羅昭強(qiáng) 尚大為 韓東寧 劉利國(guó)

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司高速動(dòng)車(chē)組調(diào)試車(chē)間，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)技師)

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(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn)(WTB)、多功能車(chē)輛總線(xiàn)(MVB)、控制器局域網(wǎng)(CAN)等都已無(wú)法滿(mǎn)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)(ethernet train backbone, ETB)技術(shù)的誕生，可以滿(mǎn)足高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的需求。

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(fǎng)問(wèn)方法，采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)由共享傳輸媒體，如雙絞線(xiàn)電纜或同軸電纜和多端口集線(xiàn)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)構(gòu)架見(jiàn)圖1。

圖1 以太列車(chē)骨干網(wǎng)構(gòu)架

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)IEC 61375-2-5 《Electronic railway equipment--Train communication network (TCN)--Part 2-5: Ethernet train backbone》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IEEE 802.3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。

在列車(chē)上,ETB使用物理線(xiàn)路將有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如ETBN(以太列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn))、中繼器等連接在一起，并使用無(wú)源部件作為以太網(wǎng)的線(xiàn)纜和連接器。列車(chē)上的ETB被分為3個(gè)區(qū)域，分別為車(chē)輛內(nèi)部有源(TBN)/無(wú)源部件、連接同一編組車(chē)輛的無(wú)源部件、連接編組間無(wú)源部件(手動(dòng)/自動(dòng)車(chē)鉤)。ETB規(guī)定車(chē)輛內(nèi)部連接、同一編組車(chē)輛間連接、編組間連接都需要使用CAT5e線(xiàn)纜和M12D Coded連接器作為有源設(shè)備的連接器，采用全雙工模式，物理層之間的連接方式采用交叉的連接方式，使用以太網(wǎng)供電。

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)(見(jiàn)圖2)的列車(chē)總線(xiàn)采用WTB，車(chē)輛總線(xiàn)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(見(jiàn)圖3)。

圖2 動(dòng)車(chē)組控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 動(dòng)車(chē)組以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

每輛車(chē)上裝有以太網(wǎng)交換機(jī)(見(jiàn)圖4)，通過(guò)車(chē)輛之間的貫通線(xiàn)纜把車(chē)輛連成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口與車(chē)輛以太網(wǎng)的連接，進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。利用筆記本電腦，通過(guò)RJ45/M12線(xiàn)纜，可以連接車(chē)輛上任意一臺(tái)以太網(wǎng)主機(jī)，實(shí)時(shí)對(duì)車(chē)上帶有MVB總線(xiàn)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的下載、傳輸、監(jiān)控及上傳，對(duì)車(chē)輛子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢(xún)。

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)SoftPerfect Network Scanner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。

圖4 動(dòng)車(chē)組車(chē)輛以太網(wǎng)交換機(jī)結(jié)構(gòu)

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)洹?/p>

(1)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(universally unique identifier)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“ETBN ID”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(見(jiàn)圖5)，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)(discarding state)，只有HELLO報(bào)文(IEEE 802.3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)。

圖5 ETBN上的動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行示意圖

2.3 ETBNs成員發(fā)現(xiàn)

(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)TDP TOPOLOGY幀。在ETB的兩個(gè)方向上，鏈路聚合組被用于發(fā)送TTDP TOPOLOGY幀。當(dāng)接收到TTDP TOPOLOGY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)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TTDP HELLO幀)，而TTDP TOPOLOGY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)TDP HELLO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)。

(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)(見(jiàn)圖6)。

(4)ETB分享：ETB線(xiàn)路狀態(tài)由TTDP TOPOLOGY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TTDP HELLO幀計(jì)算出它的線(xiàn)路狀態(tài)。圖7顯示出ETBN線(xiàn)路的成員發(fā)現(xiàn)過(guò)程，它僅適用于使用線(xiàn)路進(jìn)行靜態(tài)配置狀況。

圖6 交換機(jī)端口狀態(tài)處理

圖7 ETBNs成員發(fā)現(xiàn)過(guò)程

3 以太列車(chē)骨干網(wǎng)應(yīng)用

以太列車(chē)骨干網(wǎng)可以將構(gòu)成列車(chē)編組中的骨干節(jié)點(diǎn)互相連接起來(lái)，每一個(gè)編組可有0、1或多個(gè)列車(chē)骨干節(jié)點(diǎn)，其組成網(wǎng)可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連入列車(chē)骨干中。列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)有以下兩種：

(1)激活的(Active)：這種狀態(tài)下，列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以在組成網(wǎng)和列車(chē)骨干網(wǎng)之間傳遞數(shù)據(jù)包。

(2)未激活的(Passive)：這種狀態(tài)下，列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不會(huì)在組成網(wǎng)和列車(chē)骨干網(wǎng)之間傳遞數(shù)據(jù)包。

組成網(wǎng)和列車(chē)骨干網(wǎng)間的連接應(yīng)該是冗余的，有以下兩種冗余架構(gòu)(見(jiàn)圖8)：

(1)組成網(wǎng)冗余：復(fù)制一個(gè)完整的組成網(wǎng)作為冗余，該冗余組成網(wǎng)的列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是未激活的。

(2)列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)冗余：組成網(wǎng)和列車(chē)骨干網(wǎng)至少要通過(guò)2個(gè)列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，可以將終端設(shè)備通過(guò)列車(chē)骨干節(jié)點(diǎn)直接連接到列車(chē)骨干網(wǎng)上，也可以將終端設(shè)備放到組成網(wǎng)中，之后再連接到骨干網(wǎng)。

圖8 組成網(wǎng)與列車(chē)骨干網(wǎng)連接的冗余結(jié)構(gòu)

組成網(wǎng)和列車(chē)骨干網(wǎng)的應(yīng)用可以通過(guò)一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于列車(chē)骨干網(wǎng)可采用以下技術(shù)：

(1) 列車(chē)可以使用WTB或者ETB其中的一個(gè)。

(2) 列車(chē)可以同時(shí)使用WTB和ETB，如WTB用于可操作數(shù)據(jù)，ETB用于多媒體數(shù)據(jù)。

(3) 列車(chē)可以使用多個(gè)ETB，如一個(gè)ETB用于可操作數(shù)據(jù)，另一個(gè)ETB用于多媒體數(shù)據(jù)。

(4) 列車(chē)在固定的配置(列車(chē)組之間無(wú)可操作的重聯(lián)或解編)情況下，可以忽略列車(chē)骨干網(wǎng),如果列車(chē)骨干網(wǎng)使用不同的技術(shù)(WTB或ETB)，則需要使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。

對(duì)于組成網(wǎng)，可以采用以下技術(shù)：

(1) 在一個(gè)編組中，可以使用MVB、CAN或ECN(ethernet consist network)等技術(shù)。

(2) 如果明確支持上述技術(shù)，組成網(wǎng)中MVB、CAN及ECN技術(shù)可以聯(lián)合使用。在這種情況下，組成網(wǎng)技術(shù)間的數(shù)據(jù)交換以及組成網(wǎng)和列車(chē)骨干網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換需要特別明確。

(3) 簡(jiǎn)單編組不需要組成網(wǎng)，終端設(shè)備可以直接連接到列車(chē)骨干節(jié)點(diǎn)上，或者骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的功能。

為了提供冗余，數(shù)據(jù)傳輸媒介應(yīng)該是雙重的。為了支持動(dòng)車(chē)組初運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠打斷總線(xiàn)，去接收選擇的數(shù)據(jù)傳輸方向。為了防止無(wú)效或不運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)無(wú)意識(shí)地打斷總線(xiàn)，需要提供一個(gè)作用機(jī)制。

4 結(jié)語(yǔ)

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)。