為備份鏈路，正常情況下備份鏈路并不傳輸數(shù)據(jù)，當網(wǎng)絡中線路發(fā)生斷開的情況下，備份鏈路會快速打開，保證數(shù)據(jù)可以繼續(xù)在網(wǎng)絡中進行通信[2]。

3 關鍵技術

列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡通過下文幾種主要技術來實現(xiàn)對整體網(wǎng)絡流量的控制和規(guī)劃，建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，同時為以后業(yè)務的擴展和接入預留空間。

3.1 端口廣播流量限制

通過設置交換機來限制廣播數(shù)據(jù)包在交換機上的轉發(fā)，從而限制廣播數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中傳播和擴散，避免出現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中大量復制轉發(fā)，導致網(wǎng)絡性能下降甚至網(wǎng)絡癱瘓。

3.2 端口速率限制

通過設置端口的通信速率來控制端口上的流量總數(shù)，屏蔽端口非業(yè)務流量的流量總數(shù)，保證正常業(yè)務能夠取得合理的帶寬以及高優(yōu)先級別。交換機能夠設置端口速率的基礎單位為該端口速率的5%。例如：對于提供重要行車數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，通過對其接入端口數(shù)據(jù)流設置較高的優(yōu)先級，并對其他低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流進行限制，確保該系統(tǒng)數(shù)據(jù)流取得合理的帶寬，從而保障其正常傳輸。

3.3 網(wǎng)絡服務質量(QoS)設置

QoS是網(wǎng)絡流量控制設計中的重要環(huán)節(jié)，它可以通過對業(yè)務流量或者端口的敏感度來劃分優(yōu)先級別，保證重要的業(yè)務數(shù)據(jù)優(yōu)先轉發(fā)。依據(jù)當前項目規(guī)劃，將PIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先級設為最高，TDS系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先級設為中級，專家診斷系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)優(yōu)先級設為較低。

3.4 VLAN劃分

通過VLAN劃分能夠抑制過多廣播包應用的網(wǎng)絡，把相關業(yè)務終端劃分在同一個VLAN中，保證廣播包業(yè)務在本VLAN中傳播，不占用整體網(wǎng)絡帶寬。

以Tc1車為例介紹VLAN劃分，交換機設置4個VLAN區(qū)域。維護網(wǎng)絡、PIS系統(tǒng)、TDS系統(tǒng)各設置在3個不同的VLAN，用于外部設備接入列車網(wǎng)絡以訪問列車維護數(shù)據(jù)的端口設置為獨立的VLAN。

可以根據(jù)需要設置VLAN ID，一般設置為10、20、30、40等，而交換機上未被占用的網(wǎng)口，將其VLAN ID設置為1。不同設備的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)不同的VLAN在限定的區(qū)域中進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉發(fā)，而作為級聯(lián)用的以太網(wǎng)交換機網(wǎng)口，設置為通道模式，允許跨設備訪問所有的VLAN。

3.5 安全規(guī)劃

需對各個業(yè)務數(shù)據(jù)流走向提出需求，例如允許或拒絕訪問的要求，超級管理接口的設置等。只可以通過指定的便攜式測試單元(PTU)接入設置的超級管理接口，對各系統(tǒng)進行訪問。圖2為以太網(wǎng)VLAN安全規(guī)劃示意圖，假設將端口 1(VLAN100)設置為超級管理接口，接入端口1的PTU可以訪問VLAN20和VLAN30的所有設備，但是VLAN20和VLAN30的設備不能互訪。VLAN20和VLAN30的設備互訪可通過在防火墻配置文件中設置規(guī)則來實現(xiàn)。

圖2 以太網(wǎng)VLAN安全規(guī)劃示意圖

3.6 流量控制

流量控制能夠確保交換機在存儲-轉發(fā)的機制下，在網(wǎng)絡中有短時間流量突發(fā)或者流量井噴時能夠實現(xiàn)不重發(fā)不丟包的數(shù)據(jù)傳輸，保證正常業(yè)務的實時通信。例如：在PIS系統(tǒng)中，多臺攝像頭同時向一個終端短時發(fā)送大量數(shù)據(jù)流，由于超出終端對應交換機端口的最大轉發(fā)速率，當該端口接收隊列溢出時，多出的數(shù)據(jù)將會被丟棄。通過交換機的流量控制功能，提前對攝像頭對應交換機端口發(fā)送消息控制傳輸速率，可避免上述情況的出現(xiàn)。

4 硬件支持

西安地鐵智慧列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術方案的硬件配置如表1所示(以6輛編組列車為例)。

表1 西安地鐵智慧列車多網(wǎng)融合以太 網(wǎng)技術方案的硬件配置 臺

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)線纜的選取條件是：

(1) 工業(yè)百兆網(wǎng)線通常采用4芯網(wǎng)線，絞合方式為4芯中心絞合；工業(yè)千兆網(wǎng)線采用8芯網(wǎng)線，絞合方式為兩兩雙腳在中心絞合。

(2) 工業(yè)網(wǎng)線通常采用屏蔽網(wǎng)線，百兆4芯網(wǎng)線通常采用外層整體屏蔽(鋁箔加銅網(wǎng))，千兆8芯網(wǎng)線每2根線采用鋁箔屏蔽，再外層整體進行屏蔽(鋁箔或者銅網(wǎng))。

(3) 千兆網(wǎng)線為滿足千兆傳輸要求，在電氣性能方面要求較高，以保證在數(shù)據(jù)高速傳輸過程中不因外部或者內(nèi)部的干擾導致傳輸質量下降。

在列車整合網(wǎng)絡中，骨干級網(wǎng)絡接口為千兆端口，各子系統(tǒng)接入口為百兆端口。百兆交換機口接口采用M12-D-Coding連接器(圖3)，千兆交換機口接口采用M12-X-Coding連接器(圖4)。

圖3 M12-D-Coding連接器

圖4 M12-X-Coding連接器

5 應用部署

5.1 列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)通過列車網(wǎng)絡完成對車輛主要設備的管理、列車運行信息的采集、列車運行狀態(tài)的監(jiān)視和故障診斷，實現(xiàn)列車安全可靠的運行，同時也為司機或機械師提供列車操作幫助并為維修任務提供集中支持[3]。

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)會影響到列車的運行，必須保證數(shù)據(jù)安全可靠，在多網(wǎng)融合以太網(wǎng)中劃分到獨立的VLAN中，QoS優(yōu)先級設為最高，數(shù)據(jù)傳輸采用IEC 61375-2-3：2015《鐵路電氣設備 列車通信網(wǎng)絡 第2-3部分：TCN通信簡介》中定義的實時以太網(wǎng)過程數(shù)據(jù)報文結構，即TRDP過程數(shù)據(jù)報文結構。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過TRDP過程數(shù)據(jù)發(fā)送，使用的UDP端口號為17224。TRDP過程數(shù)據(jù)報文格式如圖5所示，具體含義如下：

圖5 TRDP過程數(shù)據(jù)報文格式

(1) 序號計數(shù)器為報文的序號，每發(fā)送1個報文，計數(shù)器加1。

(2) 協(xié)議版本為報文協(xié)議的版本號。

(3) 通信模式為推模式標識。

(4) 通信端口標識為通信端口號。

(5) 列車靜態(tài)拓撲序列是用于標識靜態(tài)網(wǎng)絡拓撲的序列，隨列車網(wǎng)絡組成不同而改變,編組內(nèi)通信，固定為0。

(6) 列車運行拓撲序列是用于標識運行狀態(tài)下網(wǎng)絡拓撲的序列，隨列車運行方向不同而改變,編組內(nèi)通信，固定為0。

(7) 應用數(shù)據(jù)長度為實際應用數(shù)據(jù)的長度，不包括報文首部。

(8) 保留為保留字段，用于后續(xù)擴展，目前固定為0。

(9) 應答數(shù)據(jù)通信端口標識是在拉模式通信情況下，應答數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)耐ㄐ哦丝跇俗R；推模式下為0。

(10) 應答數(shù)據(jù)通信IP地址是在拉模式通信情況下，應答數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)哪康亩说腎P地址；推模式下為0。

(11) 首部校驗和為過程數(shù)據(jù)報文首部校驗和。

(12) 應用數(shù)據(jù)為實際填充的應用數(shù)據(jù)(0～1 400 Byte)。

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡內(nèi)子系統(tǒng)設備控制器的IP部署方案如表2所示。

表2 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡內(nèi)子系統(tǒng)設備控制器的IP部署方案

5.2 PIS及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)

PIS以及其他子系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有非實時性需求，將它們分別劃分至各自VLAN中，并限定端口收發(fā)速率，多網(wǎng)融合以太網(wǎng)為其提供物理傳輸通道。多網(wǎng)融合以太網(wǎng)支持的傳輸標準見表3。

表4 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)支持的傳輸標準

6 結束語

目前，適用于西安地鐵智慧列車的基于工業(yè)以太網(wǎng)的地鐵列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術方案已經(jīng)論證通過，獲得了專家一致的認可及高度評價，后續(xù)將繼續(xù)完成裝車運營測試，驗證通過后，將作為新型列車的原型車在西安地區(qū)進行普及。

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術的研究與應用，為西安地鐵線網(wǎng)級智能運維集成平臺的搭建提供了一種集成化解決方案，為未來的列車運營維護大數(shù)據(jù)平臺構建提供了車載數(shù)據(jù)平臺基礎，整體提升了列車運維的智能化程度，列車運維數(shù)據(jù)的積累有助于未來修程修制的優(yōu)化升級，可提供數(shù)據(jù)庫支持[4]；同時多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術的發(fā)展，有利于優(yōu)化車輛系統(tǒng)設計及車輛減重，提升運營及維修維護效率，提高列車的可靠性，保障列車的安全高效運營。