唐柳

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 湖南省株洲市 412001）

1 列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展概述

列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Networks, TCN）被譽(yù)為列車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，主要包括列車控制、車載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸以及故障診斷等功能。我國(guó)軌道交通列車的通信網(wǎng)絡(luò)主要采用多功能車輛總線（Multi-function Vehicle Bus, MVB）和絞式列車總線（Wire Train Bus, WTB）作為通信技術(shù)[1,2]。雖然這兩種總線有著較好的實(shí)時(shí)性和可靠性，但是受其通信帶寬的約束，已經(jīng)不能承載更多的列車相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。隨著軌道交通列車智能化的發(fā)展，加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備不斷增加，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來越多。旅客信息服務(wù)、視頻監(jiān)控/CCTV、視頻廣播、障礙物識(shí)別等業(yè)務(wù)需要在列車中鋪設(shè)更多的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。為了解決上述問題，需要研究新的具備確定性、實(shí)時(shí)性和大帶寬的列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)雖然能滿足大帶寬、實(shí)時(shí)性等基本要求，但是無(wú)法解決不同國(guó)家、不同廠家列車重聯(lián)運(yùn)營(yíng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重聯(lián)、智能尋址以及互聯(lián)互通問題[4]。

中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱中車株洲所）等公司從2008開始研究軌道交通列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)[6,7,8]，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、智能組網(wǎng)與重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，研制出了完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可規(guī)?；瘧?yīng)用的產(chǎn)品平臺(tái)系列。在產(chǎn)品研制過程中，中車株洲所還全程參與國(guó)際電工委員會(huì)IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的制定，并根據(jù)我國(guó)軌道交通實(shí)際的發(fā)展情況，聯(lián)合中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、中車株洲電力機(jī)車有限公司等公司制定了GB/T 28029國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、骨干網(wǎng)絡(luò)、編組網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議等完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。

本論文對(duì)基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)進(jìn)行介紹，并對(duì)該架構(gòu)中最難的列車重聯(lián)初運(yùn)行部分進(jìn)行了重點(diǎn)分析，為我國(guó)軌道交通企業(yè)開發(fā)以及應(yīng)用基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)提供參考。

2 列車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

IEC 61375是全球應(yīng)用最廣泛的列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)[9]。標(biāo)準(zhǔn)定義了列車通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，如圖1所示。其中，編組單元是指一個(gè)或者多個(gè)車輛形成一個(gè)固定組成，在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司或者地鐵公司運(yùn)營(yíng)過程中，編組單元不能被拆解成更小的單元獨(dú)立運(yùn)行。列車通信網(wǎng)絡(luò)由骨干網(wǎng)、編組網(wǎng)兩個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)組成。編組網(wǎng)是編組單元內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)編組單元可以有一個(gè)或者多個(gè)編組網(wǎng)。列車骨干網(wǎng)是編組網(wǎng)絡(luò)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，編組單元之間可以有一個(gè)或者多個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)。

圖1：列車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2：兩個(gè)編組單元構(gòu)建新的重聯(lián)列車示意圖

3 列車重聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行

我國(guó)軌道交通的運(yùn)輸流量變化很大，特別在春節(jié)等節(jié)日期間。運(yùn)營(yíng)公司在滿足運(yùn)量需求時(shí)，還需要節(jié)約能耗，降低成本。列車重聯(lián)是將固定的編組單元通過車鉤連掛在一起，動(dòng)態(tài)地組成一列新的列車，從而靈活地提高運(yùn)營(yíng)公司資源調(diào)度能力。在重聯(lián)過程中，編組網(wǎng)通過車鉤連接器連接在一起。由于編組網(wǎng)在列車制造出廠時(shí)往往采用相同的配置參數(shù)，連接在一起之后將由于地址沖突等原因無(wú)法通信。因此，列車重聯(lián)時(shí)，編組網(wǎng)需要根據(jù)編組在新列車中的位置，重新計(jì)算配置參數(shù)，這個(gè)過程稱為網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行?；趯?shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行通過各個(gè)編組網(wǎng)的骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(Ethernet Train Backbone Node，ETBN)進(jìn)行。

如圖2所示，編組X和編組Y是可以獨(dú)立運(yùn)行的兩個(gè)編組單元，需要通過圖中的重聯(lián)連接器進(jìn)行重聯(lián)運(yùn)行。編組X有三個(gè)ETBN節(jié)點(diǎn)，分別為節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C。編組X和編組Y的前進(jìn)方向都是DIR1，反向?yàn)镈IR2。

編組X和編組Y的重聯(lián)初運(yùn)行主要過程包括拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)以及統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)尋址階段。

3.1 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)

圖3：骨干網(wǎng)的TOPOLOGY幀結(jié)構(gòu)

圖4：連接矢量

圖5：ETBN矢量

骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)C和D通過重聯(lián)連接器的以太網(wǎng)線纜連接在一起，以組播方式周期性地發(fā)送列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議(Train Topology Discovery Protocol, TTDP)拓?fù)鋷?TOPOLOGY)，將自身以及鄰居ETBN節(jié)點(diǎn)信息通知給所有其他ETBN節(jié)點(diǎn)。TOPOLOGY幀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

TOPOLOGY幀中的ETB類型/長(zhǎng)度/值(LTV)中包含了骨干網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，并構(gòu)建出連接矢量和ETBN矢量，分別如圖4和圖5所示。

ETBN節(jié)點(diǎn)通過TOPOLOGY幀的編組網(wǎng)(Consist Network, CN)的LTV計(jì)算出列車網(wǎng)絡(luò)索引，如圖6所示。

根據(jù)ETBN拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的計(jì)算結(jié)果，圖2編組X和編組Y的初運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。其中，編組X的ETBN節(jié)點(diǎn)A、B、C組成了子網(wǎng)2個(gè)編組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)A和B作為熱備冗余節(jié)點(diǎn)連接在子網(wǎng)id為1的同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)；節(jié)點(diǎn)C連接在子網(wǎng)id為2的子網(wǎng)內(nèi)。假設(shè)列車重聯(lián)后的運(yùn)行方向?yàn)镈IR1(可以由駕駛臺(tái)鑰匙等決定)，對(duì)比編組X重聯(lián)之前的DIR1和DIR2兩個(gè)方向，編組方向與重聯(lián)列車的運(yùn)行方向一致。編組Y的ETBN節(jié)點(diǎn)D和E分別構(gòu)成2個(gè)編組網(wǎng)。對(duì)比編組Y的DIR1和DIR2兩個(gè)方向，編組方向與重聯(lián)列車的運(yùn)行方向相反。

另一方面，初運(yùn)行根據(jù)端節(jié)點(diǎn)A和端節(jié)點(diǎn)D的地址大小關(guān)系，確定A節(jié)點(diǎn)為重聯(lián)列車的頂節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)與A節(jié)點(diǎn)的連接位置關(guān)系依次編號(hào)1~5。

3.2 統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)尋址

如圖8所示，兩個(gè)獨(dú)立編組通過重聯(lián)構(gòu)建了新的列車。ETBN編號(hào)為2的編組中有一個(gè)主控設(shè)備和顯示器，出廠時(shí)配置的編組網(wǎng)內(nèi)地址分別為10.0.1.1和10.0.1.2。ETBN編號(hào)為3的編組也有主控設(shè)備和顯示器，出廠時(shí)配置的IP地址和另一個(gè)編組相同。

在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段，ETBN節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算，為每個(gè)編組子網(wǎng)分配全列車唯一的id，并為編組內(nèi)各個(gè)設(shè)備分配列車級(jí)的通信地址，譬如編號(hào)為2的ETBN節(jié)點(diǎn)為主控設(shè)備分配的列車級(jí)地址為10.2.1.1。編號(hào)為3的ETBN節(jié)點(diǎn)則為編組內(nèi)的主控設(shè)備分配列車級(jí)地址為10.3.1.1，顯示器設(shè)備分配列車級(jí)地址為10.3.1.2。

假設(shè)地址為10.3.1.2的顯示器要和地址為10.2.1.1的主控設(shè)備進(jìn)行跨編組通信，即使顯示器得到了主控設(shè)備的列車級(jí)地址，但是顯示器的應(yīng)用功能并不知道10.2.1.1這個(gè)設(shè)備就是需要進(jìn)行通信的目標(biāo)設(shè)備。為了解決這個(gè)問題，需要采用統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)(Universal Resource Identification, URI)進(jìn)行智能尋址。

圖6：列車網(wǎng)絡(luò)索引

圖7：兩個(gè)編組列車重聯(lián)結(jié)果示意圖

圖8：編組網(wǎng)ID和通信地址關(guān)系

圖9：URI與IP地址映射

在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)結(jié)束以后，需要進(jìn)行跨編組通信的設(shè)備從編組內(nèi)ETBN獲取列車拓?fù)湫畔?，包括編組id等，然后根據(jù)id等信息，構(gòu)建出自身的URI。資源標(biāo)識(shí)的統(tǒng)一形式如：devLabel.vehLabel.cstLabel。其中，devLabel為設(shè)備標(biāo)簽，vehLabel表示設(shè)備所處車輛標(biāo)簽，這兩個(gè)標(biāo)簽已經(jīng)固定配置在編組內(nèi)。cstLabel表示設(shè)備所處編組標(biāo)簽，這與初運(yùn)行的拓?fù)溆?jì)算強(qiáng)相關(guān)。如圖9所示，ETBN編號(hào)為2的編組的主控模塊(Vehicle Control Module, VCM)設(shè)備，其設(shè)備標(biāo)簽可命名為devVCM，假設(shè)該設(shè)備被安裝在1號(hào)車輛內(nèi)，車輛標(biāo)簽為veh01。而根據(jù)初運(yùn)行拓?fù)溆?jì)算結(jié)果，設(shè)備所處編組標(biāo)簽命名為cst02，表示列車網(wǎng)絡(luò)方向第二個(gè)編組。由此可知，該設(shè)備的URI為devVCM.veh01.cst02。

需要跨編組通信的設(shè)備在生成URI以后，將URI信息發(fā)送給ETBN，構(gòu)建跨編組通信智能尋址數(shù)據(jù)庫(kù)。

當(dāng)列車級(jí)地址為10.3.1.2的顯示器需要與列車級(jí)地址為10.2.1.1的主控設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，顯示器項(xiàng)ETBN #3發(fā)送地址解釋申請(qǐng)，要求獲得devVCM.veh01.cst02這個(gè)URI對(duì)應(yīng)的列車級(jí)通信地址。ETBN #3在智能尋址數(shù)據(jù)庫(kù)中將devVCM.veh01.cst02對(duì)應(yīng)的列車級(jí)通信地址10.2.1.1反饋給顯示器。

顯示器將10.2.1.1作為目標(biāo)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)在到達(dá)ETBN #2以后，將目標(biāo)地址進(jìn)行變換，更改為編組內(nèi)的地址10.0.1.1，從而實(shí)現(xiàn)跨編組實(shí)時(shí)通信。

4 總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行是列車重聯(lián)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，也是列車通信網(wǎng)絡(luò)需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。本文著重分析了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車重聯(lián)網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣ⅰ⒃O(shè)備URI智能尋址規(guī)范。基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車重聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)范不同廠商ETBN節(jié)點(diǎn)之間的初運(yùn)行一致性，保證了列車重聯(lián)運(yùn)行的互聯(lián)互通和通信的實(shí)時(shí)性。