曹成鵬

（北京城市軌道交通咨詢有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，國內(nèi)地鐵電動客車的列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS）主要采用多功能車輛總線（MVB）架構(gòu)，各子系統(tǒng)通過MVB接口連接到列車網(wǎng)絡(luò)上。同時，車載旅客信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等均通過自組網(wǎng)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸方式的采用造成車載網(wǎng)絡(luò)種類繁多、互不關(guān)聯(lián)、各自獨立的局面，給車內(nèi)布線及檢修維護帶來一定的困難。為解決目前車載網(wǎng)絡(luò)存在的問題、順應(yīng)時代的發(fā)展、緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐，多網(wǎng)融合成為車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。

隨著列車智能化水平不斷提升、車輛接入TCMS的設(shè)備不斷增多，面向旅客的信息將會越來越多。通過MVB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)急劇增多，大量的數(shù)據(jù)交互對傳輸帶寬有了更高的要求。MVB最大傳輸速率僅有1.5 Mbps，受總線帶寬和總線負(fù)荷影響，MVB實際使用帶寬僅為允許帶寬的60%，因此，目前基于MVB的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的需求。

以太網(wǎng)因其傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)靈活性強等優(yōu)點，近年來在地鐵列車上的應(yīng)用發(fā)展迅猛。在西門子開發(fā)的鐵路自動化-以太網(wǎng)系統(tǒng)（SIBAS PN）、龐巴迪開發(fā)的機車動車分散式控制系統(tǒng)（MITRAC）、日本聯(lián)合體開發(fā)的軌道運營系統(tǒng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（INTER OS）中，均采用了以太網(wǎng)架構(gòu)并進行了裝車。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)（ETB）》、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)編組網(wǎng)（ECN）》等相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，也推動了列車以太網(wǎng)的發(fā)展。

本文結(jié)合以太網(wǎng)在國內(nèi)地鐵列車上的應(yīng)用，對以太網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)進行分析。

2 以太網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

基于以太網(wǎng)的TCMS可分為列車控制級和車輛控制級，列車控制級采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余貫穿全列的方案，該方案中網(wǎng)絡(luò)單點故障，不會影響整車通信；在車輛控制級，具有以太網(wǎng)接口的子系統(tǒng)可以進行以太網(wǎng)點對點接入，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的實時通信。關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)備采用列車基于安全的實時數(shù)據(jù)通信協(xié)議（TRDP-Safety） 并冗余接入TCMS系統(tǒng)實現(xiàn)列車級網(wǎng)絡(luò)與車輛級網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信速率為100 Mbps，在整個系統(tǒng)架構(gòu)中列車控制網(wǎng)絡(luò)和維護網(wǎng)絡(luò)同屬一個網(wǎng)絡(luò)，各子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口接入維護信息網(wǎng)絡(luò)，典型的TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于以太網(wǎng)的TCMS主要組成設(shè)備為中央控制單元（CCU）、以太網(wǎng)交換機、遠(yuǎn)程輸入/輸出單元（I/O）、以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊、以太網(wǎng)電纜、以太網(wǎng)連接器、數(shù)據(jù)記錄儀（ERM）、顯示器、以太網(wǎng)終端設(shè)備等。

2.1 中央控制單元

CCU負(fù)責(zé)對車輛進行控制、監(jiān)視和故障診斷，同時具備ERM功能。CCU一般分為CCU1和CCU2，分別安裝在2個頭車，二者互為冗余。在已經(jīng)采用以太網(wǎng)的地鐵項目中，也有采用將CCU、頭車以太網(wǎng)交換機、頭車I/O單元集成在一個CCU機箱中的方案，頭車CCU機箱配置示意圖如圖2所示，機箱內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖 3所示，該方案可采用雙CPU的冗余方式。

2.2 以太網(wǎng)交換機

交換機作為以太網(wǎng)的核心設(shè)備，不論在構(gòu)建的列車級以太網(wǎng)還是車輛級以太網(wǎng)中，均承載著以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換功能。以太網(wǎng)交換機不同于其他網(wǎng)絡(luò)交換機，除具備通用三層交換機的功能外，還需具備軟硬件bypass功能（bypass是指可以通過特定的觸發(fā)狀態(tài)讓2個網(wǎng)絡(luò)不通過網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備而直接在物理上導(dǎo)通，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備出現(xiàn)故障后、可以讓連接在這臺設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)相互導(dǎo)通）、簡易便捷的 WEB 配置管理功能。目前產(chǎn)品體系有以太網(wǎng)編組網(wǎng)（ECN）、以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)（ETB）等多個系列，支持百兆、千兆速率，端口數(shù)量可配置。以太網(wǎng)交換機可支持IEC 61375-2-5-2014、IEC 61375-3-4-2014 等多項國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2.3 遠(yuǎn)程輸入輸出單元

遠(yuǎn)程I/O單元負(fù)責(zé)采集列車數(shù)字量和模擬量信號，同時依據(jù)CCU指令進行I/O控制。

目前采用以太網(wǎng)控車的國內(nèi)地鐵項目中，也有將遠(yuǎn)程I/O單元和以太網(wǎng)交換機集成在車輛控制單元（VCU）機箱中，VCU實物如圖4所示。

2.4 以太網(wǎng)終端設(shè)備

以太網(wǎng)終端設(shè)備包括牽引控制單元、制動控制單元等具備以太網(wǎng)接口的車輛以及各子系統(tǒng)連接至以太網(wǎng)交換機上的設(shè)備。

2.5 以太網(wǎng)連接器

以太網(wǎng)連接器可采用符合DIN EN 61076-2-101-2013《電子設(shè)備連接器.產(chǎn)品要求.第2-101部分：帶螺釘鎖緊的M12連接器的詳細(xì)規(guī)范》的M12 D型連接器，設(shè)備側(cè)采用插孔，電纜側(cè)采用插針，連接器如圖5所示。

2.6 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊、數(shù)據(jù)記錄儀、顯示器

以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊主要實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，用于將車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)通過車載無線設(shè)備發(fā)送至地面。網(wǎng)關(guān)作為列車網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的安全防火墻設(shè)備，具有報文過濾、狀態(tài)檢測、攻擊防御、報文加解密等安全策略，用于保護列車TCMS網(wǎng)絡(luò)免受外部網(wǎng)絡(luò)非法訪問和攻擊。

ERM主要功能是通過以太網(wǎng)接口與列車網(wǎng)絡(luò)相連、I/O接口與列車硬線相連，對列車數(shù)據(jù)重新整理、解析、存儲，實現(xiàn)地鐵工作人員對列車進行實時監(jiān)視、診斷、檢修的功能。采用CCU、頭車以太網(wǎng)交換機、頭車的I/O單元集成在CCU機箱的項目，也可將ERM功能集成在CCU機箱中。

顯示器作為TCMS的顯示終端，是司機及維護人員與列車之間的人機交互界面，具備信息顯示、參數(shù)設(shè)定、功能測試等功能。

3 以太網(wǎng)在國內(nèi)地鐵列車上的工程案例及不足

3.1 以太網(wǎng)與MVB雙網(wǎng)冗余方案

在已投入運行的某全自動運行線路的列車上，已經(jīng)批量應(yīng)用了MVB和以太網(wǎng)雙冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，列車控制總線采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)冗余貫穿全列，同時采用MVB列車級總線，網(wǎng)絡(luò)中單點故障，不影響整列通信?？刂啤⒕S護同屬一個以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6所示的以太網(wǎng)和MVB雙網(wǎng)冗余方案的一個特點是所有子系統(tǒng)均具有MVB和以太網(wǎng)2種接口，但是中間4輛車的中繼器并未進行冗余設(shè)計，此處也成為該MVB網(wǎng)絡(luò)的薄弱點。由于該方案同時存在以太網(wǎng)和MVB通信，各設(shè)備可采用組播方式進行通信，避免CPU負(fù)荷過大。

3.2 以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和 MVB 雙冗余方案

目前在已批量交付的某8輛編組全自動運行線路的列車上，采用了以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。列車級網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)和MVB總線，采用雙網(wǎng)絡(luò)線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機具備旁路功能，多點故障不影響列車正常運行，具有較高的可靠性，其中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，具有較強的數(shù)據(jù)交互能力。車輛級網(wǎng)絡(luò)也采用以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，設(shè)備通過2個以太網(wǎng)口分別接入到車輛網(wǎng)絡(luò)中。車輛級網(wǎng)絡(luò)預(yù)留MVB線接口，可為部分不具備以太網(wǎng)接口的設(shè)備提供MVB接口接入到車輛網(wǎng)絡(luò)中。列車控制網(wǎng)絡(luò)和維護網(wǎng)絡(luò)共用1套以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7所示的以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余方案與圖6所示以太網(wǎng)和MVB雙網(wǎng)冗余方案相比，只有CCU、信號系統(tǒng)控制單元（ATC）、牽引系統(tǒng)（包括輔助供電）控制單元（DCU/M、DCU/A）、制動控制單元（BCU/G）、ERM具有MVB接口，車門、空調(diào)、廣播、走行部在線檢測、火警、I/O單元等設(shè)備只有以太網(wǎng)接口，此接口配置既降低了成本，也進一步加大了以太網(wǎng)控車的比例。

在以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余方案網(wǎng)絡(luò)中，具有MVB接口的CCU、ATC、DCU/M、DCU/A、ERM同時具有以太網(wǎng)接口，但是由于該項目制動系統(tǒng)廠家的成熟產(chǎn)品不支持以太網(wǎng)接口，BCU/G只有MVB接口，沒有以太網(wǎng)接口。因此，BCU/G單元并沒有直接接入以太網(wǎng)，即使該設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，也存在數(shù)據(jù)傳輸延遲大、故障點增多等問題。

并且此項目中以太網(wǎng)與MVB網(wǎng)絡(luò)模式需通過司機臺上模式開關(guān)進行切換，當(dāng)模式開關(guān)在“自動”位時、處于以太網(wǎng)控車模式，此時即使以太網(wǎng)兩路通信均中斷，也不會自動切換到MVB控車模式，而需要司機判斷出故障工況后、手動操作模式開關(guān)才可切換到MVB控車模式，此切換方式降低了智能化程度，尤其在全自動運行工況下，當(dāng)以太網(wǎng)故障時無法通過遠(yuǎn)程控制切換到MVB控車模式、降低了列車的可用性。

3.3 純以太網(wǎng)控車方案

在另一已經(jīng)投產(chǎn)的8輛編組全自動線路的列車上，進一步采用純以太網(wǎng)控車方案，在該方案中列車控制級網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)作為列車的通信控制網(wǎng)絡(luò)，且貫穿全列，網(wǎng)絡(luò)中單點故障不影響整車通信。車輛級網(wǎng)絡(luò)同樣采用以太網(wǎng)進行通信，各子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口連接到網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)點對點接入的以太網(wǎng)通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1所示的純以太網(wǎng)控車方案與圖7所示的以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余方案相比，在系統(tǒng)配置上減少了MVB設(shè)備及板卡數(shù)量，降低了成本。對于如制動和信號等重要的系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)口進行通信冗余，保證數(shù)據(jù)可靠性。但該項目基于其牽引系統(tǒng)廠家產(chǎn)品的特性，只在頭車的牽引系統(tǒng)2個MCU實現(xiàn)主從冗余，牽引系統(tǒng)層面仍設(shè)置了1個MVB網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示，也并未實現(xiàn)所有關(guān)鍵智能控制單元均采用以太網(wǎng)接口，且仍需重點關(guān)注牽引系統(tǒng)層面MVB網(wǎng)絡(luò)的可靠性問題。

4 結(jié)論

目前通信速率高、靈活性強和實現(xiàn)簡單的以太網(wǎng)在地鐵列車上已經(jīng)開始應(yīng)用，國內(nèi)地鐵領(lǐng)域TCMS由傳統(tǒng)的MVB控車（以太網(wǎng)僅為維護網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，經(jīng)過MVB和以太網(wǎng)雙冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的過渡，向純以太網(wǎng)控車的方向發(fā)展。但目前，地鐵領(lǐng)域以太網(wǎng)的應(yīng)用還處于起步及過渡階段，在采用以太網(wǎng)與MVB雙網(wǎng)冗余方案中，存在MVB網(wǎng)絡(luò)冗余被忽略的問題，并且同時存在以太網(wǎng)和MVB兩種通信網(wǎng)絡(luò)的項目，存在CPU負(fù)荷過大的風(fēng)險。在采用以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)和MVB雙冗余網(wǎng)絡(luò)方案中，以太網(wǎng)通信時不會自動切換到MVB控車模式，需要人工手動操作模式開關(guān)進行切換，降低了列車的智能化程度，在全自動運行工況下，當(dāng)以太網(wǎng)發(fā)生故障時會降低列車的可用性。在純以太網(wǎng)控車的TCMS中，仍存在關(guān)鍵智能控制單元未全部采用以太網(wǎng)接口、由于局部MVB網(wǎng)絡(luò)配置問題導(dǎo)致TCMS可靠性降低的情況。上述問題在后續(xù)應(yīng)用以太網(wǎng)的新項目設(shè)計過程中需要予以重視并改進。