師 帥

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司 運(yùn)營分公司，陜西 西安 710000)

隨著我國軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，利用工業(yè)以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)是目前軌道車輛通信研究的熱點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(不低于100 Mbit/s，甚至達(dá)到1 000 Mbit/s)和帶寬，并具有組網(wǎng)靈活、可靠性高、便于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，使大量信息傳輸、智能診斷、故障精確定位、專家診斷等功能成為可能，為支撐多業(yè)務(wù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)開辟了新的途徑，并將徹底改變既有地鐵列車多個(gè)業(yè)務(wù)多種網(wǎng)絡(luò)混雜使用的現(xiàn)狀。

隨著地鐵列車運(yùn)營要求的提高，目前地鐵列車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式是同時(shí)配置多套彼此分離的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如列車控制網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、專家診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、乘客信息系統(tǒng)(PIS系統(tǒng))傳輸網(wǎng)絡(luò)與多媒體網(wǎng)絡(luò)、列車廣播系統(tǒng)(PA系統(tǒng))傳輸網(wǎng)絡(luò)與多媒體網(wǎng)絡(luò)以及其他基于以太網(wǎng)通信的子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(如走行部監(jiān)測(cè)內(nèi)網(wǎng)、車門內(nèi)部通信網(wǎng))等。多套彼此分離的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)加大了列車通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，使得列車設(shè)計(jì)、運(yùn)營、維護(hù)成本大幅度增加，因此，將多套彼此分離的車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、多媒體網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)等多網(wǎng)合一，組建成一個(gè)整車一體化以太網(wǎng)數(shù)據(jù)大動(dòng)脈，可提高以太網(wǎng)設(shè)備利用率，為健康診斷系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建車載平臺(tái)基礎(chǔ)，對(duì)地鐵列車控制、大數(shù)據(jù)應(yīng)用具有重要的意義。西安市軌道交通集團(tuán)有限公司對(duì)此開展了相關(guān)的技術(shù)方案研究與論證，以期為未來地鐵列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的推廣提供技術(shù)參考。

1 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)方案介紹

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)主要是指對(duì)各系統(tǒng)的以太網(wǎng)進(jìn)行融合，多網(wǎng)融合以太網(wǎng)系統(tǒng)具有高帶寬、高實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)，可提升列車的可靠性、可維護(hù)性、可監(jiān)控性，有效降低列車運(yùn)營、管理、維修的難度，支撐日益增加的列車智能化、大數(shù)據(jù)等多元化業(yè)務(wù)需求。多網(wǎng)融合以太網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 整車以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)功能。能夠?yàn)楦髯酉到y(tǒng)微機(jī)控制單元提供一致的維護(hù)介質(zhì)，各單元通過以太網(wǎng)交換機(jī)組成列車局域網(wǎng)。各網(wǎng)融合以太網(wǎng)上設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)的高速服務(wù)接口(以太網(wǎng)接口)，在每列車司機(jī)室內(nèi)維修人員容易接近的位置設(shè)2個(gè)以太網(wǎng)接口。列車維修人員使用筆記本電腦通過以太網(wǎng)接口連接到多網(wǎng)融合以太網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)與連接到本地以太網(wǎng)接口完全相同的功能。使用各系統(tǒng)供應(yīng)商提供的維護(hù)軟件對(duì)相應(yīng)的列車設(shè)備進(jìn)行維護(hù)操作，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，軟件裝載，讀取設(shè)備的狀態(tài)信息、過程數(shù)據(jù)和所儲(chǔ)存的信息。

(2) PIS系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)與多媒體網(wǎng)絡(luò)、PA系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)與多媒體網(wǎng)絡(luò)功能。在不額外增加以太網(wǎng)硬件的基礎(chǔ)上建立整車音視頻數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)以及內(nèi)部控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制信息及多媒體數(shù)據(jù)的交互功能。

(3) 以太網(wǎng)信息網(wǎng)功能。多網(wǎng)融合以太網(wǎng)為整車搭建以太網(wǎng)信息網(wǎng)，為各子系統(tǒng)的以太網(wǎng)維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸提供有線傳輸通道；LTE(長期演進(jìn))接入融合以太網(wǎng)，為各子系統(tǒng)的以太網(wǎng)維護(hù)數(shù)據(jù)上傳提供無線傳輸通道；列車數(shù)據(jù)采集單元通過多網(wǎng)融合以太網(wǎng)收集各子系統(tǒng)的以太網(wǎng)維護(hù)數(shù)據(jù)，并通過LTE通道傳輸至地面相關(guān)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)列車以太網(wǎng)信息網(wǎng)功能，并為列車智能運(yùn)維、大數(shù)據(jù)收集提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(4) 子系統(tǒng)內(nèi)部控制網(wǎng)功能。替代車載子系統(tǒng)原有的以太網(wǎng)內(nèi)部控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)(例如邏輯控制單元、走行部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車門控制單元等)內(nèi)部各控制單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

Tc.帶司機(jī)室的拖車；Mp.帶受電弓的動(dòng)車；M.動(dòng)車；CCU.中央控制單元；ERM.數(shù)據(jù)記錄單元；HMI.人機(jī)接口單元；BCU.制動(dòng)控制單元；FAS.煙火系統(tǒng)；TDS.走行部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；PIS.乘客信息系統(tǒng)；SM.超級(jí)管理接口；BMS.蓄電池管理系統(tǒng)；EDCU.車門控制單元；DCM.數(shù)據(jù)采集單元；SIV.輔助控制單元；ACU.空調(diào)控制單元；ATRP.列車?yán)走_(dá)防護(hù)單元；ACU-C.司機(jī)室的空調(diào)控制單元；CCU-D.牽引記錄單元；PMS.受電弓監(jiān)控系統(tǒng)；DCU.牽引控制單元；CAM.網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

如圖1所示，Tc車的CCU、ERM、HMI、BCU、FAS、TDS、PIS、SIV、ACU等設(shè)備，Mp車的ACU、PMS、TDS、EDCU、DCU等設(shè)備，M車的ACU、SIV、EDCU、DCU等設(shè)備均接入千兆交換機(jī)的百兆網(wǎng)口。PIS、TDS接入到本車的主干交換機(jī)上，其車與車之間系統(tǒng)內(nèi)部的主機(jī)不再需要原來的線纜進(jìn)行連接，其系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸都是通過列車主干網(wǎng)來進(jìn)行的。考慮到PIS系統(tǒng)及其余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，在帶寬設(shè)計(jì)上搭建的是一個(gè)千兆的列車以太骨干網(wǎng)。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，按照可靠性設(shè)計(jì)要求，列車網(wǎng)絡(luò)采用了環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，所有交換機(jī)均通過跨接方式相連，在主線路斷開的情況下，可以快速切換至備份鏈路，保證數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定傳輸[1]。所謂環(huán)網(wǎng)是指交換機(jī)的連接方式為一個(gè)環(huán)，其中一臺(tái)交換機(jī)被設(shè)定成主交換機(jī)，其他交換機(jī)為從交換機(jī)。主交換機(jī)會(huì)決定這個(gè)環(huán)行拓?fù)渲衅渲幸欢螢閭浞萱溌?，正常情況下備份鏈路并不傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中線路發(fā)生斷開的情況下，備份鏈路會(huì)快速打開，保證數(shù)據(jù)可以繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信[2]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通過下文幾種主要技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)流量的控制和規(guī)劃，建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，同時(shí)為以后業(yè)務(wù)的擴(kuò)展和接入預(yù)留空間。

3.1 端口廣播流量限制

通過設(shè)置交換機(jī)來限制廣播數(shù)據(jù)包在交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)，從而限制廣播數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳播和擴(kuò)散，避免出現(xiàn)廣播數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中大量復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

3.2 端口速率限制

通過設(shè)置端口的通信速率來控制端口上的流量總數(shù)，屏蔽端口非業(yè)務(wù)流量的流量總數(shù)，保證正常業(yè)務(wù)能夠取得合理的帶寬以及高優(yōu)先級(jí)別。交換機(jī)能夠設(shè)置端口速率的基礎(chǔ)單位為該端口速率的5%。例如：對(duì)于提供重要行車數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，通過對(duì)其接入端口數(shù)據(jù)流設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)，并對(duì)其他低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行限制，確保該系統(tǒng)數(shù)據(jù)流取得合理的帶寬，從而保障其正常傳輸。

3.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)設(shè)置

QoS是網(wǎng)絡(luò)流量控制設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，它可以通過對(duì)業(yè)務(wù)流量或者端口的敏感度來劃分優(yōu)先級(jí)別，保證重要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。依據(jù)當(dāng)前項(xiàng)目規(guī)劃，將PIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，TDS系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為中級(jí)，專家診斷系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為較低。

3.4 VLAN劃分

通過VLAN劃分能夠抑制過多廣播包應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，把相關(guān)業(yè)務(wù)終端劃分在同一個(gè)VLAN中，保證廣播包業(yè)務(wù)在本VLAN中傳播，不占用整體網(wǎng)絡(luò)帶寬。

以Tc1車為例介紹VLAN劃分，交換機(jī)設(shè)置4個(gè)VLAN區(qū)域。維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、PIS系統(tǒng)、TDS系統(tǒng)各設(shè)置在3個(gè)不同的VLAN，用于外部設(shè)備接入列車網(wǎng)絡(luò)以訪問列車維護(hù)數(shù)據(jù)的端口設(shè)置為獨(dú)立的VLAN。

可以根據(jù)需要設(shè)置VLAN ID，一般設(shè)置為10、20、30、40等，而交換機(jī)上未被占用的網(wǎng)口，將其VLAN ID設(shè)置為1。不同設(shè)備的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)不同的VLAN在限定的區(qū)域中進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而作為級(jí)聯(lián)用的以太網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)口，設(shè)置為通道模式，允許跨設(shè)備訪問所有的VLAN。

3.5 安全規(guī)劃

需對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流走向提出需求，例如允許或拒絕訪問的要求，超級(jí)管理接口的設(shè)置等。只可以通過指定的便攜式測(cè)試單元(PTU)接入設(shè)置的超級(jí)管理接口，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行訪問。圖2為以太網(wǎng)VLAN安全規(guī)劃示意圖，假設(shè)將端口 1(VLAN100)設(shè)置為超級(jí)管理接口，接入端口1的PTU可以訪問VLAN20和VLAN30的所有設(shè)備，但是VLAN20和VLAN30的設(shè)備不能互訪。VLAN20和VLAN30的設(shè)備互訪可通過在防火墻配置文件中設(shè)置規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。

圖2 以太網(wǎng)VLAN安全規(guī)劃示意圖

3.6 流量控制

流量控制能夠確保交換機(jī)在存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制下，在網(wǎng)絡(luò)中有短時(shí)間流量突發(fā)或者流量井噴時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)不重發(fā)不丟包的數(shù)據(jù)傳輸，保證正常業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)通信。例如：在PIS系統(tǒng)中，多臺(tái)攝像頭同時(shí)向一個(gè)終端短時(shí)發(fā)送大量數(shù)據(jù)流，由于超出終端對(duì)應(yīng)交換機(jī)端口的最大轉(zhuǎn)發(fā)速率，當(dāng)該端口接收隊(duì)列溢出時(shí)，多出的數(shù)據(jù)將會(huì)被丟棄。通過交換機(jī)的流量控制功能，提前對(duì)攝像頭對(duì)應(yīng)交換機(jī)端口發(fā)送消息控制傳輸速率，可避免上述情況的出現(xiàn)。

4 硬件支持

西安地鐵智慧列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)方案的硬件配置如表1所示(以6輛編組列車為例)。

表1 西安地鐵智慧列車多網(wǎng)融合以太 網(wǎng)技術(shù)方案的硬件配置 臺(tái)

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)線纜的選取條件是：

(1) 工業(yè)百兆網(wǎng)線通常采用4芯網(wǎng)線，絞合方式為4芯中心絞合；工業(yè)千兆網(wǎng)線采用8芯網(wǎng)線，絞合方式為兩兩雙腳在中心絞合。

(2) 工業(yè)網(wǎng)線通常采用屏蔽網(wǎng)線，百兆4芯網(wǎng)線通常采用外層整體屏蔽(鋁箔加銅網(wǎng))，千兆8芯網(wǎng)線每2根線采用鋁箔屏蔽，再外層整體進(jìn)行屏蔽(鋁箔或者銅網(wǎng))。

(3) 千兆網(wǎng)線為滿足千兆傳輸要求，在電氣性能方面要求較高，以保證在數(shù)據(jù)高速傳輸過程中不因外部或者內(nèi)部的干擾導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降。

在列車整合網(wǎng)絡(luò)中，骨干級(jí)網(wǎng)絡(luò)接口為千兆端口，各子系統(tǒng)接入口為百兆端口。百兆交換機(jī)口接口采用M12-D-Coding連接器(圖3)，千兆交換機(jī)口接口采用M12-X-Coding連接器(圖4)。

圖3 M12-D-Coding連接器

圖4 M12-X-Coding連接器

5 應(yīng)用部署

5.1 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過列車網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)車輛主要設(shè)備的管理、列車運(yùn)行信息的采集、列車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和故障診斷，實(shí)現(xiàn)列車安全可靠的運(yùn)行，同時(shí)也為司機(jī)或機(jī)械師提供列車操作幫助并為維修任務(wù)提供集中支持[3]。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)會(huì)影響到列車的運(yùn)行，必須保證數(shù)據(jù)安全可靠，在多網(wǎng)融合以太網(wǎng)中劃分到獨(dú)立的VLAN中，QoS優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，數(shù)據(jù)傳輸采用IEC 61375-2-3：2015《鐵路電氣設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò) 第2-3部分：TCN通信簡(jiǎn)介》中定義的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)過程數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)，即TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過TRDP過程數(shù)據(jù)發(fā)送，使用的UDP端口號(hào)為17224。TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖5所示，具體含義如下：

圖5 TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文格式

(1) 序號(hào)計(jì)數(shù)器為報(bào)文的序號(hào)，每發(fā)送1個(gè)報(bào)文，計(jì)數(shù)器加1。

(2) 協(xié)議版本為報(bào)文協(xié)議的版本號(hào)。

(3) 通信模式為推模式標(biāo)識(shí)。

(4) 通信端口標(biāo)識(shí)為通信端口號(hào)。

(5) 列車靜態(tài)拓?fù)湫蛄惺怯糜跇?biāo)識(shí)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男蛄?，隨列車網(wǎng)絡(luò)組成不同而改變,編組內(nèi)通信，固定為0。

(6) 列車運(yùn)行拓?fù)湫蛄惺怯糜跇?biāo)識(shí)運(yùn)行狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男蛄?，隨列車運(yùn)行方向不同而改變,編組內(nèi)通信，固定為0。

(7) 應(yīng)用數(shù)據(jù)長度為實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)的長度，不包括報(bào)文首部。

(8) 保留為保留字段，用于后續(xù)擴(kuò)展，目前固定為0。

(9) 應(yīng)答數(shù)據(jù)通信端口標(biāo)識(shí)是在拉模式通信情況下，應(yīng)答數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)耐ㄐ哦丝跇?biāo)識(shí)；推模式下為0。

(10) 應(yīng)答數(shù)據(jù)通信IP地址是在拉模式通信情況下，應(yīng)答數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)哪康亩说腎P地址；推模式下為0。

(11) 首部校驗(yàn)和為過程數(shù)據(jù)報(bào)文首部校驗(yàn)和。

(12) 應(yīng)用數(shù)據(jù)為實(shí)際填充的應(yīng)用數(shù)據(jù)(0～1 400 Byte)。

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)子系統(tǒng)設(shè)備控制器的IP部署方案如表2所示。

表2 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)子系統(tǒng)設(shè)備控制器的IP部署方案

5.2 PIS及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)

PIS以及其他子系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有非實(shí)時(shí)性需求，將它們分別劃分至各自VLAN中，并限定端口收發(fā)速率，多網(wǎng)融合以太網(wǎng)為其提供物理傳輸通道。多網(wǎng)融合以太網(wǎng)支持的傳輸標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表4 多網(wǎng)融合以太網(wǎng)支持的傳輸標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)束語

目前，適用于西安地鐵智慧列車的基于工業(yè)以太網(wǎng)的地鐵列車多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)方案已經(jīng)論證通過，獲得了專家一致的認(rèn)可及高度評(píng)價(jià)，后續(xù)將繼續(xù)完成裝車運(yùn)營測(cè)試，驗(yàn)證通過后，將作為新型列車的原型車在西安地區(qū)進(jìn)行普及。

多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，為西安地鐵線網(wǎng)級(jí)智能運(yùn)維集成平臺(tái)的搭建提供了一種集成化解決方案，為未來的列車運(yùn)營維護(hù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建提供了車載數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)，整體提升了列車運(yùn)維的智能化程度，列車運(yùn)維數(shù)據(jù)的積累有助于未來修程修制的優(yōu)化升級(jí)，可提供數(shù)據(jù)庫支持[4]；同時(shí)多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，有利于優(yōu)化車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)及車輛減重，提升運(yùn)營及維修維護(hù)效率，提高列車的可靠性，保障列車的安全高效運(yùn)營。