李元軒

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)承擔(dān)著列車各類控制指令的發(fā)送、接收和處理的重要功能。近年來，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在各類高速動(dòng)車組、城軌車輛和機(jī)車車輛的應(yīng)用中普遍使用以太網(wǎng)作為信息承載的平臺(tái)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的傳輸［1］。合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以提升列車以太網(wǎng)信息傳輸?shù)目煽啃院涂捎眯浴?/p>

國內(nèi)外的列車以太網(wǎng)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)中普遍參考國際電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC（International Electro?technical Commission）發(fā) 布 的IEC 61375-2-5［2］、IEC 61375-3-4［3］標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，列車級(jí)交換機(jī)間統(tǒng)一使用線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而在車輛級(jí)交換機(jī)間網(wǎng)絡(luò)采用線形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)浠蚓哂腥哂嘣O(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，未形成統(tǒng)一的解決方案，車輛級(jí)交換機(jī)與子系統(tǒng)終端間為星形拓?fù)?，但是否有冗余線路各個(gè)實(shí)際項(xiàng)目在部署中也不盡相同。造成車輛級(jí)不統(tǒng)一的可能原因可以歸納為如下幾點(diǎn)：（1）可靠性要求不同；（2）成本要求不同；（3）施工難易程度接受能力不同；（4）安全性要求不同。除去與技術(shù)相關(guān)性不大的兩個(gè)因素，可靠性要求應(yīng)進(jìn)行更為詳細(xì)的研究與分析。列車控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)分支，可靠性計(jì)算可參考基于IEC 62439-1［4］的高可用性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)分析列車以太網(wǎng)的相關(guān)特性。文中針對(duì)列車車輛級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的各類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，討論了網(wǎng)絡(luò)可靠性的分級(jí)規(guī)則，針對(duì)主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定量分析相關(guān)可靠性，給出在工程應(yīng)用中車輛級(jí)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)建議。

1 列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆謱咏Y(jié)構(gòu)

鐵路線路與鐵路車輛在空間上都為線形結(jié)構(gòu)，在運(yùn)用過程中因列車重聯(lián)或解編組，列車控制網(wǎng)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相應(yīng)進(jìn)行改變。列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)與列車物理拓?fù)洳捎镁€形拓?fù)湓O(shè)計(jì)。車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳浑S重聯(lián)或解編過程變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為靜態(tài)。如圖1所示，IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)中，列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)ETB（Ethernet Train Backbone）為線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，列車?jí)以太網(wǎng)交換機(jī)（ETBN）之間為線形連接。車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Consist Network，ECN）的拓?fù)浞秶c列車牽引單元范圍一致，在車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)之間遵循通信協(xié)議完成通信控制功能，相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能保證同類型的多個(gè)牽引單元內(nèi)數(shù)據(jù)通信參數(shù)和協(xié)議的統(tǒng)一性，便于各類控制邏輯的編制，并得到相同的通信時(shí)延、通信帶寬等傳輸性能表現(xiàn)。

圖1 列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謱咏Y(jié)構(gòu)

2 常見車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際工程應(yīng)用中隨項(xiàng)目不同大致分為如下8種：

（1）單線形拓?fù)?/p>

單線形拓?fù)渲冈诳臻g上車輛級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)之間使用一條網(wǎng)線相連，在空間上呈現(xiàn)線形結(jié)構(gòu)，是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)。如圖2所示，交換機(jī)之間的連接為相鄰車輛，所有節(jié)點(diǎn)的空間排布在同一直線上，首尾節(jié)點(diǎn)間的通信依賴于中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為3，總體長(zhǎng)度最短，布線成本低。使用優(yōu)點(diǎn)包括：布線施工簡(jiǎn)單，整車電氣圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易；線纜長(zhǎng)度短且不同位置的線纜長(zhǎng)度差異不大，故障排查簡(jiǎn)單。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在列車車輛間以太網(wǎng)部署有廣泛應(yīng)用，可以滿足大多數(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用要求，但是隨著以太網(wǎng)用于控車數(shù)據(jù)傳輸，單線形拓?fù)涞娜秉c(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，比如：如果節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，存在單點(diǎn)故障會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸情況。

圖2 車輛級(jí)單線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（2）單環(huán)形拓?fù)?/p>

環(huán)形拓?fù)渲冈诳臻g上車輛級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)之間相連后，在空間上呈現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)，首尾節(jié)點(diǎn)相比線形拓?fù)湓黾右粭l環(huán)回線路。如圖3a和圖3b所示，交換機(jī)之間的連接為相鄰車輛或橫跨多個(gè)車輛，所有節(jié)點(diǎn)的空間排布在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?，首尾?jié)點(diǎn)間有2條鏈路可以通信，一般使用生成樹STP（Spanning Tree Protocol）協(xié)議實(shí)現(xiàn)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為6。使用優(yōu)點(diǎn)包括：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)存在2個(gè)獨(dú)立的物理通信線路，當(dāng)一路故障，可自動(dòng)切換為另一路通信，可靠性增強(qiáng)；單線路故障后，不需要外界人為干預(yù)或配置，若采用標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間一般小于30 s。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在以太網(wǎng)用于控制網(wǎng)使用的場(chǎng)景，可采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但是，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟渴鹣啾葐尉€形拓?fù)?，因存在?dú)立的通信鏈路，隨車輛級(jí)范圍擴(kuò)大，設(shè)計(jì)復(fù)雜性會(huì)增大，以4輛編組牽引單元的拓?fù)錇槔?，設(shè)計(jì)過程中需考慮2種結(jié)構(gòu)的比較，如圖3a和3b所示，圖3a環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1因最長(zhǎng)的線纜為2，優(yōu)于圖3b最長(zhǎng)線纜為3的結(jié)構(gòu)。以中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為例，單節(jié)長(zhǎng)度接近25 m，若度量長(zhǎng)度為3，線纜長(zhǎng)度接近75 m，與以太網(wǎng)規(guī)范最大傳輸距離100 m相比實(shí)際部署中距離余量小，不利于通信信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。若出現(xiàn)4輛以上構(gòu)成的牽引單元的情況，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)需詳細(xì)比選各種可能拓?fù)?，選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度較高。環(huán)網(wǎng)的工作依賴于環(huán)網(wǎng)協(xié)議，環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的身份并不是完全對(duì)等的，存在環(huán)網(wǎng)根節(jié)點(diǎn)和環(huán)網(wǎng)子節(jié)點(diǎn)的區(qū)別，兩類節(jié)點(diǎn)的離線，環(huán)網(wǎng)自愈的時(shí)間不同。若網(wǎng)絡(luò)中存在1個(gè)以上的故障節(jié)點(diǎn)或線路故障點(diǎn)，不在環(huán)網(wǎng)的自愈性考慮范圍內(nèi)。若網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)線路虛接，將有可能導(dǎo)致頻繁的環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)過程，數(shù)據(jù)可能丟失。

圖3 車輛級(jí)單環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（3）雙線形拓?fù)?/p>

雙線形拓?fù)渲冈诳臻g上車輛級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)之間使用雙線相連，在空間上呈現(xiàn)雙線線形結(jié)構(gòu)，單獨(dú)線路故障不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。如圖4所示，交換機(jī)之間的連接為相鄰車輛，所有節(jié)點(diǎn)的空間排布在直線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?，一般使用IEEE 802.1AX規(guī)定的鏈路匯聚技術(shù)（Link Aggregation）實(shí)現(xiàn)。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為6。使用優(yōu)點(diǎn)包括：相鄰車輛級(jí)交換機(jī)間存在2個(gè)獨(dú)立的通信線路，初始狀態(tài)下，2條鏈路負(fù)載均衡，各傳輸50%的數(shù)據(jù)，形成一條邏輯鏈路；當(dāng)一路故障，剩余未故障的另一路將自動(dòng)調(diào)整為傳輸全部數(shù)據(jù)，可靠性增強(qiáng)；單線路故障后，同樣不需要外界人為干預(yù)或配置，切換時(shí)間小于20 ms；若同時(shí)結(jié)合采用掉電旁路導(dǎo)通（bypass），可進(jìn)一步解決節(jié)點(diǎn)故障的鏈路中斷問題，支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)旁路導(dǎo)通；布線施工簡(jiǎn)單，整車電氣圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易；線纜長(zhǎng)度短且不同位置的線纜長(zhǎng)度差異不大，故障排查簡(jiǎn)單。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在列車車輛間用于以太網(wǎng)控車數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐負(fù)渲写嬖诎咐?，但是，若網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)線路虛接情況，將出現(xiàn)頻繁的鏈路聚合過程，這有可能將部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至失效線路，極端情況下可導(dǎo)致50%的數(shù)據(jù)丟失。

圖4 車輛級(jí)雙線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（4）單環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?/p>

單環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)渲冈诳臻g上部署單線環(huán)形拓?fù)?，子系統(tǒng)在接入交換機(jī)時(shí)采用獨(dú)立的2套物理連線接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的單線故障、子系統(tǒng)的單線故障都不會(huì)導(dǎo)致通信的丟失。如圖5所示，交換機(jī)之間的連接為相鄰車輛或本車車輛（端車），所有節(jié)點(diǎn)的空間排布在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?，使用環(huán)網(wǎng)協(xié)議組網(wǎng)工作。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為8。使用優(yōu)點(diǎn)包括：具備環(huán)網(wǎng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，且因子系統(tǒng)與交換機(jī)間為雙歸屬連接，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨笟w一化，不再存在多種跨車連接方式，便于設(shè)計(jì)，同時(shí)提升了子系統(tǒng)間的通信可用性。但是，同樣環(huán)網(wǎng)的工作依賴于環(huán)網(wǎng)協(xié)議，環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)變多，增加了交換機(jī)之間的故障概率，網(wǎng)絡(luò)層面故障的可能性有所增加。

圖5 車輛級(jí)單環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬結(jié)構(gòu)

（5）單線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?/p>

單線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)渲冈诳臻g上部署物理獨(dú)立的2套單線形拓?fù)?，子系統(tǒng)在接入交換機(jī)時(shí)采用獨(dú)立的2條物理連線接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的單線故障、單一交換機(jī)故障、子系統(tǒng)的單線故障都不會(huì)導(dǎo)致通信的丟失。如圖6所示，交換機(jī)之間的連接為相鄰車輛，所有節(jié)點(diǎn)的空間排布在2條直線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為6。使用優(yōu)點(diǎn)包括：相鄰車輛有2套獨(dú)立的交換機(jī)，交換機(jī)之間配套具備2個(gè)獨(dú)立的通信線路，兩路同時(shí)發(fā)送/接收全部數(shù)據(jù)，當(dāng)一路故障，剩余未故障的另一路仍保持傳輸全部數(shù)據(jù)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，無網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間；若同時(shí)結(jié)合采用掉電旁路導(dǎo)通（bypass），某一單路內(nèi)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)出現(xiàn)鏈路中斷，支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)旁路導(dǎo)通，仍可保證非故障節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；在雙歸屬方案中，整車網(wǎng)絡(luò)部署后線路長(zhǎng)度最短。但是，若極端情況下，網(wǎng)絡(luò)中在2條獨(dú)立鏈路中同時(shí)出現(xiàn)線路故障，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

圖6 車輛級(jí)單線平行線子系統(tǒng)雙歸屬結(jié)構(gòu)

（6）雙環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?/p>

雙環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)渲冈诳臻g上部署2套獨(dú)立的單線環(huán)形拓?fù)?，子系統(tǒng)在接入交換機(jī)時(shí)采用獨(dú)立的2條物理連線接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的單線故障、單一交換機(jī)故障、子系統(tǒng)的單線故障都不會(huì)導(dǎo)致通信的丟失。如圖7所示，交換機(jī)之間的連接為相鄰車輛或橫跨多個(gè)車輛，所有節(jié)點(diǎn)的空間排布在2個(gè)獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖?，使用環(huán)網(wǎng)協(xié)議組網(wǎng)工作。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為12。使用優(yōu)點(diǎn)包括：具備環(huán)網(wǎng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，改善了單線環(huán)網(wǎng)雙歸屬結(jié)構(gòu)共用交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的限制，任意交換機(jī)故障不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷或同一通道內(nèi)所有交換機(jī)全部癱瘓，不影響子系統(tǒng)通信。若出現(xiàn)兩通道各損壞一個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)后（非相同車輛），子系統(tǒng)之間在網(wǎng)絡(luò)中全部通信可達(dá)。但是，環(huán)網(wǎng)部署的線路仍存在較長(zhǎng)和方案多的設(shè)計(jì)限制。

圖7 車輛級(jí)雙環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬結(jié)構(gòu)

（7）雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?/p>

雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)渲冈诳臻g上部署2套獨(dú)立的雙線形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)在接入交換機(jī)時(shí)采用獨(dú)立的2條物理連線接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的單線故障、單一交換機(jī)故障、兩條線路中同時(shí)出現(xiàn)單線故障、子系統(tǒng)的單線故障都不會(huì)導(dǎo)致通信的丟失。如圖8所示，交換機(jī)之間使用2條獨(dú)立線路連接相鄰車輛，所有的節(jié)點(diǎn)的空間排布在2個(gè)獨(dú)立的雙線形拓?fù)渖?，使用鏈路聚合技術(shù)工作。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，2套獨(dú)立物理線路使得以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為12。使用優(yōu)點(diǎn)包括：?jiǎn)瓮ǖ纼?nèi)具備雙線形拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，改善了雙路斷開造成網(wǎng)絡(luò)中斷的故障，任意交換機(jī)故障，或任意交換機(jī)線路全部故障，均不影響子系統(tǒng)通信；結(jié)合旁路技術(shù)（by?pass）的使用，若出現(xiàn)兩通道各損壞一個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)后（非相同車輛），子系統(tǒng)之間在網(wǎng)絡(luò)中全部通信可達(dá)。

圖8 車輛級(jí)雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬結(jié)構(gòu)

（8）梯形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?/p>

梯形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)渲冈诳臻g上交換機(jī)之間形成梯形形狀的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)在接入交換機(jī)時(shí)采用獨(dú)立的2條物理連線接入不同的交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)的單線故障、交換機(jī)單點(diǎn)故障、梯形兩臂兩條線路中同時(shí)出現(xiàn)單線故障，子系統(tǒng)的單線故障都不會(huì)導(dǎo)致通信的丟失。如圖9所示，交換機(jī)之間使用2條獨(dú)立線路連接相鄰車輛，相同車輛內(nèi)部2個(gè)交換機(jī)之間線路相連。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長(zhǎng)度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長(zhǎng)度均為1，2套獨(dú)立物理線路和包括車內(nèi)2交換機(jī)互聯(lián)使得以太網(wǎng)線纜總長(zhǎng)度為12。使用優(yōu)點(diǎn)包括：在單環(huán)形拓?fù)涞幕A(chǔ)上通過增加交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的接線形成梯形結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)整體的連通性，任意交換機(jī)故障，或任意2臺(tái)交換機(jī)故障，均不影響子系統(tǒng)通信；結(jié)合旁路技術(shù)（bypass）的使用，可進(jìn)一步增強(qiáng)可靠性。但是，若網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)線路虛接情況，將有概率導(dǎo)致拓?fù)漕l繁切換，可導(dǎo)致50%的數(shù)據(jù)丟失；梯形拓?fù)鋮f(xié)議目前無成熟應(yīng)用案例，軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

圖9 車輛級(jí)梯形子系統(tǒng)雙歸屬結(jié)構(gòu)

3 車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性分析

車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)在不考慮子系統(tǒng)本身故障或子系統(tǒng)冗余的情況下，故障大致分為3種：交換機(jī)故障（含硬件核心故障、軟件故障、電源故障）、交換機(jī)至交換機(jī)之間線路故障（含線纜破損、線纜連接器連接故障、接口故障）、交換機(jī)與子系統(tǒng)之間線路故障（含線纜破損、線纜連接器連接故障、接口故障）。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙哂嘈缘慕嵌瓤纱笾路譃?級(jí)：

（1）無冗余。拓?fù)浒咐簡(jiǎn)尉€形拓?fù)洌?/p>

（2）單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰，但損失部分子系統(tǒng)間通信功能。拓?fù)浒咐簡(jiǎn)苇h(huán)形拓?fù)洹㈦p線形拓?fù)洌?/p>

（3）單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰，也不會(huì)損失通信功能。拓?fù)浒咐簡(jiǎn)苇h(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、單線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)洌?/p>

（4）同類型兩點(diǎn)故障（非同一車輛的2個(gè)交換機(jī)或2條線路）不會(huì)損失通信功能。拓?fù)浒咐弘p環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、梯形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)洹?/p>

平均故障間隔時(shí)間MTBF（Mean operation Time Between Failure）是相鄰2次故障間隔所需時(shí)間的數(shù)學(xué)期望，它是衡量網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要指標(biāo)，其單位為“h”。從測(cè)算的角度看，MTBF的數(shù)值越大則代表可靠性越高。

根據(jù)IEC 62439-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性計(jì)算，考慮參數(shù)如下：

N：交換機(jī)數(shù)量；

λs：交換機(jī)核心故障概率；

λsl：交換機(jī)與交換機(jī)之間線路故障概率；

λel：交換機(jī)與子系統(tǒng)之間線路故障概率；

μ：故障恢復(fù)速率；

不考慮冗余部件間的故障相關(guān)性。網(wǎng)絡(luò)平均故障間隔時(shí)間MTBF和子系統(tǒng)間通信平均故障間隔時(shí)間MTBF，計(jì)算方法見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)平均故障間隔時(shí)間MTBF與子系統(tǒng)間平均故障間隔時(shí)間MTBF計(jì)算

假設(shè)交換機(jī)無故障運(yùn)行時(shí)間為20萬h，線路無故障運(yùn)行時(shí)間為300萬h，故障平均修復(fù)時(shí)間20 h（μ=0.05）。

從列車應(yīng)用角度上看，子系統(tǒng)間通信的MTBF是最關(guān)鍵的系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，子系統(tǒng)間通信的MTBF越高，可靠性越好。車輛及交換機(jī)數(shù)量為4臺(tái)、6臺(tái)、10臺(tái)情況下各類型拓?fù)涞腗TBF的計(jì)算結(jié)果見表2~表4。進(jìn)一步對(duì)交換機(jī)數(shù)量、對(duì)各類型拓?fù)涞腗TBF計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究，可得到如圖10a、圖10b所示關(guān)系，子系統(tǒng)間通信的MTBF隨著交換機(jī)節(jié)點(diǎn)增多逐漸降低，在列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮使用更少的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)部署；具有雙歸屬設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煽啃缘燃?jí)明顯提升3至4個(gè)數(shù)量級(jí)，推薦應(yīng)用于列車控制信號(hào)的傳輸。子系統(tǒng)具有雙歸屬設(shè)計(jì)的拓?fù)浞桨钢校殡S在交換機(jī)節(jié)點(diǎn)增多中，不同拓?fù)浞桨赋尸F(xiàn)了不同的特性，雙環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、雙平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)湓诮粨Q機(jī)組數(shù)量小于6的情況下可靠性最高，高于6的情況下，梯形拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)。

表2 交換機(jī)數(shù)量N=4，MTBF計(jì)算結(jié)果

表3 交換機(jī)數(shù)量N=6，MTBF計(jì)算結(jié)果

表4 交換機(jī)數(shù)量N=10，MTBF計(jì)算結(jié)果

圖10 各類型拓?fù)涞腗TBF計(jì)算結(jié)果

4 總結(jié)

針對(duì)列車以太網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，研究了車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃詥栴}，分別分析了單線形拓?fù)?、單環(huán)形拓?fù)洹㈦p線形拓?fù)?、單環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、單線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、雙環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)?、梯形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)洌?種拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)特點(diǎn)，應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)和限制。以MTBF為量化標(biāo)準(zhǔn)，考慮了交換機(jī)數(shù)量、交換機(jī)故障率、交換機(jī)間線路故障率、交換機(jī)與子系統(tǒng)間線路故障率和故障修復(fù)時(shí)間，比較了各類拓?fù)涞目煽啃浴姆治鼋Y(jié)果上得出以下結(jié)論：

（1）子系統(tǒng)間通信的MTBF隨著交換機(jī)節(jié)點(diǎn)增多逐漸降低，在車輛級(jí)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，交換機(jī)數(shù)量應(yīng)設(shè)計(jì)的盡量少；

（2）如果使用以太網(wǎng)進(jìn)行列車控制信號(hào)的傳輸建議使用子系統(tǒng)具有雙歸屬設(shè)計(jì)的拓?fù)?，可顯著提升通信可靠性；

（3）交換機(jī)節(jié)點(diǎn)增加到一定程度后（大于6），子系統(tǒng)間通信的可靠性趨同；

（4）單線形拓?fù)渥钸m合于可靠性要求不高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如維護(hù)網(wǎng)。

在中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組（8輛編組其中4輛車為牽引單元）或城軌車輛（6輛編組其中3輛車為牽引單元）應(yīng)用場(chǎng)景中交換機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于6，若采用單環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬和單線平行線子系統(tǒng)雙歸屬方案與梯形拓?fù)淇煽啃缘陀陔p環(huán)形子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)洹㈦p平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)淇煽啃?，其中雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)淇煽啃宰罡?，推薦使用雙線平行線子系統(tǒng)雙歸屬拓?fù)洹?/p>