劉 超，張紅星，李如石，王吉松

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035）

目前列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)TCMS 中大多采用WTB/MVB 總線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)視和診斷功能，并單獨(dú)設(shè)置以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)應(yīng)用軟件上載、故障數(shù)據(jù)下載等維護(hù)功能。以太網(wǎng)通信技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性強(qiáng)、易于擴(kuò)展及開發(fā)成本低的 優(yōu) 點(diǎn)［1-4］。隨 著IEC 61375-3-4、IEC 61375-2-5和IEC 61375-2-3 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布［5-7］，同時(shí)為了引領(lǐng)列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠和科研院所都非常注重列車以太網(wǎng)通信技術(shù)的研究，但其主要集中在列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議、列車冗余結(jié)構(gòu)和性能的研究。文中主要從標(biāo)準(zhǔn)中梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)了集大數(shù)據(jù)量信息傳輸、智能診斷、旅客娛樂信息服務(wù)等功能為一體的多網(wǎng)融合列車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這對(duì)于列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 以太網(wǎng)列車控制系統(tǒng)架構(gòu)

以某6 輛編組地鐵為例，進(jìn)行以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究?；谝蕴W(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。本拓?fù)渲辛熊嚰?jí)網(wǎng)絡(luò)和車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)均采用ECN，每輛車中配備多個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)形成車輛內(nèi)子網(wǎng)，每車內(nèi)的子網(wǎng)串行連接到主干鏈路，且在子網(wǎng)的另一側(cè)編組交換機(jī)之間使用本地鏈路互連形成各自編組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)。這種設(shè)計(jì)在2 條主干鏈路的子網(wǎng)互為冗余，同時(shí)在單網(wǎng)絡(luò)部件失效時(shí)繼續(xù)ECN 上的通信，提高了網(wǎng)絡(luò)冗余可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速度，滿足了目前車輛運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和維護(hù)時(shí)數(shù)據(jù)量大的需求。

圖1 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

2 設(shè)計(jì)架構(gòu)分析

列車網(wǎng)絡(luò)中通過交換機(jī)端口可同時(shí)連接車輛的終端設(shè)備（火警/空調(diào)/車門等系統(tǒng)控制單元）進(jìn)行車輛通信。列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用梯形以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，并將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TCMS、旅客信息系統(tǒng)PIS、火警系統(tǒng)FAS 和維護(hù)網(wǎng)進(jìn)行多網(wǎng)融合，通過劃分虛擬局域網(wǎng)VLAN 將不同系統(tǒng)的設(shè)備在邏輯上進(jìn)行區(qū)分，使各子網(wǎng)間通信隔離，提高網(wǎng)絡(luò)安全性。

2.1 主要技術(shù)路線

2.1.1 梯形拓?fù)涮攸c(diǎn)

基于以太網(wǎng)的梯形網(wǎng)絡(luò)，采用環(huán)協(xié)議管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)，具有以下特點(diǎn)：

（1）列車交換機(jī)數(shù)量通常不做限制。

（2）每個(gè)交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中有唯一的名稱標(biāo)識(shí)，且名稱長(zhǎng)度不超過16 個(gè)字符。

（3）車內(nèi)環(huán)有單獨(dú)的環(huán)標(biāo)識(shí)（Ring ID）。

（4）交換機(jī)上每個(gè)接口最多劃分到2 個(gè)車內(nèi)環(huán)中，并且連接2 個(gè)環(huán)的接口需要在2 個(gè)環(huán)中分別配置。

（5）允許多個(gè)互連環(huán)組成更復(fù)雜拓?fù)洹?/p>

（6）當(dāng)環(huán)中的一個(gè)鏈路被禁用或故障，可通過另一側(cè)鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免單一線路故障情況下丟失數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.1.2 環(huán)協(xié)議配置實(shí)現(xiàn)

在本梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中［5］，環(huán)協(xié)議在交換機(jī)中的配置實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。環(huán)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中環(huán)1（Ring 1）代表車輛1 中網(wǎng)絡(luò)，環(huán)3（Ring 3）代表車輛2 中網(wǎng)絡(luò)。環(huán)2（Ring 2）代表車輛1 和車輛2之間通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)1 和環(huán)3 之間的通信。以交換機(jī)B1 為例，交換機(jī)B1 被劃分到Ring2 和Ring3 中。

圖2 環(huán)鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其B1 的配置實(shí)現(xiàn)過程如下：

；環(huán)協(xié)議設(shè)置

SW_NAME = ETX_201_B1；交換機(jī)名稱

UCRING_VLAN = 2257；交換機(jī)自身VLAN

；環(huán)2 設(shè)置

RING1_ENABLE = 1；環(huán)使能

RING1_ID = 2；環(huán)標(biāo)識(shí)

RING1_PRIO = 10；交換機(jī)中環(huán)優(yōu)先級(jí)

RING1_PORTS = 3 1；在環(huán)中被使用的端口，該端口的STP（生成樹協(xié)議）不可用

；環(huán)3 設(shè)置

RING2_ENABLE = 1；環(huán)使能

RING2_ID = 3；環(huán)標(biāo)識(shí)

RING2_PRIO = 100；交換機(jī)中環(huán)優(yōu)先級(jí)

RING2_PORTS = 1 2；在環(huán)中被使用的端口，該端口的STP（生成樹協(xié)議）不可用

；端口1 設(shè)置

PORT1_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配

；端口2 設(shè)置

PORT2_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配

；端口3 設(shè)置

PORT3_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配。

2.2 基于VLAN 的多網(wǎng)融合設(shè)計(jì)

在圖1 中，PIS 系統(tǒng)的攝像頭和客室控制單元SCU 通過以太網(wǎng)接口均連接到交換機(jī)上，通過SCU 和顯示屏之間的通信，實(shí)現(xiàn)攝像頭中相關(guān)調(diào)用命令和視頻流信息傳輸。另外，F(xiàn)AS 系統(tǒng)中各車廂火警探測(cè)器通過以太網(wǎng)連接到列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交換機(jī)，火警探測(cè)器采集本車火警探頭狀態(tài)后，經(jīng)骨干以太網(wǎng)將信息傳輸?shù)交鹁鳈C(jī)，減少了以往FAS 火警探測(cè)器與火警主機(jī)之間的CAN/RS485 總線連接。最后，通過骨干以太網(wǎng)還可實(shí)現(xiàn)全列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)和接口標(biāo)準(zhǔn)化，相比傳統(tǒng)的控制網(wǎng)（WTB/MVB 總線）和維護(hù)網(wǎng)（以太網(wǎng)）獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，降低了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。可見，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)子網(wǎng)、火警系統(tǒng)子網(wǎng)和維護(hù)網(wǎng)，通過共用骨干以太網(wǎng)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了列車各系統(tǒng)子網(wǎng)的多網(wǎng)融合，這不僅提高了列車調(diào)試效率，而且極大地節(jié)省了列車布線空間，降低了布線難度。

本 設(shè) 計(jì) 中TCMS 子 網(wǎng)、PIS 子 網(wǎng)、FAS 子 網(wǎng) 和維護(hù)網(wǎng)共享1 個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，通過劃分VLAN，使得PIS、FAS 和維護(hù)計(jì)算機(jī)設(shè)備無法隨意訪問TCMS網(wǎng)絡(luò)，解決了廣播域擴(kuò)大帶來的性能和安全性降低問題。

2.2.1 子網(wǎng)VLAN 劃分原則

VLAN 技術(shù)能夠在邏輯上把一個(gè)物理局域網(wǎng)分隔為多個(gè)廣播域，每個(gè)廣播域稱為一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。VLAN 劃分常見的方法有：基于源端口劃分、基于源MAC 地址劃分和基于源IP 地址劃分。文中的設(shè)計(jì)主要基于源端口劃分VLAN，具體劃分原則如下：

TCMS 子網(wǎng)VLAN ID =10；

PIS 子網(wǎng)VLAN ID =20；

FAS 子網(wǎng)VLAN ID =30；

維護(hù)子網(wǎng)VLAN ID =40。

2.2.2 子網(wǎng)VLAN 實(shí)現(xiàn)方法

默認(rèn)情況下，VLAN 標(biāo)識(shí)符2257 專用于交換機(jī)Ring 協(xié)議。考慮網(wǎng)絡(luò)安全性，應(yīng)在交換機(jī)每個(gè)環(huán)形端口上配置VLAN 標(biāo)識(shí)符2257。為滿足終端設(shè)備不同子網(wǎng)的使用需要，需要將骨干以太網(wǎng)交換機(jī)上的端口配置為所有子網(wǎng)的VLAN ID 值。

如圖2 中ETX_201_B1 中端口1 作為環(huán)形端口，其端口中VLAN 配置如下：

；端 口1 的VLAN 設(shè) 置

PORT1_STPST = disabled；STP 不可用

PORT1_AUTONEG = enable；默認(rèn)使能

PORT1_SPEED = auto；端口傳輸速度［10，100，1 000 | auto］

PORT1_VLANS = 1 2257 10 20 30 40；基于端口的VLAN 標(biāo)識(shí)符，因PORT1 在列車級(jí)骨干網(wǎng)總線上，作為列車級(jí)級(jí)聯(lián)口，需將所有VLAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸

PORT1_DEFVLAN = disable；默 認(rèn) 的VLAN- 允許/禁止未標(biāo)記的幀［enable | disable］

PORT1_8021Q = secure；端口802.1Q 檢查。

2.2.3 子網(wǎng)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

在列車網(wǎng)絡(luò)中，為保證不同業(yè)務(wù)的子網(wǎng)之間通信正常，防止總線擁塞，按照列車中控制網(wǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)先，其次是火警信息、視頻信息、維護(hù)信息的重要性原則，進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)。在802.1Q VLAN 報(bào)頭中包含一個(gè)3 位優(yōu)先級(jí)碼點(diǎn)（PCP）字段，該字段引用一個(gè)幀服務(wù)類（QoS），即一個(gè)介于0 和7 之間的優(yōu)先級(jí)值。QoS 默認(rèn)情況下按照IEC 61375-3-4 標(biāo)準(zhǔn)均勻映射到隊(duì)列優(yōu)先級(jí)，映射表可以在交換機(jī)配置文件中修改。其映射表見表1：

表1 映射表

具體在端口中配置如下：

；端口1 的QoS 設(shè)置

PORT1_QOS_VLAN = enable；基 于802.1Q header［enable | disable］的優(yōu)先級(jí)

PORT1_DEFCOS = 7；入口幀默認(rèn)的服務(wù)優(yōu)先級(jí)別，7 代表TCMS 子網(wǎng)這個(gè)VLAN 的優(yōu)先級(jí)最高。

2.2.4 子網(wǎng)終端設(shè)備要求

列車網(wǎng)絡(luò)所劃分為TCMS 子網(wǎng)、PIS 子網(wǎng)、FAS 子網(wǎng)和維護(hù)子網(wǎng)，這些子網(wǎng)中終端設(shè)備（如火警/空調(diào)/車門等）通過不同的網(wǎng)段進(jìn)行區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)終端設(shè)備具有唯一的IP 地址。其分配原則如下：

TCMS 子網(wǎng)網(wǎng)段IP：10.1.X.Y；

PIS 子網(wǎng)網(wǎng)段IP：10.2.X.Y；

FAS 子網(wǎng)網(wǎng)段IP：10.3.X.Y；

維護(hù)子網(wǎng)網(wǎng)段IP：10.4.X.Y；

其 中X 代 表 車 輛 號(hào)（1～6 車），Y 代 表 設(shè) 備（1～254）。

子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.0.0。

3 數(shù)據(jù)通信應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 TRDP 通信

列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議TRDP（Train Real-time Data Protocol）由IEC 61375-2-3 定 義［7］。TRDP 協(xié) 議位于TCP/UDP 傳輸層之上，提供車輛內(nèi)或車輛間應(yīng)用的通信。TRDP 主要用于過程數(shù)據(jù)（Process Data）和消息數(shù)據(jù)（Message Data）的傳輸。過程數(shù)據(jù)主要用于列車控制，傳遞命令和狀態(tài)消息，數(shù)據(jù)量大，要求高可靠性、實(shí)時(shí)性和確定性，一般周期性傳送。消息數(shù)據(jù)主要用于故障和診斷信息，數(shù)據(jù)量長(zhǎng)短不一，一般按需傳送，并要求有一定的實(shí)時(shí)性。使用TRDP 協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定過程數(shù)據(jù)最小周期為20 ms，對(duì)于控制網(wǎng)中關(guān)鍵系統(tǒng)如牽引制動(dòng)，其數(shù)據(jù)傳輸周期定義為20 ms，對(duì)于其他非關(guān)鍵系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其傳輸周期是最小周期的整數(shù)倍。

3.2 ComId 設(shè)計(jì)

TRDP 定義了過程數(shù)據(jù)之間的通信，即過程數(shù)據(jù)單元PD-PDU 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)TRDP 通信都使用一個(gè)ComId，該ComId 在每個(gè)PDU 報(bào)頭中傳送。ComId、源IP 地址以及目的IP 地址組合形成列車內(nèi)PDU 的唯一標(biāo)識(shí)符。ComId 是應(yīng)用相關(guān)的，在本設(shè)計(jì)中定義ComId 使用0xXYU 的組合方式。其中，X 代表發(fā)送設(shè)備的類型編碼；Y 代表接收設(shè)備的類型編碼，當(dāng)有多個(gè)設(shè)備時(shí)使用00；U 表示數(shù)據(jù)端口周期的快慢，其中1 為快速。例如VCU 發(fā)給牽引的ComId 為01051，牽引發(fā)給VCU及HMI 的ComId 為05001。

3.3 組播地址

VCU 與終端設(shè)備之間通過組播通信完成數(shù)據(jù)傳輸。 ECN 組播組IP 地址為239.255.0.0/16。VCU 和終端設(shè)備之間通過組播實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，VCU 使用的組播地址239.255.0.001。ED 使用的組播地址，239.255.0.X，X 根據(jù)不同系統(tǒng)區(qū)分。

4 運(yùn)用效果

4.1 控制功能實(shí)現(xiàn)

在列車以太網(wǎng)維護(hù)接口使用Wireshark 抓取6輛編組以太網(wǎng)的通信數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)顯示TCMS 能夠與列車中牽引、制動(dòng)等系統(tǒng)進(jìn)行正常的過程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了司機(jī)室激活控制、牽引封鎖控制、電空混合制動(dòng)控制、保持制動(dòng)控制等網(wǎng)絡(luò)管理功能，保證了列車的正常運(yùn)行。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各攝像頭視頻信息在列車顯示屏中的正常顯示。

4.2 系統(tǒng)帶寬計(jì)算

本設(shè)計(jì)中列車骨干網(wǎng)采用1 000 Mbit/s 以太網(wǎng)總線，其傳輸數(shù)據(jù)類型主要分為4 種：TCMS 控制數(shù)據(jù)、PIS 視頻數(shù)據(jù)、FAS 火警數(shù)據(jù)以及各系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)。TCMS 控制數(shù)據(jù)和FAS 火警數(shù)據(jù)均采用TRDP 數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)抓包數(shù)據(jù)分析如圖3 所示，其占用帶約為2.251 Mbit/s。

圖3 TRDP 通信數(shù)據(jù)包

PIS 視頻數(shù)據(jù)采用H.264 格式和分辨率為720 p 的碼流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。正常運(yùn)行時(shí)，其每路攝像頭在總線上傳輸帶寬約為0.757 Mbit/s，如圖4 所示。司機(jī)顯示屏調(diào)用視頻流的極限情況為2 個(gè)顯示屏同時(shí)調(diào)用各自的4 路監(jiān)控，此時(shí)視頻信息占用總線帶寬約為0.757×2×4=6.056 Mbit/s。另外，按照理論設(shè)計(jì)最高2 M 的編碼率，計(jì)算整個(gè)PIS 系 統(tǒng) 占 用 最 大 帶 寬 約 為2 Mbit/s×3（3 路/車廂）×6（6 車廂/列）=36 Mbit/s。

圖4 PIS 視頻流傳輸

各系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)，僅在列車靜止并在庫內(nèi)檢修時(shí)使用，與各系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量相關(guān)，不會(huì)與列車正常運(yùn)行時(shí)傳輸數(shù)據(jù)搶占帶寬。

可見，通過VLAN 劃分、端口限速以及基于環(huán)協(xié)議的廣播風(fēng)暴抑制，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)總線帶寬的合理分配，保證了列車網(wǎng)絡(luò)通信的完整性和實(shí)時(shí)性。

4.3 過程數(shù)據(jù)延時(shí)和抖動(dòng)

延時(shí)指在2 個(gè)終端設(shè)備之間鏈路層上幀的傳輸時(shí)間。IEC 61375-3-4 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，TRDP 協(xié)議的過程數(shù)據(jù)最大延時(shí)為10 ms。使用Wireshark 抓取數(shù)據(jù)包5 min，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最大延時(shí)約為8.666 ms，如圖5 所示。

抖動(dòng)是指各幀傳輸時(shí)間的差異。在底層使用加擾線路狀態(tài)測(cè)量峰值抖動(dòng)，包括占空比失真和基線漂移影響在內(nèi)的總發(fā)射抖動(dòng)不得超過1.4 ns。IEC 61375-3-4 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定過程數(shù)據(jù)的最大抖動(dòng)為10 ms。根據(jù)圖5 中最大延時(shí)與最小延時(shí)數(shù)據(jù)，粗略計(jì)算傳輸抖動(dòng)為8.716 ms。

圖5 過程數(shù)據(jù)延時(shí)分析

從抓包數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計(jì)列車總線上對(duì)于控制列車運(yùn)行的關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)在傳輸性能上滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

基于以太網(wǎng)通信的列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通過列車梯形拓?fù)浜蛣澐諺LAN，實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)融合，在很大程度上節(jié)省了列車布線空間。以太網(wǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用使得列車能夠承載多種大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。此設(shè)計(jì)已經(jīng)在新一代智能化B 型地鐵樣車研制中應(yīng)用并驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行正常。