單 正 輝

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心電氣研發(fā)部，吉林 長春 130062)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為地鐵列車核心技術(shù)之一，在地鐵列車的運行和控制方面具有不可替代的作用。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的組網(wǎng)形式也在不斷演進，在以太網(wǎng)日益成熟的今天，由以太網(wǎng)構(gòu)成的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)逐漸取代了MVB加WTB所構(gòu)成的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。其不僅能夠充分發(fā)揮以太網(wǎng)大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膬?yōu)勢，滿足列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對帶寬日益增長的需求，而且滿足列車關(guān)鍵系統(tǒng)的控制功能對實時性的要求，促進時間敏感型網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

1 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)冗余

1.1 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

本項目中的美國地鐵列車每2輛車為1個編組，2個或3個編組重聯(lián)運營。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用100Base-TX以太網(wǎng)兩級總線結(jié)構(gòu)，即通過列車級以太網(wǎng)(ETB)和車輛級以太網(wǎng)(ECN)共同實現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的所有功能。ETB符合IEC 61375-2-5：2014《鐵路電子設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN) 第2-5部分: 以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)》要求，ECN符合IEC 61375-3-4：2014《鐵路電子設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN) 第3-4部分: 以太網(wǎng)組成網(wǎng)(ECN)》要求。通過ETB可以實現(xiàn)12輛車(6個編組)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重聯(lián)功能。本項目美國地鐵列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1 ETB

IEC 61375-2-5：2014標(biāo)準(zhǔn)中，ETB采用線性冗余拓撲結(jié)構(gòu)，每個ETB節(jié)點通過2根以太網(wǎng)電纜與相鄰ETB節(jié)點相連接，每個ETB節(jié)點為1個TS,2個TS之間采用虛擬路由冗余協(xié)議來進行管理，如圖2所示。

ED.終端設(shè)備；TS.列車級交換機；VMU.車輛控制單元；VS.車輛級交換機。

圖2 ETB線性冗余拓撲結(jié)構(gòu)

TS作為ETB節(jié)點可以實現(xiàn)以下功能：

(1) 軌道車輛網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(R-NAT)。TS通過使用R-NAT協(xié)議來實現(xiàn)ETB和ECN之間的地址映射。

(2) 可作為域名管理系統(tǒng)(DNS)服務(wù)器。根據(jù)IEC 61375-2-5：2014第10部分，TS將域名翻譯和解析為相應(yīng)的IP地址。

(3) 旁路功能。當(dāng)某一個TS故障時，另一個TS能自動進入旁路狀態(tài)，使其僅作為一個通路，而不影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信功能。

1.1.2 ECN

本項目中ECN采用雙向環(huán)形結(jié)構(gòu)，能夠保障環(huán)路上任何單點故障不會導(dǎo)致通信中斷。ECN環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中具有最小MAC地址的VS被定義為環(huán)路主交換機。環(huán)路主交換機被封堵1個端口以保證整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉湫谓Y(jié)構(gòu)。

圖3 ECN環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)

1.1.2.1線路中斷

如果環(huán)路中某一段線路中斷，那么環(huán)路主交換機會打開之前封閉的端口，同時激活如圖4所示的備份線路來進行通信。整個網(wǎng)絡(luò)通信的恢復(fù)時間在100 ms以內(nèi)。

圖4 線路中斷工況下的網(wǎng)絡(luò)傳輸

1.1.2.2非主交換機故障

如果環(huán)路中某一個非主交換機故障，那么環(huán)路主交換機會打開之前封閉的端口，同時激活如圖5所示的備份線路來進行通信。整個網(wǎng)絡(luò)通信的恢復(fù)時間在100 ms以內(nèi)。

圖5 非主交換機故障工況下的網(wǎng)絡(luò)傳輸

1.1.2.3環(huán)路主交換機故障

當(dāng)環(huán)路主交換機故障時，剩余正常工作的交換機中具有最小MAC地址的交換機將會成為新的環(huán)路主交換機，如圖6所示。

圖6 環(huán)路主交換機故障工況下的網(wǎng)絡(luò)傳輸

1.1.3 VMU的冗余管理

每個編組中采用2個VMU實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和冗余功能，2個VMU具有完全相同的設(shè)計。在正常工況下，帶司機室車的VMU將作為主VMU，不帶司機室車的VMU作為從VMU，如圖7所示。

圖7 正常工況下VMU工作示意圖

當(dāng)主VMU不能完成正常工作時，從VMU將成為主VMU繼續(xù)保障整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常工作，如圖8所示。如果在這期間原來的主VMU恢復(fù)了功能，也不再進行主從切換，除非當(dāng)前主VMU出現(xiàn)異常。

圖8 VMU冗余切換示意圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸類型

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的通信基于IEC 61375-2-3：2014《鐵路電子設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN) 第2-3部分：TCN通信簡介》附錄A的列車實時數(shù)據(jù)通信協(xié)議(TRDP)，每個編組內(nèi)的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 各編組內(nèi)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與子系統(tǒng)間的通信，ED必須基于TCNopen設(shè)計自己的TRDP軟件，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和所有子系統(tǒng)分包商必須使用統(tǒng)一的TRDP基線。

1.2.1 過程數(shù)據(jù)

采用UDP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間定期傳輸過程數(shù)據(jù)(PD)。為了區(qū)分PD的傳輸方向，定義了狀態(tài)數(shù)據(jù)請求(SDR)和狀態(tài)數(shù)據(jù)(SD)。其中，SDR是將過程數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)周期性發(fā)給子系統(tǒng)，SD是將過程數(shù)據(jù)包從子系統(tǒng)周期性發(fā)給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PD數(shù)據(jù)幀格式如圖10所示。

圖10 PD數(shù)據(jù)幀格式

1.2.2 消息數(shù)據(jù)

采用TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間不定期傳輸消息數(shù)據(jù)(MD)。為了區(qū)分MD數(shù)據(jù)的傳輸方向，定義了MD-PUT(消息數(shù)據(jù)推送)和MD-GET(消息數(shù)據(jù)接收)。其中，MD-PUT是將消息數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送到子系統(tǒng)，MD-GET是將消息數(shù)據(jù)包從子系統(tǒng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

MD數(shù)據(jù)幀格式如圖11所示。由于受以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀長度限制，如果MD數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分長度大于1 352 Byte，那么該數(shù)據(jù)幀將被進行拆分傳輸(圖11(b))。

圖11 MD數(shù)據(jù)幀格式

1.3 MAC地址

每個ED都有一個全球唯一的MAC地址，如果ED是雙歸屬備(ED連接到2個不同的交換機)，那么每個網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)都要有一個唯一的MAC地址。

所有的以太網(wǎng)接口都需要滿足以下要求：(1)滿足IEEE 802.3系列標(biāo)準(zhǔn)要求；(2)采用100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)；(3)雙向傳輸；(4)滿足IEC 61375-3-4：2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 網(wǎng)絡(luò)地址

IP地址和組播IP地址分配都基于IEC 61375-3-4：2014標(biāo)準(zhǔn)，采用靜態(tài)IP地址分配。本項目在每個車輛編組內(nèi)均使用A類私有IP地址。IP地址范圍為10.0.0.0～10.255.255.255，組播IP地址范圍為239.255.0.1～239.255.255.255，子網(wǎng)掩碼為255.255.240.0/20。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將以靜態(tài)配置為基礎(chǔ)，但是對于無法提供靜態(tài)IP地址的設(shè)備，比如某些攝像頭，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供DHCP服務(wù)器的功能，通過以下2種方式實現(xiàn)IP地址的動態(tài)分配：

(1) 基于端口的DHCP。適用于無法提供唯一設(shè)備ID的設(shè)備，端口是專用的，即該設(shè)備只能使用指定的端口，不能使用交換機上的其他端口。

(2) 具有option code 61的DHCP。適用于無法提供靜態(tài)IP地址但是具有唯一設(shè)備ID的設(shè)備。交換機可以通過ID來識別設(shè)備類型，因此只要是同類設(shè)備可以實現(xiàn)交換機端口互換。

1.5 PD和MD端口定義

PD和MD端口號如表1所示。

表1 PD和MD端口號

1.6 虛擬局域網(wǎng)

在一個編組內(nèi)所有VS被連接成環(huán)形，ED連接到VS上。傳統(tǒng)的共享介質(zhì)的以太網(wǎng)和交換式的以太網(wǎng)中，所有的用戶在同一個廣播域中會引起網(wǎng)絡(luò)性能的下降，浪費帶寬，而且對廣播風(fēng)暴的控制和網(wǎng)絡(luò)安全只能在第3層的路由器上實現(xiàn)。

虛擬局域網(wǎng)(VLAN)相當(dāng)于OSI參考模型的第2層的廣播域，能夠?qū)V播風(fēng)暴控制在1個VLAN內(nèi)部。劃分VLAN后，由于廣播域的縮小，網(wǎng)絡(luò)中廣播包消耗帶寬所占的比例大大降低，網(wǎng)絡(luò)的性能得到顯著提高。VLAN分為基于端口的VLAN和TAG VLAN 2種?；诙丝诘腣LAN(即屬于同一個VLAN)的端口之間才能進行通信，可通過交換機設(shè)置。TAG VLAN主要用于跨交換機的相同VLAN內(nèi)的主機之間的訪問。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀和具有VLAN TAG的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀之間的對比如圖12所示。

2 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能

2.1 列車配置

2.1.1 TTDP初運行

基于IEC 61375-2-5：2014標(biāo)準(zhǔn)的列車拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議(TTDP)負責(zé)ETB初運行，期間所有ETB節(jié)點都要執(zhí)行TTDP,通過其定義的TTDP HELLO 和TTDP TOPOLOGY兩類數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)包交換[1]。

TTDP HELLO數(shù)據(jù)幀根據(jù)鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)定義，周期性地通過靜態(tài)配置的物理線路發(fā)現(xiàn)所有的ETB節(jié)點。TTDP TOPOLOGY是基于生成樹協(xié)議IEEE 802.1D定義的多播幀，被周期性地發(fā)送到所有ETB節(jié)點的邏輯鏈路，用于檢測ETB的其他節(jié)點編號，建立物理拓撲和邏輯拓撲。按照IEC 61375-2-3：2014標(biāo)準(zhǔn)使用CSTINFO幀在ETB節(jié)點之間交換編組信息。

2.1.2 TTDP初運行觸發(fā)條件

當(dāng)檢測到以下條件之一時，開始TTDP初運行：(1)車輛上電；(2)車輛從中間車變?yōu)槎塑嚕?3)車輛從端車變?yōu)橹虚g車。

2.1.3 離線編組檢測

在正常情況下，TTDP初運行之后，當(dāng)某一個或多個ETB節(jié)點離線或離線又恢復(fù)之后，列車網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)ETB節(jié)點的離線和恢復(fù)情況采取相應(yīng)的顯示和控制策略。但在TTDP初運行之前，如果某一節(jié)點發(fā)生故障而無法參與TTDP初運行，那么列車網(wǎng)絡(luò)將不能發(fā)現(xiàn)該節(jié)點。為了保證在上述工況下列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仍能夠發(fā)現(xiàn)該節(jié)點，采用專用電路通過檢測節(jié)點電壓的方式進行節(jié)點檢測。每個編組檢測2個電壓值U1和U2，針對離線編組在整列車中的位置給出3組數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 列車配置識別(TCR)電壓值 V

如表2所示，在3個編組重聯(lián)工況下，每個編組的U1和U2由列車控制單元負責(zé)采集，并通過ETB實現(xiàn)列車級共享。如果某一個編組的U1和U2不能被檢測到，那么列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)據(jù)此可以判斷該編組已經(jīng)離線。

2.1.4 時間同步

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過GPS提供的時間和日期來實現(xiàn)時間同步，或通過顯示屏手動來實現(xiàn)時間的同步功能。當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)送給子系統(tǒng)的時間同步標(biāo)志位為“1”時，所有子系統(tǒng)使用列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供的時鐘來實現(xiàn)時間同步。具體步驟如下：

(1) 列車網(wǎng)絡(luò)主控制單元通過GPS或手動設(shè)置自身的時鐘；

(2) 列車網(wǎng)絡(luò)主控制單元將調(diào)整后的時鐘和時鐘同步標(biāo)志位一起發(fā)送給所有從控制單元；

(3) 所有從控制單元將時鐘和時鐘同步標(biāo)志位通過SDR數(shù)據(jù)發(fā)送給所有子系統(tǒng)；

(4) 所有子系統(tǒng)根據(jù)收到的時鐘和時鐘同步標(biāo)志位來同步自己的時鐘。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和所有子系統(tǒng)使用同步后的時鐘來作為故障和時間記錄的時間戳。

2.1.5 HMI顯示界面

HMI用來顯示車輛狀態(tài)、編組信息、故障診斷和時間同步等。整個顯示屏界面分為3種類型：狀態(tài)顯示界面、幫助界面和維修界面。

狀態(tài)顯示界面如圖13所示。狀態(tài)顯示界面主要顯示時鐘、車輛編組信息和當(dāng)前故障信息，并且可以通過下方的按鈕來顯示廣播、車門、制動和空調(diào)系統(tǒng)的溫度信息。當(dāng)選中某一個故障時，可點擊“HELP SCREEN”按鈕進入幫助界面來查詢故障處理提示，通過點擊“MAINTENANCE SCREEN”按鈕進入維修界面。

圖13 狀態(tài)顯示界面

幫助界面如圖14所示。幫助界面顯示詳細的故障信息和所需要采取的措施(如隔離、切除或復(fù)位有問題的設(shè)備或系統(tǒng)等)，可幫助司乘人員快速地處理故障。

圖14 幫助界面

維修界面如圖15所示。點擊狀態(tài)欄下“MAINTENANCE SCREEN”按鈕并輸入密碼可以進入維修界面。點擊屏幕上的相應(yīng)按鈕可進入不同的界面以完成與維修和調(diào)試相關(guān)的各類任務(wù)，如狀態(tài)查詢、時鐘設(shè)定及系統(tǒng)自檢等。也可以通過點擊“STATUS SCREEN”按鈕返回到狀態(tài)顯示界面。

圖15 維修界面

2.1.6 故障管理

2.1.6.1事件

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和各子系統(tǒng)需要按照事先定義的故障模板來填寫故障事件的相關(guān)信息，如故障事件的采樣頻率、采樣周期、故障等級、故障屬性和其他相關(guān)的描述性信息等。故障模板如圖16所示。

圖16 故障模板示意圖

用戶可以根據(jù)自己的需要對故障代碼、故障等級和故障屬性以及相關(guān)的故障描述進行修改，這可以使故障修改變得更加方便靈活。通過故障模板可以生成相應(yīng)的事件描述文件(EDF)，使用便攜式測試單元(PTU)上傳至列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和各子系統(tǒng)，之后列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和各子系統(tǒng)將根據(jù)EDF文件里定義的相關(guān)故障信息進行故障顯示和記錄。當(dāng)前故障通過過程數(shù)據(jù)傳輸，而故障記錄則通過消息數(shù)據(jù)來傳輸。

使用PTU或HMI軟件從列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和各子系統(tǒng)下載所記錄的故障，可以進行相應(yīng)的故障分析。

2.1.6.2Snapshot

當(dāng)故障的屬性“Snapshot”定義為“Y”,那么當(dāng)該故障發(fā)生時需要記錄相應(yīng)的環(huán)境變量。例如故障發(fā)生前5 s和故障發(fā)生后5 s的網(wǎng)壓、列車速度、牽引或制動工況等信息，并打包成一個Snapshot文件存儲在子系統(tǒng)內(nèi)，可以通過PTU來下載，所記錄的環(huán)境變量可以用來幫助分析故障的成因。用戶不需修改任何程序，只需通過使用故障模板中的信號列表(Signal list)來定義所需要記錄的環(huán)境變量。修改之后生成信號描述文件(SDF)下載到子系統(tǒng)中。當(dāng)故障發(fā)生時，子系統(tǒng)把SDF中定義的所有變量打包記錄在本系統(tǒng)中。Snapshot和SDF通過消息數(shù)據(jù)來傳輸。

3 系統(tǒng)集成測試

為了驗證列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)能夠正常通信和工作，搭建了系統(tǒng)集成測試試驗臺。硬件設(shè)備包括6個編組的所有列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實車設(shè)備和1個編組的所有子系統(tǒng)的實車控制單元，以實際電纜長度進行布線，并按照網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓撲連接在一起，最大程度地模擬真實車輛狀態(tài)，其他5個編組的子系統(tǒng)設(shè)備采用微機系統(tǒng)進行模擬。主要測試項點如下：

(1) ECN通信測試。檢查網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和子系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

(2) SDR/SD傳輸測試。檢查網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和子系統(tǒng)是否能夠正常收發(fā)過程數(shù)據(jù)。

(3) 時間同步測試。檢查子系統(tǒng)是否能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的校準(zhǔn)指令和時間來同步自己的時鐘。

(4) 安全自檢測試。檢查子系統(tǒng)是否可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送的自檢請求進行相應(yīng)的自檢，并將自檢結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(5) EDF上傳測試。檢查通過PTU軟件是否可以將EDF文件上傳至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和子系統(tǒng)。

(6) 故障和Snapshot下載測試。檢查通過PTU軟件是否能夠正確地從子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下載所需要的信息。

(7) 冗余功能測試。檢查網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和子系統(tǒng)的各項冗余措施是否能夠正常工作。

(8) 牽引/制動力分配、空壓機啟動順序、輪徑校準(zhǔn)等控制功能測試是否正確。

(9) 顯示屏功能測試。驗證所有狀態(tài)數(shù)據(jù)是否正確顯示，顯示屏發(fā)出的指令是否被相關(guān)系統(tǒng)所接收。

通過裝車調(diào)試之前的系統(tǒng)集成測試工作，可以盡早地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或子系統(tǒng)在硬件和軟件方面存在的各種問題，大大節(jié)省了裝車調(diào)試所需要的人力和時間。

4 結(jié)束語

本文通過網(wǎng)絡(luò)拓撲、通信協(xié)議架構(gòu)、冗余措施、功能描述及試驗驗證等幾個方面對應(yīng)用在美國地鐵列車上的基于全以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)項目進行了詳細分析和闡述。以太網(wǎng)技術(shù)的實時性需要不斷提高和完善，時間敏感型網(wǎng)絡(luò)正處在研發(fā)階段，相信不久的將來會得以應(yīng)用，而傳統(tǒng)的有線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最終會被飛速發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所取代。