蘇錚
摘要:隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)、絞線式列車(chē)總線(WTB)、多功能車(chē)輛總線(MVB)、控制器局域網(wǎng)(CAN)等都已無(wú)法滿足高速列車(chē)日益發(fā)展的需求,為此,迫切需要開(kāi)發(fā)新型的列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太列車(chē)骨干網(wǎng)(ethernettrainbackbone,ETB)技術(shù)的誕生,可以滿足高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的需求。
關(guān)鍵詞:以太列車(chē)骨干網(wǎng);復(fù)興號(hào);動(dòng)車(chē)組;應(yīng)用
1以太列車(chē)骨干網(wǎng)構(gòu)架
以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)普遍采用的通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)局域內(nèi)所有計(jì)算機(jī)被連接在一條同軸電纜上,具有沖突檢測(cè)的載波感應(yīng)多處訪問(wèn)方法,采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)由共享傳輸媒體,如雙絞線電纜或同軸電纜和多端口集線器、網(wǎng)橋或交換機(jī)構(gòu)成。采用現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)的TCN等網(wǎng)絡(luò)來(lái)組成列車(chē)網(wǎng)絡(luò)和車(chē)輛網(wǎng)絡(luò),具有通信速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、互操作性好等優(yōu)點(diǎn),徹底解決了TCN等網(wǎng)絡(luò)存在的帶寬窄、速率低、互操作性差等缺點(diǎn)。
以太列車(chē)骨干網(wǎng)即列車(chē)以太骨干網(wǎng)絡(luò),是由國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-2-5《Electronicrailwayequipment--Traincommunicationnetwork(TCN)--Part2-5:Ethernettrainbackbone》規(guī)定的一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車(chē)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定了列車(chē)不同種類(lèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互用性和開(kāi)放性。ETB技術(shù)基于TCP/IP協(xié)議中ISO-OSI模型的1~4層技術(shù)和IEEE802.3以太網(wǎng)技術(shù),規(guī)定了列車(chē)以太骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,以及網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和冗余定義等。列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)最終由一條列車(chē)以太骨干網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái),其穩(wěn)定性和安全性直接決定了列車(chē)是否能夠正常運(yùn)行。
2復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組為8輛編組,采用4動(dòng)4拖編組方式,每4輛車(chē)為1個(gè)牽引單元,具體編組為:Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc。動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的列車(chē)總線采用WTB,車(chē)輛總線采用MVB,同時(shí)布設(shè)以太網(wǎng),用于列車(chē)監(jiān)控、軟件上傳和數(shù)據(jù)的下載解析。
2.1子系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)置正確性檢查
車(chē)輛的各個(gè)設(shè)備,在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)層面相當(dāng)于各個(gè)子系統(tǒng),都有自己的IP地址和MAC地址。IP地址是車(chē)輛設(shè)備唯一的動(dòng)態(tài)地址,通過(guò)SoftPerfectNetworkScanner軟件進(jìn)行掃描測(cè)試,可將整列車(chē)所有MVB連接設(shè)備的IP地址都掃描出來(lái)。例如,IP地址為10.1.1.202,代表此設(shè)備已經(jīng)連入了以太網(wǎng),可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和傳輸。
2.2動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行
動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行時(shí)基于一個(gè)特殊的協(xié)議:列車(chē)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議(TTDP)。所有的ETBNs(多個(gè)以太列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn))都需要執(zhí)行TTDP。動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行時(shí)需要為每一個(gè)組成網(wǎng)址節(jié)點(diǎn)(子網(wǎng)號(hào))及每一個(gè)以太列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)。子網(wǎng)號(hào)和列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)號(hào)用于建立列車(chē)IP地址映射、列車(chē)路由定義、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換規(guī)則及終端設(shè)備命名等。TTDP的主要目標(biāo)是計(jì)算出這些標(biāo)識(shí)符,而為了計(jì)算確定這些標(biāo)識(shí)符,TTDP構(gòu)建了兩類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?。?)物理拓?fù)洌河糜谏梢蕴熊?chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的順序和導(dǎo)向列表;列車(chē)物理拓?fù)湓谶B通性列表中被定義。物理拓?fù)淇偸请S著連接到以太列車(chē)骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的改變而更新。(2)邏輯拓?fù)洌河糜谏闪熊?chē)子網(wǎng)的順序和導(dǎo)向列表;列車(chē)邏輯拓?fù)湓诹熊?chē)網(wǎng)絡(luò)目錄中被定義。邏輯拓?fù)浒恕白泳W(wǎng)號(hào)”和“以太網(wǎng)列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)號(hào)”。動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行進(jìn)程遵循以下規(guī)則:(1)具有最低編組UUID(universallyuniqueidentifier)的編組內(nèi),以太列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(ETBN)的末端節(jié)點(diǎn),被稱(chēng)為ETBN的頂節(jié)點(diǎn)。(2)如果列車(chē)只有唯一編組,ETBN的頂節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)確定的,頂節(jié)點(diǎn)地址“ETBNID”取值為1。(3)ETBNs在ETB參考方向2時(shí)升序定義為2,最后一個(gè)被確定的ETBN是ETB的底節(jié)點(diǎn)。(4)ETB的參考方向總是指向ETBN頂節(jié)點(diǎn)。
動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行過(guò)程應(yīng)當(dāng)在所有ETBN上運(yùn)行,其過(guò)程如下:(1)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)視ETB成員的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)拓?fù)溥^(guò)程一直保持激活狀態(tài),TOPOLOGY報(bào)文從每一個(gè)ETBN由多播發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn),因此,ETBN交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)列表要隨每一次傳輸不斷更新。(2)與列車(chē)應(yīng)用程序通告并協(xié)商拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如沒(méi)有應(yīng)用程序的確認(rèn),則無(wú)法添加任何行為。(3)在應(yīng)用程序確認(rèn)之后,列車(chē)的邏輯拓?fù)浔挥脕?lái)參考以建立列車(chē)IP映圖和更新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。列車(chē)的終端設(shè)備(EDs)將被通告最新被認(rèn)可的拓?fù)?。列?chē)ETB端點(diǎn)的端口被設(shè)為阻塞狀態(tài)(discardingstate),只有HELLO報(bào)文(IEEE802.3管理幀)能被發(fā)送(使用管理MAC地址),以發(fā)現(xiàn)預(yù)期的重聯(lián)。拓?fù)涞姆€(wěn)定性基于循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)的計(jì)算。當(dāng)所有的CRC(本地的和從其他ETBN接收到的)一致時(shí),所有的ETBN分享相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.3ETBNs成員發(fā)現(xiàn)
2.3.1內(nèi)部成員發(fā)現(xiàn):
每一個(gè)ETBN不斷地嘗試探測(cè)ETB上其他的ETBNs。為了檢測(cè)其余的ETBNs,每一個(gè)ETBN周期性地發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層多播幀去其余的ETBNs。這個(gè)幀被命名為T(mén)TDPTOPOLOGY幀。在ETB的兩個(gè)方向上,鏈路聚合組被用于發(fā)送TTDPTOPOLOGY幀。當(dāng)接收到TTDPTOPOLOGY幀,ETBN應(yīng)該在交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)列表中尋找?guī)脑碝AC地址,用來(lái)探測(cè)這個(gè)幀是來(lái)自于目錄DIR1還是目錄DIR2。當(dāng)ETBN從未接收到幀,則說(shuō)明在ETB上ETBN是唯一的,在一個(gè)超時(shí)后將會(huì)聲明穩(wěn)定性。在一個(gè)超時(shí)后,沒(méi)有接收到一個(gè)特定ETBN的幀,則說(shuō)明特定的ETBN消失。兩種不同的工具用來(lái)建立:①連通性列表“連通性矢量”字段;②“ETBN矢量”字段。
2.3.2外部成員探測(cè):
一旦拓?fù)浔涣熊?chē)應(yīng)用程序認(rèn)可,“InaugInhibition”標(biāo)志位是“True”時(shí),列車(chē)末端ETB的以太網(wǎng)端口被設(shè)置為丟棄狀態(tài);只有管理幀(參考它們的目的MAC地址)被允許通過(guò)(如TTDPHELLO幀),而TTDPTOPOLOGY幀被禁止。例如,在列車(chē)重聯(lián)/ETB延長(zhǎng)時(shí),新的外部ETB成員將由周期性交換的幀檢測(cè)。這個(gè)消息被命名為T(mén)TDPHELLO幀。當(dāng)列車(chē)應(yīng)用程序允許一個(gè)新的ETB初運(yùn)行,新的成員將被添加到ETB拓?fù)?。這個(gè)幀相當(dāng)小,它們會(huì)被配置較高的發(fā)送頻率,因此能夠?qū)ζ溆嗟腅TBN出現(xiàn)或消失有較快的響應(yīng)。
2.3.3交換機(jī)端口狀態(tài)處理:
根據(jù)列車(chē)初運(yùn)行狀態(tài)和成員探測(cè),處理ETBN交換機(jī)端口狀態(tài)。尤其是描述一個(gè)末端節(jié)點(diǎn)如何從丟棄狀態(tài)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
2.3.4ETB分享:
ETB線路狀態(tài)由TTDPTOPOLOGY幀發(fā)出,被所有的ETBN分享。每一個(gè)ETBN根據(jù)從它的端口接收到的TTDPHELLO幀計(jì)算出它的線路狀態(tài)。
結(jié)論
列車(chē)骨干網(wǎng)在復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組的應(yīng)用,是高速動(dòng)車(chē)組的一個(gè)突破,打破了常規(guī)的TCN、WTB、MVB及CAN的構(gòu)架,使得車(chē)輛控制更為方便與快捷,并可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)控列車(chē)狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)
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(作者單位:北京鐵路集團(tuán)天津動(dòng)車(chē)客車(chē)段天津動(dòng)車(chē)所)