以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)初運行研究及實現(xiàn)

薛樹坤，徐燕芬，趙 婧

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266031)

1 背景介紹

列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)諸如TCN、ARCNET、CANopen 、LonWorks等被廣泛應(yīng)用。其中最常用的是TCN網(wǎng)絡(luò)，包括絞線式列車總線(WTB)和多功能車輛總線(MVB)。但是隨著高速列車傳輸?shù)亩嗝襟w信息、設(shè)備診斷信息、視頻監(jiān)控信息數(shù)據(jù)量越來越大，控制復(fù)雜度越來越高，TCN網(wǎng)絡(luò)存在帶寬小、可重構(gòu)性低、控制與服務(wù)隔離等缺點。隨著以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，以太網(wǎng)的通信速度已經(jīng)從100 Mbps提高到1 000 Mbps以上，可以滿足現(xiàn)代高速列車的通信與服務(wù)需求；實時以太網(wǎng)還具有高實時性、高可靠性、易組網(wǎng)、易接入等優(yōu)點，可以更好地支持列車智能化、列車多網(wǎng)融合等業(yè)務(wù)的發(fā)展。2004年以來，國際電工委員會(IEC)相繼頒布了IEC 61375-3-4：2014，IEC 61375-2-5：2014，IEC 61375-2-3：2015[1-3]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確立了列車以太網(wǎng)技術(shù)通信體系的整體架構(gòu)和通信方式。目前，國外諸如龐巴迪公司、芬蘭EKE公司，國內(nèi)的中國中車股份有限公司等均已實現(xiàn)了列車控制與信息服務(wù)均由以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并相繼投入實際運營[4-5]。

以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)(ETB)初運行是通過列車骨干網(wǎng)節(jié)點(ETBN)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，ETB初運行實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)初始化，建立列車級以太網(wǎng)拓?fù)?，完成以太網(wǎng)動態(tài)配置，分配列車級以太網(wǎng)地址，并建立ETB數(shù)據(jù)通信。

2 ETB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點

列車級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€性結(jié)構(gòu)，使用物理鏈路,例如以太網(wǎng)線纜和連接器，沿著列車將有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如ETBN、中繼器等連接起來，見圖1。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，ETBN發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被其他鄰居ETBN接收到，其他ETBN基于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的地址信息判斷是否需要接收處理，如果需要則處理該消息，不需要則轉(zhuǎn)發(fā)到下一個鄰居節(jié)點。線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點是布線容易、方便擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[6]。

圖1 列車級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

列車級以太網(wǎng)通過ETBN與車輛級以太網(wǎng)(ECN)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。根據(jù)IEC 61375-3-4：2014標(biāo)準(zhǔn)，車輛級以太網(wǎng)可以采用線性拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)?、梯形拓?fù)涞龋瑢崿F(xiàn)消息數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)傳輸[3]。列車級鏈路采用雙線型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸能力加倍，增加了冗余性。ETBN在這種拓?fù)渲幸笾С宙溌肪酆?、旁路中繼等功能[1]。

3 列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議

ETB的初運行通過列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議(TTDP)實現(xiàn)。ETBN通過執(zhí)行TTDP協(xié)議，發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，實時更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。ETB初運行發(fā)生于列車初上電、列車重聯(lián)或解編、中間位置非冗余節(jié)點丟失等情況。

3.1 數(shù)據(jù)幀

TTDP定義了2種專用的以太網(wǎng)幀[1]。

(1) TTDP HELLO幀。該報文僅用于相鄰設(shè)備間進(jìn)行傳輸，目的MAC地址固定為01-80-C2-00-00-0E，用于節(jié)點間交換機(jī)箱和端口信息。該報文在ETB端口上周期性發(fā)送。根據(jù)發(fā)送時序，TTDP HELLO報文定義了2個發(fā)送周期：正常模式下的慢發(fā)送周期，慢周期設(shè)置為100 ms；快速模式下快發(fā)送周期，快周期設(shè)置為15 ms。

(2) TTDP TOPO幀。主要攜帶了列車級拓?fù)湫畔⒑蛙囕v級拓?fù)湫畔?個關(guān)鍵字段，目的MAC地址為01-80-C2-00-00-10，該報文在整個列車級網(wǎng)絡(luò)ETB中傳輸，所有ETBN共享列車級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰＴ搱笪脑贓TB端口周期性發(fā)送，周期為100 ms。該報文用于建立物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)洹?/p>

3.2 初運行過程

ETB初運行過程見圖2。列車初上電或者重啟時，進(jìn)入初始化狀態(tài)，啟動TTDP進(jìn)程，配置ETBN交換機(jī)端口為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，禁止IP轉(zhuǎn)發(fā)，同時禁止ETB與ECN之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)。此時開始發(fā)送和接收TTDP HELLO幀和TTDP TOPO幀。通過對這些報文的處理，建立物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)洌⒐芾鞥TB鏈路狀態(tài)。物理拓?fù)浒蠩TBN的物理地址和朝向信息。邏輯拓?fù)涫窃谖锢硗負(fù)浠A(chǔ)上，形成所有編組的有序列表和編組方向。當(dāng)所有ETBN計算的ETB拓?fù)溆嫈?shù)器一致時，準(zhǔn)備初運行并繼續(xù)計算物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?。如果ETBN此時未設(shè)置禁止初運行標(biāo)志或節(jié)點恢復(fù)，進(jìn)入初運行完成狀態(tài)，設(shè)置ETB拓?fù)溆嫈?shù)器為當(dāng)前拓?fù)溆行Х€(wěn)定值，通過邏輯拓?fù)渫瓿蒊P映設(shè)和服務(wù)，包括設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、路由等，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)、域名服務(wù)系統(tǒng)(DNS)等，ETB和ECN之間使能路由。物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)涞慕⑺惴ǎ琓TDP HELLO幀、TTDP TOPO幀處理過程等詳見IEC 61375-2-5：2014相關(guān)章節(jié)[1]。

圖2 ETB初運行過程

4 ETBN硬件及試驗

ETBN由中央處理單元(CPU)、背板、網(wǎng)絡(luò)接口等組成。由于列車工作環(huán)境的要求，該產(chǎn)品設(shè)計的工作溫度范圍為-40～70 ℃，電源供電電壓在額定電壓的-30%～25%，根據(jù)GB/T 24338.4—2018《軌道交通 電磁兼容第 3-2 部分：機(jī)車車輛設(shè)備》的規(guī)定，電源輸入間斷10 ms不引起失效。此外，滿足GB/T 21563—2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》中規(guī)定的振動和抖動要求。ETBN有4個M12-D百兆接口，負(fù)責(zé)列車級數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)[7]。

為驗證ETBN的初運行功能，設(shè)計由4個ETBN組成拓?fù)?，其中ETBN1和ETBN2為1個編組且互為冗余，ETBN3和ETBN4為1個編組且互為冗余，分別在4種工況下進(jìn)行測試，驗證初運行功能、報文發(fā)送周期、TTDP HELLO幀和TTDP TOPO幀的內(nèi)容、初運行時間等[8-9]。

(1) 測試工況1。

測試工況1拓?fù)湟妶D3。

圖3 測試工況1拓?fù)?/p>

正常工況下反復(fù)上電/重啟，測試初運行功能。測試工況1下ETBN的初運行結(jié)果如圖4所示。拓?fù)渲杏?個編組，其中ETBN1和ETBN2互為冗余節(jié)點，ETBN3和ETBN4互為冗余節(jié)點。

圖4 測試工況1下ETBN的初運行結(jié)果

(2) 測試工況2。

測試工況2拓?fù)湟妶D5。

圖5 測試工況2拓?fù)?/p>

多次重復(fù)斷開/連接ETBN1和ETBN2之間的連接線，測試初運行功能。測試工況2下ETBN的初運行結(jié)果如圖6所示。在斷開圖5所示位置連接線時，ETBN1標(biāo)記為紅色，表示在拓?fù)渲衼G失，ETBN1成為孤立節(jié)點；恢復(fù)該連接線時，ETBN1重新加入到拓?fù)渲小?/p>

圖6 測試工況2下ETBN的初運行結(jié)果

(3) 測試工況3。

測試工況3拓?fù)湟妶D7。

圖7 測試工況3拓?fù)?/p>

多次重復(fù)斷開/連接ETBN2和ETBN3之間的連接線，測試初運行功能。測試工況3下ETBN的初運行結(jié)果見圖8。在斷開圖7所示位置連接線時，拓?fù)渲兄挥?個編組；恢復(fù)該連接線時，拓?fù)浠謴?fù)為2個編組。

圖8 測試工況3下ETBN的初運行結(jié)果

(4) 測試工況4。

測試工況4拓?fù)湟妶D9。

圖9 測試工況4拓?fù)?/p>

多次重復(fù)斷開/連接ETBN3和ETBN4之間的連接線，測試初運行功能。測試工況4下ETBN的初運行結(jié)果如圖10所示。在斷開圖9中所示位置連接線時，ETBN4標(biāo)記為紅色，表示該節(jié)點在拓?fù)渲衼G失，ETBN4成為孤立節(jié)點；恢復(fù)該連接線時，ETBN4重新加入到拓?fù)渲小?/p>

圖10 測試工況4下ETBN的初運行結(jié)果

通過抓包軟件分析，ETBN發(fā)出的TTDP HELLO幀、TTDP TOPO幀內(nèi)容符合IEC 61375-2-5：2014標(biāo)準(zhǔn)。TTDP TOPO幀發(fā)送周期為100 ms，超時時間為400 ms。TTDP HELLO幀正常模式下發(fā)送周期為100 ms。在測試工況3下，恢復(fù)連接線時測試ETB拓?fù)浞€(wěn)定時間小于400 ms，符合TTDP協(xié)議的要求。

5 結(jié)束語

ETB初運行是列車網(wǎng)絡(luò)初始化的關(guān)鍵步驟，主要通過TTDP協(xié)議完成。ETBN是在列車拓?fù)浒l(fā)生變化時進(jìn)行ETB初運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、跨編組訪問等功能的關(guān)鍵設(shè)備[10]。本文對TTDP協(xié)議的實現(xiàn)進(jìn)行了研究，分析了ETB初運行過程及相關(guān)算法，簡單介紹了ETBN硬件，通過設(shè)計多種測試工況下的試驗，驗證了ETBN的初運行功能。試驗表明該ETBN設(shè)備符合IEC 61375系列標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的列車級通信功能和性能。