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。
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。
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)。
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)
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
(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
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。
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)。