以太網(wǎng)在地鐵列車(chē)上的發(fā)展與應(yīng)用

曹成鵬

（北京城市軌道交通咨詢有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)地鐵電動(dòng)客車(chē)的列車(chē)控制及監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS）主要采用多功能車(chē)輛總線（MVB）架構(gòu)，各子系統(tǒng)通過(guò)MVB接口連接到列車(chē)網(wǎng)絡(luò)上。同時(shí)，車(chē)載旅客信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等均通過(guò)自組網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸方式的采用造成車(chē)載網(wǎng)絡(luò)種類(lèi)繁多、互不關(guān)聯(lián)、各自獨(dú)立的局面，給車(chē)內(nèi)布線及檢修維護(hù)帶來(lái)一定的困難。為解決目前車(chē)載網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題、順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展、緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐，多網(wǎng)融合成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

隨著列車(chē)智能化水平不斷提升、車(chē)輛接入TCMS的設(shè)備不斷增多，面向旅客的信息將會(huì)越來(lái)越多。通過(guò)MVB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)急劇增多，大量的數(shù)據(jù)交互對(duì)傳輸帶寬有了更高的要求。MVB最大傳輸速率僅有1.5 Mbps，受總線帶寬和總線負(fù)荷影響，MVB實(shí)際使用帶寬僅為允許帶寬的60%，因此，目前基于MVB的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足列車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的需求。

以太網(wǎng)因其傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在地鐵列車(chē)上的應(yīng)用發(fā)展迅猛。在西門(mén)子開(kāi)發(fā)的鐵路自動(dòng)化-以太網(wǎng)系統(tǒng)（SIBAS PN）、龐巴迪開(kāi)發(fā)的機(jī)車(chē)動(dòng)車(chē)分散式控制系統(tǒng)（MITRAC）、日本聯(lián)合體開(kāi)發(fā)的軌道運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（INTER OS）中，均采用了以太網(wǎng)架構(gòu)并進(jìn)行了裝車(chē)。IEC 61375-2-5-2014《鐵路電子設(shè)備. 列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）. 第2-5部分：以太網(wǎng)列車(chē)骨干網(wǎng)（ETB）》、IEC 61375-3-4-2014《鐵路電子設(shè)備. 列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）. 第3-4部分：以太網(wǎng)編組網(wǎng)（ECN）》等相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，也推動(dòng)了列車(chē)以太網(wǎng)的發(fā)展。

本文結(jié)合以太網(wǎng)在國(guó)內(nèi)地鐵列車(chē)上的應(yīng)用，對(duì)以太網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行分析。

2 以太網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

基于以太網(wǎng)的TCMS可分為列車(chē)控制級(jí)和車(chē)輛控制級(jí)，列車(chē)控制級(jí)采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余貫穿全列的方案，該方案中網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)故障，不會(huì)影響整車(chē)通信；在車(chē)輛控制級(jí)，具有以太網(wǎng)接口的子系統(tǒng)可以進(jìn)行以太網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信。關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)備采用列車(chē)基于安全的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議（TRDP-Safety） 并冗余接入TCMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)與車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信速率為100 Mbps，在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)同屬一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，各子系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口接入維護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)，典型的TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于以太網(wǎng)的TCMS主要組成設(shè)備為中央控制單元（CCU）、以太網(wǎng)交換機(jī)、遠(yuǎn)程輸入/輸出單元（I/O）、以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊、以太網(wǎng)電纜、以太網(wǎng)連接器、數(shù)據(jù)記錄儀（ERM）、顯示器、以太網(wǎng)終端設(shè)備等。

2.1 中央控制單元

CCU負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制、監(jiān)視和故障診斷，同時(shí)具備ERM功能。CCU一般分為CCU1和CCU2，分別安裝在2個(gè)頭車(chē)，二者互為冗余。在已經(jīng)采用以太網(wǎng)的地鐵項(xiàng)目中，也有采用將CCU、頭車(chē)以太網(wǎng)交換機(jī)、頭車(chē)I/O單元集成在一個(gè)CCU機(jī)箱中的方案，頭車(chē)CCU機(jī)箱配置示意圖如圖2所示，機(jī)箱內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖 3所示，該方案可采用雙CPU的冗余方式。

2.2 以太網(wǎng)交換機(jī)

交換機(jī)作為以太網(wǎng)的核心設(shè)備，不論在構(gòu)建的列車(chē)級(jí)以太網(wǎng)還是車(chē)輛級(jí)以太網(wǎng)中，均承載著以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換功能。以太網(wǎng)交換機(jī)不同于其他網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，除具備通用三層交換機(jī)的功能外，還需具備軟硬件bypass功能（bypass是指可以通過(guò)特定的觸發(fā)狀態(tài)讓2個(gè)網(wǎng)絡(luò)不通過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備而直接在物理上導(dǎo)通，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備出現(xiàn)故障后、可以讓連接在這臺(tái)設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)相互導(dǎo)通）、簡(jiǎn)易便捷的 WEB 配置管理功能。目前產(chǎn)品體系有以太網(wǎng)編組網(wǎng)（ECN）、以太網(wǎng)列車(chē)骨干網(wǎng)（ETB）等多個(gè)系列，支持百兆、千兆速率，端口數(shù)量可配置。以太網(wǎng)交換機(jī)可支持IEC 61375-2-5-2014、IEC 61375-3-4-2014 等多項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2.3 遠(yuǎn)程輸入輸出單元

遠(yuǎn)程I/O單元負(fù)責(zé)采集列車(chē)數(shù)字量和模擬量信號(hào)，同時(shí)依據(jù)CCU指令進(jìn)行I/O控制。

目前采用以太網(wǎng)控車(chē)的國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目中，也有將遠(yuǎn)程I/O單元和以太網(wǎng)交換機(jī)集成在車(chē)輛控制單元（VCU）機(jī)箱中，VCU實(shí)物如圖4所示。

2.4 以太網(wǎng)終端設(shè)備

以太網(wǎng)終端設(shè)備包括牽引控制單元、制動(dòng)控制單元等具備以太網(wǎng)接口的車(chē)輛以及各子系統(tǒng)連接至以太網(wǎng)交換機(jī)上的設(shè)備。

2.5 以太網(wǎng)連接器

以太網(wǎng)連接器可采用符合DIN EN 61076-2-101-2013《電子設(shè)備連接器.產(chǎn)品要求.第2-101部分：帶螺釘鎖緊的M12連接器的詳細(xì)規(guī)范》的M12 D型連接器，設(shè)備側(cè)采用插孔，電纜側(cè)采用插針，連接器如圖5所示。

2.6 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊、數(shù)據(jù)記錄儀、顯示器

以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，用于將車(chē)輛狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)載無(wú)線設(shè)備發(fā)送至地面。網(wǎng)關(guān)作為列車(chē)網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的安全防火墻設(shè)備，具有報(bào)文過(guò)濾、狀態(tài)檢測(cè)、攻擊防御、報(bào)文加解密等安全策略，用于保護(hù)列車(chē)TCMS網(wǎng)絡(luò)免受外部網(wǎng)絡(luò)非法訪問(wèn)和攻擊。

ERM主要功能是通過(guò)以太網(wǎng)接口與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)相連、I/O接口與列車(chē)硬線相連，對(duì)列車(chē)數(shù)據(jù)重新整理、解析、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)地鐵工作人員對(duì)列車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、診斷、檢修的功能。采用CCU、頭車(chē)以太網(wǎng)交換機(jī)、頭車(chē)的I/O單元集成在CCU機(jī)箱的項(xiàng)目，也可將ERM功能集成在CCU機(jī)箱中。

顯示器作為T(mén)CMS的顯示終端，是司機(jī)及維護(hù)人員與列車(chē)之間的人機(jī)交互界面，具備信息顯示、參數(shù)設(shè)定、功能測(cè)試等功能。

3 以太網(wǎng)在國(guó)內(nèi)地鐵列車(chē)上的工程案例及不足

3.1 以太網(wǎng)與MVB雙網(wǎng)冗余方案

在已投入運(yùn)行的某全自動(dòng)運(yùn)行線路的列車(chē)上，已經(jīng)批量應(yīng)用了MVB和以太網(wǎng)雙冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，列車(chē)控制總線采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余貫穿全列，同時(shí)采用MVB列車(chē)級(jí)總線，網(wǎng)絡(luò)中單點(diǎn)故障，不影響整列通信?？刂啤⒕S護(hù)同屬一個(gè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6所示的以太網(wǎng)和MVB雙網(wǎng)冗余方案的一個(gè)特點(diǎn)是所有子系統(tǒng)均具有MVB和以太網(wǎng)2種接口，但是中間4輛車(chē)的中繼器并未進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，此處也成為該MVB網(wǎng)絡(luò)的薄弱點(diǎn)。由于該方案同時(shí)存在以太網(wǎng)和MVB通信，各設(shè)備可采用組播方式進(jìn)行通信，避免CPU負(fù)荷過(guò)大。

3.2 以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和 MVB 雙冗余方案

目前在已批量交付的某8輛編組全自動(dòng)運(yùn)行線路的列車(chē)上，采用了以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)和MVB總線，采用雙網(wǎng)絡(luò)線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)具備旁路功能，多點(diǎn)故障不影響列車(chē)正常運(yùn)行，具有較高的可靠性，其中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交互能力。車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)也采用以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，設(shè)備通過(guò)2個(gè)以太網(wǎng)口分別接入到車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中。車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)預(yù)留MVB線接口，可為部分不具備以太網(wǎng)接口的設(shè)備提供MVB接口接入到車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中。列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)共用1套以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7所示的以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余方案與圖6所示以太網(wǎng)和MVB雙網(wǎng)冗余方案相比，只有CCU、信號(hào)系統(tǒng)控制單元（ATC）、牽引系統(tǒng)（包括輔助供電）控制單元（DCU/M、DCU/A）、制動(dòng)控制單元（BCU/G）、ERM具有MVB接口，車(chē)門(mén)、空調(diào)、廣播、走行部在線檢測(cè)、火警、I/O單元等設(shè)備只有以太網(wǎng)接口，此接口配置既降低了成本，也進(jìn)一步加大了以太網(wǎng)控車(chē)的比例。

在以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余方案網(wǎng)絡(luò)中，具有MVB接口的CCU、ATC、DCU/M、DCU/A、ERM同時(shí)具有以太網(wǎng)接口，但是由于該項(xiàng)目制動(dòng)系統(tǒng)廠家的成熟產(chǎn)品不支持以太網(wǎng)接口，BCU/G只有MVB接口，沒(méi)有以太網(wǎng)接口。因此，BCU/G單元并沒(méi)有直接接入以太網(wǎng)，即使該設(shè)備通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，也存在數(shù)據(jù)傳輸延遲大、故障點(diǎn)增多等問(wèn)題。

并且此項(xiàng)目中以太網(wǎng)與MVB網(wǎng)絡(luò)模式需通過(guò)司機(jī)臺(tái)上模式開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，當(dāng)模式開(kāi)關(guān)在“自動(dòng)”位時(shí)、處于以太網(wǎng)控車(chē)模式，此時(shí)即使以太網(wǎng)兩路通信均中斷，也不會(huì)自動(dòng)切換到MVB控車(chē)模式，而需要司機(jī)判斷出故障工況后、手動(dòng)操作模式開(kāi)關(guān)才可切換到MVB控車(chē)模式，此切換方式降低了智能化程度，尤其在全自動(dòng)運(yùn)行工況下，當(dāng)以太網(wǎng)故障時(shí)無(wú)法通過(guò)遠(yuǎn)程控制切換到MVB控車(chē)模式、降低了列車(chē)的可用性。

3.3 純以太網(wǎng)控車(chē)方案

在另一已經(jīng)投產(chǎn)的8輛編組全自動(dòng)線路的列車(chē)上，進(jìn)一步采用純以太網(wǎng)控車(chē)方案，在該方案中列車(chē)控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)作為列車(chē)的通信控制網(wǎng)絡(luò)，且貫穿全列，網(wǎng)絡(luò)中單點(diǎn)故障不影響整車(chē)通信。車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)同樣采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，各子系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入的以太網(wǎng)通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1所示的純以太網(wǎng)控車(chē)方案與圖7所示的以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余方案相比，在系統(tǒng)配置上減少了MVB設(shè)備及板卡數(shù)量，降低了成本。對(duì)于如制動(dòng)和信號(hào)等重要的系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)口進(jìn)行通信冗余，保證數(shù)據(jù)可靠性。但該項(xiàng)目基于其牽引系統(tǒng)廠家產(chǎn)品的特性，只在頭車(chē)的牽引系統(tǒng)2個(gè)MCU實(shí)現(xiàn)主從冗余，牽引系統(tǒng)層面仍設(shè)置了1個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示，也并未實(shí)現(xiàn)所有關(guān)鍵智能控制單元均采用以太網(wǎng)接口，且仍需重點(diǎn)關(guān)注牽引系統(tǒng)層面MVB網(wǎng)絡(luò)的可靠性問(wèn)題。

4 結(jié)論

目前通信速率高、靈活性強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)在地鐵列車(chē)上已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域TCMS由傳統(tǒng)的MVB控車(chē)（以太網(wǎng)僅為維護(hù)網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，經(jīng)過(guò)MVB和以太網(wǎng)雙冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的過(guò)渡，向純以太網(wǎng)控車(chē)的方向發(fā)展。但目前，地鐵領(lǐng)域以太網(wǎng)的應(yīng)用還處于起步及過(guò)渡階段，在采用以太網(wǎng)與MVB雙網(wǎng)冗余方案中，存在MVB網(wǎng)絡(luò)冗余被忽略的問(wèn)題，并且同時(shí)存在以太網(wǎng)和MVB兩種通信網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目，存在CPU負(fù)荷過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。在采用以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余網(wǎng)絡(luò)方案中，以太網(wǎng)通信時(shí)不會(huì)自動(dòng)切換到MVB控車(chē)模式，需要人工手動(dòng)操作模式開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，降低了列車(chē)的智能化程度，在全自動(dòng)運(yùn)行工況下，當(dāng)以太網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)降低列車(chē)的可用性。在純以太網(wǎng)控車(chē)的TCMS中，仍存在關(guān)鍵智能控制單元未全部采用以太網(wǎng)接口、由于局部MVB網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題導(dǎo)致TCMS可靠性降低的情況。上述問(wèn)題在后續(xù)應(yīng)用以太網(wǎng)的新項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中需要予以重視并改進(jìn)。