薛樹坤

(中車青島四方車輛研究所有限公司 山東 青島 266011)

0 引言

目前，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要采用絞線式列車總線/多功能車輛總線(WTB/MVB)通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行列車控制數(shù)據(jù)的傳輸。由于帶寬限制，無法及時(shí)傳輸列車信息服務(wù)數(shù)據(jù)以及列車狀態(tài)、診斷、維護(hù)等信息，無法滿足列車控制與信息服務(wù)一體化的業(yè)務(wù)需求，影響列車的可維護(hù)性和可用性。

工業(yè)以太網(wǎng)具有大帶寬、高實(shí)時(shí)性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向?；诠I(yè)以太網(wǎng)的新型列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)列車控制網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，確保滿足列車控制系統(tǒng)的功能、性能以及安全需求，可更好地支持后續(xù)智能化業(yè)務(wù)發(fā)展。在基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(ETBN)能夠替代WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，快速地建立起一個(gè)可靠的列車通信網(wǎng)絡(luò)，是下一代列車網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。當(dāng)前，國內(nèi)外公司均在開發(fā)遵循IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的ETBN。因IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61375-2-3標(biāo)準(zhǔn)在近年完成制訂，故各廠家開發(fā)的ETBN尚未大規(guī)模應(yīng)用于以太網(wǎng)控車。國外的公司中，Unicontrol公司推出了基于IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的ETBN設(shè)備；國內(nèi)的鐵科院和中國中車均已完成ETBN的研制[1]。目前，ETBN已在時(shí)速250 km 的CR300復(fù)興號(hào)動(dòng)車組項(xiàng)目中裝車應(yīng)用。

1 ETBN功能簡(jiǎn)介

1.1 以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)初運(yùn)行

以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)(ETB)網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行生成列車網(wǎng)絡(luò)索引，完成以太網(wǎng)動(dòng)態(tài)配置，并根據(jù)相應(yīng)列車級(jí)以太網(wǎng)拓?fù)渥兓?，給每個(gè)ETBN分配列車級(jí)以太網(wǎng)地址，建立ETB數(shù)據(jù)通信。

在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)初始化的過程中，所有接入ETB的ETBN設(shè)備，通過列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議(TTDP)報(bào)文確定在整個(gè)列車以太網(wǎng)中接入的編組網(wǎng)數(shù)量及子網(wǎng)數(shù)量，以此形成列車級(jí)IP映射、列車路由配置、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換規(guī)則和終端命名等信息；通過列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議(TRDP)在ETBN間交互編組信息；控制端通過TRDP協(xié)議控制以太網(wǎng)初始化過程。

ETB初運(yùn)行主要通過TTDP來實(shí)現(xiàn)。在初始化階段進(jìn)行ETBN的初始化配置、鏈路聚合、禁止路由、啟動(dòng)TTDP協(xié)議等。進(jìn)入未初運(yùn)行階段，開始進(jìn)行HELLO幀和拓?fù)鋷氖瞻l(fā)，并建立物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?，同時(shí)管理鏈路狀態(tài)。當(dāng)ETB拓?fù)溆?jì)數(shù)器有效或者節(jié)點(diǎn)恢復(fù)，進(jìn)入到準(zhǔn)備初運(yùn)行階段，否則繼續(xù)處于未初運(yùn)行階段處理報(bào)文。在準(zhǔn)備初運(yùn)行階段，通告列車應(yīng)用，繼續(xù)建立物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?，如果沒有禁止初運(yùn)行，則進(jìn)入到已初運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置ETB拓?fù)溆?jì)數(shù)器，設(shè)置IP映射和服務(wù)，啟動(dòng)路由功能，啟動(dòng)TCN初運(yùn)行并通告列車應(yīng)用。在此狀態(tài)下，如果發(fā)生了新的初運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致ETB拓?fù)溆?jì)數(shù)器無效，則進(jìn)入到未初運(yùn)行狀態(tài)，并且禁止路由、停止IP映射和服務(wù)、通告列車應(yīng)用[2]。

1.2 應(yīng)用初始化

ETB網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行完成后， ETB控制服務(wù)提供者(ECSP)進(jìn)行應(yīng)用初始化。 應(yīng)用初始化基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)初始化的結(jié)果， 收集編組信息， 進(jìn)行列車索引和列車操作索引計(jì)算， 并將計(jì)算結(jié)果存入列車拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫。 ECSP識(shí)別主控操作指令， 進(jìn)行以太網(wǎng)應(yīng)用初始化。 應(yīng)用初始化包括節(jié)點(diǎn)排序、 方向識(shí)別、 主控車識(shí)別等， 應(yīng)用初始化完成后建立列車拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫。

列車拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫(TTDB)由編組信息、列車網(wǎng)絡(luò)索引、列車操作索引、列車索引組成，如圖1所示，存放了與實(shí)際列車組成和實(shí)際ETB狀態(tài)相關(guān)的所有信息。編組信息包括每個(gè)編組的詳細(xì)描述，ETB初運(yùn)行之后在編組信息(CSTINFO)報(bào)文中發(fā)送，包括編組提供的功能列表和列車通信網(wǎng)絡(luò)-域名服務(wù)器(TCN-DNS)，以及為實(shí)現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡(luò)-統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符(TCN-URI)地址解析所需的所有編組信息。列車網(wǎng)絡(luò)索引是ETB列車初運(yùn)行結(jié)果，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋觯珽TB拓?fù)溆?jì)數(shù)器(etbTopoCnt)是列車網(wǎng)絡(luò)索引的唯一標(biāo)識(shí)。列車索引包括在ETB上已發(fā)現(xiàn)的所有編組的有序列表。列車操作索引在列車索引的基礎(chǔ)上，增加了主控車和校正信息。當(dāng)列車索引發(fā)生改變，或用戶請(qǐng)求設(shè)置/取消主控車時(shí)，列車操作索引會(huì)重新計(jì)算。ETB完成初運(yùn)行后，ECSP收集ETB列車網(wǎng)絡(luò)索引，編組信息及主控、校正等信息，通過列車索引計(jì)算、列車操作索引計(jì)算等操作初運(yùn)行過程后得到列車拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫，并提供ETB控制服務(wù)[3]。

圖1 列車拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫組成

1.3 智能尋址

列車以太網(wǎng)經(jīng)初始化后，形成列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)地址分配。進(jìn)行跨ETBN通信時(shí)，終端需要通過地址解析服務(wù)DNS完成IP地址的獲取，然后進(jìn)行通信，即智能尋址功能。域名服務(wù)(DNS)接口定義了終端與DNS之間的交互方式，由終端發(fā)送DNS請(qǐng)求，DNS服務(wù)器返回的DNS應(yīng)答反饋IP地址，終端設(shè)備用反饋的列車級(jí)IP地址進(jìn)行通信。

ETBN的列車通信網(wǎng)絡(luò)-域名服務(wù)器(TCN-DNS)進(jìn)程可以將符合標(biāo)準(zhǔn)的TCN-URI解析為相應(yīng)的IP地址。如果沒有TTDB，在查詢過程如示例a所示。TTDB查詢過程如示例b所示。

例如：客戶端輸入了“grpHMI.veh02.lCst”的URI進(jìn)行DNS查詢，DNS服務(wù)器收到請(qǐng)求進(jìn)行解析，是本地編組的2車的所有顯示屏的IP，DNS服務(wù)器將編組信息、車廂號(hào)等作為TTDB請(qǐng)求發(fā)送給ECSP，ECSP查詢TTDB得到子網(wǎng)號(hào)、設(shè)備號(hào)等信息，并根據(jù)IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算IP地址返回給DNS服務(wù)器。最后，DNS服務(wù)器將此IP作為應(yīng)答發(fā)送給客戶端。

圖2 DNS工作流程(a例無TTDB查詢，b例有TTDB查詢)

2 CR300復(fù)興號(hào)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

時(shí)速250 km CR300復(fù)興號(hào)動(dòng)車組是國內(nèi)首個(gè)采用以太網(wǎng)控車技術(shù)的具有重聯(lián)功能的動(dòng)車組項(xiàng)目。該項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基于IEC 61375-2-3、IEC 61375-2-5、IEC 61375-3-4等標(biāo)準(zhǔn)，采用以太網(wǎng)列車通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)分為列車控制級(jí)、車輛控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。列車網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備主要包括列車級(jí)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、車輛級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)、中央控制單元、以太網(wǎng)中繼器、人機(jī)接口顯示屏等。

在該動(dòng)車組項(xiàng)目中，列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)為雙線性結(jié)構(gòu)拓?fù)?，使用物理鏈路如以太網(wǎng)線纜和連接器，沿著列車將ETBN、中繼器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來。ETBN采用冗余配置，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合采用TTDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)ETB網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行，車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)則可以采用線形、環(huán)形等拓?fù)洹TB初運(yùn)行發(fā)生于列車初上電、列車重聯(lián)或者解編以及中間位置非冗余節(jié)點(diǎn)丟失等情況下。

3 ETBN應(yīng)用結(jié)果

在CR300復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，列車網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)編組組成。其中，ETBN1和ETBN2為同一編組的互為冗余ETBN，ETBN3和ETBN4為另一編組的互為冗余ETBN。ETB初運(yùn)行完成后，在ETBN的網(wǎng)頁查詢界面獲得的初運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。顯示初運(yùn)行完成后有兩個(gè)編組，同時(shí)顯示了IP信息、主從信息及所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、方向等信息。

圖3 ETB初運(yùn)行結(jié)果

ETB初運(yùn)行完成后，進(jìn)行ECSP的控制服務(wù)初始化。ETB控制服務(wù)客戶端(ECSC)設(shè)置1車為主控車。在1車ETBN查看操作列車信息，顯示當(dāng)前狀態(tài)為islead，操作車輛節(jié)點(diǎn)從1車順序開始排序。

將計(jì)算機(jī)接入ETBN1，通過ping命令輸入U(xiǎn)RI地址，ETBN的TCN-DNS服務(wù)器將URI解析為正確的IP地址，解析分為本地URI解析和跨編組URI解析。

4 結(jié)束語

ETBN是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控車的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有自動(dòng)重聯(lián)、智能尋址、跨編組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。目前，該ETBN已經(jīng)在時(shí)速250 kmCR300復(fù)興號(hào)動(dòng)車組等項(xiàng)目中裝車應(yīng)用，應(yīng)用反饋效果良好。