黃志平，齊延輝，趙紅衛(wèi)，李永恒，李元軒

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844；3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；4 動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代列車的關(guān)鍵技術(shù)，已在世界各國(guó)高速動(dòng)車組上得到了廣泛的應(yīng)用。早在1999年，國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，簡(jiǎn)稱IEC）為面向機(jī)車控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network，簡(jiǎn)稱TCN）制定與發(fā)布了IEC 61375-1列車通信網(wǎng)絡(luò)基本層次結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)［1］，定義了列車通信網(wǎng)絡(luò)的列車級(jí)與車輛級(jí)兩級(jí)架構(gòu)，并分別發(fā)布了絞線式列車總線（Wire Train Bus，簡(jiǎn)稱WTB）和多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，簡(jiǎn)稱MVB）的通信與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

2014年，IEC組織將以太網(wǎng)技術(shù)正式引入列車控制領(lǐng)域，先后研究制定了IEC 61375-2-3（TCN通信 規(guī) 約）［2］、IEC 61375-2-4（TCN應(yīng) 用 規(guī) 約）［3］、IEC 61375-2-5（以 太 網(wǎng) 骨 干 網(wǎng)）［4］、IEC 61375-3-4（以太網(wǎng)編組網(wǎng)）［5］等以太網(wǎng)控車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)牽引電氣設(shè)備與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（簡(jiǎn)稱牽標(biāo)委）、國(guó)內(nèi)科研院所和動(dòng)車組制造企業(yè)已聯(lián)合開(kāi)展以太網(wǎng)控車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)起草和技術(shù)研究工作，以太網(wǎng)在動(dòng)車組的應(yīng)用成為列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 以太網(wǎng)控車的必要性與可行性

1.1 必要性

1.1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的需要

信息系統(tǒng)伴隨著工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了RS485、CAN、LonWorks、WorldFIP等 現(xiàn) 場(chǎng) 總 線技術(shù)，因各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)傳輸介質(zhì)、通信速率等大多方面都存在根本性差異，難以形成統(tǒng)一的互聯(lián)、互通、互操作標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)情況下跨總線之間需要使用專用的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，限制了通信效率和可靠性，同時(shí)不同總線技術(shù)會(huì)使得工業(yè)控制場(chǎng)景下的維修維護(hù)成本升高，成為了工業(yè)系統(tǒng)信息化發(fā)展的瓶頸。

以太網(wǎng)技術(shù)因其標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一性、維修維護(hù)成本低等特點(diǎn)成為了工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展形成了適用于工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)體系。如Profinet、Ethernet/IP等相關(guān)技術(shù)，在工業(yè)控制領(lǐng)域已形成取代現(xiàn)場(chǎng)總線的趨勢(shì)。智能化工廠使用以太網(wǎng)將控制中心與機(jī)器生產(chǎn)線的信息融合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化，并匹配物流及倉(cāng)儲(chǔ)管理，實(shí)現(xiàn)了智能產(chǎn)能調(diào)配，提高了生產(chǎn)效率降低企業(yè)成本。自動(dòng)化樓宇中利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)各類控制系統(tǒng)及傳感器，各種傳感器信息匯集到一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樓宇內(nèi)如空調(diào)、照明、滅火設(shè)施、電梯、視頻監(jiān)控等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制，有利于樓宇在節(jié)能減排、防火、安防等方面的效率提升。電力系統(tǒng)使用Ethernet/IP，可實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，有利于業(yè)務(wù)管理人員對(duì)電網(wǎng)的使用情況監(jiān)控，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的統(tǒng)籌管理。

列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)來(lái)源于工業(yè)控制領(lǐng)域，在普速客車的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，使用了LonWorks技術(shù)，在和諧號(hào)機(jī)車與動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，主要使用了基于WTB/MVB的TCN技術(shù)和ArcNet技術(shù)，在350 km/h復(fù)興號(hào)動(dòng)車組維護(hù)中，使用了以太網(wǎng)作為終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)接口。隨著列車信息化水平的提升，統(tǒng)一的通信接口有利于智能化子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)，使用以太網(wǎng)作為列車控制網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步支撐列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1.1.2 動(dòng)車組智能化發(fā)展的需要

列車通信網(wǎng)絡(luò)是列車的神經(jīng)中樞，肩負(fù)著整列車各個(gè)部分重要信息的采集與傳遞功能，并為乘客提供信息服務(wù)、實(shí)現(xiàn)列車控制的功能。傳統(tǒng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)，由于存在帶寬低、數(shù)據(jù)吞吐能力有限、組網(wǎng)靈活性差等缺陷，無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)的傳輸需求。例如，WTB網(wǎng)絡(luò)最多僅支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，列車級(jí)傳輸最大速率僅為1 Mbit/s，最小通信周期為25 ms，通信周期內(nèi)最多支持8個(gè)節(jié)點(diǎn)向上完成128字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸。

高速動(dòng)車組向智能化、舒適化等方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在滿足高壓、牽引、制動(dòng)、輔助等系統(tǒng)的控制功能同時(shí)，需要對(duì)空調(diào)、車門、照明、軸溫、火警、輸入輸出模塊等控制，動(dòng)車組智能化要求進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)部件狀態(tài)的全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸、列車健康狀態(tài)的綜合診斷，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能、帶寬提出了更高的要求，傳統(tǒng)的WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)的帶寬低、靈活性不足，已不能適應(yīng)動(dòng)車組發(fā)展的新需要，列車通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)技術(shù)，是動(dòng)車組全面推進(jìn)智能化的必要條件。

1.2 可行性

1.2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性不斷提高

近年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)廣泛接受。以太網(wǎng)底層硬件技術(shù)如交換機(jī)、網(wǎng)卡方面，隨著工業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不斷成熟，傳輸帶寬不斷增大、時(shí)延不斷縮短，抗線路損耗、抗電子干擾的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

為了滿足高實(shí)時(shí)性能應(yīng)用的需要，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案，以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間可以提高到低于1 ms，最大抖動(dòng)低于10 ms。按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC 61375-3-4的明確定義，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是建立在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展提高實(shí)時(shí)性，并且做到與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)完全無(wú)縫連接的工業(yè)以太網(wǎng)。

1.2.2 工業(yè)以太網(wǎng)在動(dòng)車組上的成功實(shí)踐

以太網(wǎng)技術(shù)迅速應(yīng)用到包括高速鐵路在內(nèi)的工業(yè)自動(dòng)化各領(lǐng)域，基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的列車網(wǎng)絡(luò)具有較大的優(yōu)勢(shì)，在滿足列車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制功能正常運(yùn)行的前提下，為更高帶寬與性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了可能。

國(guó)外主要鐵路機(jī)車車輛供應(yīng)商已經(jīng)著手在新一代列車中使用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)。西門子公司在其Velaro Novo動(dòng)車組中，對(duì)動(dòng)車組的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，取消了WTB/MVB列車總線結(jié)構(gòu)，使用基于以太網(wǎng)的Sibas PN架構(gòu)進(jìn)行列車控制數(shù)據(jù)的傳輸，驗(yàn)證了以太網(wǎng)控車的可行性；龐巴迪公司在速度350 km/h動(dòng)車組的列車網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的MITRAC TCMS系統(tǒng)，使得車載系統(tǒng)和地面無(wú)線傳輸系統(tǒng)能夠互聯(lián)互通，各列車子系統(tǒng)部件實(shí)現(xiàn)快速升級(jí)，提升了列車運(yùn)行監(jiān)控水平。

我國(guó)鐵路350 km/h復(fù)興號(hào)動(dòng)車組上，已經(jīng)將以太網(wǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與部署，作為維護(hù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)、數(shù)據(jù)下載等功能，為維護(hù)作業(yè)提供了極大的便利，雖然沒(méi)有達(dá)成以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的效果，但在一定程度上，對(duì)以太網(wǎng)產(chǎn)品的硬件可靠性、交換機(jī)性能、實(shí)時(shí)通信協(xié)議的選擇等多個(gè)方面進(jìn)行了論證與考核。

2 以太網(wǎng)控車技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

以太網(wǎng)控車的動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用符合IEC 61375要求的以太網(wǎng)技術(shù)。兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒熊嚰?jí)網(wǎng)絡(luò)和車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)編組能力，車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用固定網(wǎng)絡(luò)配置，以動(dòng)力單元?jiǎng)澐志W(wǎng)段，允許車輛級(jí)各子系統(tǒng)的控制設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口直接連接至車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)，列車級(jí)和車輛級(jí)之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。列車級(jí)總線具有冗余功能，重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余配置，冗余設(shè)備分布在獨(dú)立的通道上。

圖1 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

2.2 設(shè)備與線路冗余

列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)由列車級(jí)網(wǎng)關(guān)ETBN（Ethernet Train Backbone Node）和列車級(jí)以太網(wǎng)中繼器組成，在每個(gè)網(wǎng)段配置2個(gè)冗余的ETBN，負(fù)責(zé)跨單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、域名解析以及路由相關(guān)服務(wù)等，當(dāng)單一ETBN故障時(shí)，可由冗余的ETBN接替其工作提升網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的可用性。

車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)由車輛級(jí)交換機(jī)ECNN（Ethernet Consist Network Node）和終端設(shè)備組成，在每個(gè)網(wǎng)段配置2個(gè)冗余的ECNN，提供終端設(shè)備數(shù)據(jù)獲取與發(fā)布的冗余通道，核心終端設(shè)備如中央控制單元、部分重要數(shù)據(jù)采集和輸入輸出控制模塊，可考慮冗余配置，保證單臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，動(dòng)車組運(yùn)行基本不受影響。

在列車級(jí)網(wǎng)關(guān)之間、車輛級(jí)交換機(jī)之間，均采用雙通道線路冗余設(shè)計(jì)，雙通道線路設(shè)置為鏈路聚合模式，單一線路故障時(shí)，不影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；子系統(tǒng)與交換機(jī)之間為星形拓?fù)?，子系統(tǒng)之間的工作在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上各自獨(dú)立，提升了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)定性，子系統(tǒng)在每個(gè)車廂接入冗余工作的ECNN交換機(jī)，單個(gè)交換機(jī)故障、單條線路故障均不影響控制功能。而且，ETBN、ECNN均設(shè)計(jì)掉電旁路功能，當(dāng)某臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，基本不影響整體網(wǎng)絡(luò)的連通性能。

2.3 拓?fù)淇煽啃苑治?/h3>

針對(duì)列車以太網(wǎng)控制網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障，可分為線路故障和設(shè)備故障，見(jiàn)表1，列舉各種故障工況，分析結(jié)果表明，冗余設(shè)計(jì)后的列車以太網(wǎng)控制網(wǎng)具有更好的網(wǎng)絡(luò)可用性和運(yùn)行可靠性。

表1 列車以太網(wǎng)控車與TCN控車冗余性分析

3 以太網(wǎng)控車的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)時(shí)通信協(xié)議

為保證控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，依據(jù)IEC 61375-2-3標(biāo)準(zhǔn)，使用TRDP過(guò)程數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行通信，即周期性地發(fā)送控制數(shù)據(jù)。選擇基于UDP的17224端口作為TRDP數(shù)據(jù)傳輸方式，TRDP數(shù)據(jù)的基本格式包括序號(hào)、協(xié)議版本、消息類型、通信數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、列車級(jí)拓?fù)溆?jì)數(shù)、列車級(jí)操作初運(yùn)行拓?fù)溆?jì)數(shù)、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗(yàn)等。

遵循規(guī)范的TRDP包格式，可實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間數(shù)據(jù)連續(xù)性的校驗(yàn)、通信功能的識(shí)別、拓?fù)洵h(huán)境的校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)包完整性的校驗(yàn)等，保障數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性校驗(yàn)，用于列車控制。

通常的以太網(wǎng)通信大多基于單播通信，其優(yōu)點(diǎn)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，兩點(diǎn)間通信不影響不相關(guān)的第三方。但在列車控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景中，存在許多系統(tǒng)共用一份數(shù)據(jù)的情況，單播點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式將造成網(wǎng)絡(luò)帶寬浪費(fèi)和終端子系統(tǒng)發(fā)送負(fù)載的增大，因此在列車以太網(wǎng)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)劃中采用了組播的通信方式，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2 列車級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

列車以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)列車跨單元、跨編組（與其他列車重聯(lián)）的通信功能，在列車級(jí)拓?fù)洌ㄒ蛑芈?lián)或故障）動(dòng)態(tài)變化時(shí)，對(duì)車輛級(jí)的通信保持不變，響應(yīng)因拓?fù)渥兓瘞?lái)的列車級(jí)通信變化。由網(wǎng)關(guān)遵循IEC 61375-2-5規(guī)定的列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議（Train Topology Discovery Protocol，簡(jiǎn)稱TTDP）完成復(fù)雜拓?fù)渥兓挠?jì)算，如圖2所示，避免由各子系統(tǒng)計(jì)算拓?fù)淇赡軒?lái)的計(jì)算錯(cuò)誤，節(jié)約了子系統(tǒng)的運(yùn)算資源、在一定程度上降低能耗，降低子系統(tǒng)處理性能要求，節(jié)約成本。

圖2 TTDP拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過(guò)程

列車以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換工作流程如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖3 列車級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換流程

（1）將車輛級(jí)側(cè)收到的所有子系統(tǒng)的報(bào)文通過(guò)映射規(guī)則和組包協(xié)議編排成列車級(jí)傳輸報(bào)文發(fā)送至列車級(jí)側(cè)。

（2）將列車級(jí)側(cè)收到的所有列車級(jí)傳輸報(bào)文解包并重新打包成不同的車輛級(jí)傳輸報(bào)文發(fā)送至車輛級(jí)側(cè)。

（3）對(duì)于未定義的通信協(xié)議、通信方式進(jìn)行識(shí)別和丟棄。

3.3 車輛級(jí)交換機(jī)

車輛級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)ECNN用于實(shí)現(xiàn)車輛級(jí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，接收車輛級(jí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量，實(shí)時(shí)響應(yīng)列車通信數(shù)據(jù)，形成車輛級(jí)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)接口使用M12-D圓形連接器接口，連接子系統(tǒng)設(shè)備端口支持直連—交叉線自翻轉(zhuǎn)。

交換機(jī)硬件主要由交換機(jī)ASIC芯片、處理器CPU、存儲(chǔ)RAM、接口物理層PHY芯片、供電模塊組成，如圖4所示。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)由硬件通過(guò)ASIC實(shí)現(xiàn)高速可靠的轉(zhuǎn)發(fā)，接口間使用高速背板總線連接吞吐量在3 Gbps以上，接口之間可達(dá)到100 Mbps滿速率轉(zhuǎn)發(fā)，提升轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)性。由CPU控制交換機(jī)配置實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)接口速率、優(yōu)先級(jí)以及通過(guò)的數(shù)據(jù)特征值進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)入向、出向的分別配置，例如最大允許速率、不同接口優(yōu)先級(jí)配置策略定義、針對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的特征抑制和針對(duì)拒絕服務(wù)攻擊進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安全性和可靠性的整體提升。

圖4 交換機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

3.4 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)卡

所有終端設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)線接入到車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)，要求采用符合IEC 61375-2-3標(biāo)準(zhǔn)的TRDP實(shí)時(shí)通信協(xié)議。部分設(shè)備通信內(nèi)容不多，可將TRDP實(shí)時(shí)協(xié)議開(kāi)源庫(kù)集成到主處理器板卡，部分關(guān)鍵控制設(shè)備如牽引制動(dòng)控制單元，有更高的傳輸要求，配置獨(dú)立的TRDP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)卡進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，確保實(shí)時(shí)性與可靠性。

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)卡如圖5所示，通過(guò)并行總線接口與子系統(tǒng)主處理器接口，使用FPGA保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性，在TRDP過(guò)程數(shù)據(jù)收發(fā)的過(guò)程中，收發(fā)數(shù)據(jù)的進(jìn)程由網(wǎng)卡完成，而控制邏輯及軟件處理部分由子系統(tǒng)主處理器完成，減少了其資源占用。實(shí)測(cè)TRDP周期性抖動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的小于10 ms限值，滿足實(shí)時(shí)通信要求。

圖5 TRDP網(wǎng)卡設(shè)計(jì)

3.5 信息安全與診斷

根據(jù)《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》和《信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)實(shí)施指南》，要求工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)自行組織實(shí)施安全保護(hù)措施，在以太網(wǎng)控車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮技術(shù)可行性和信息安全性，在網(wǎng)絡(luò)邊界位置安裝網(wǎng)絡(luò)防火墻，終端設(shè)備操作系統(tǒng)應(yīng)僅開(kāi)放應(yīng)用軟件工作必須的系統(tǒng)服務(wù)；在運(yùn)營(yíng)期間禁止遠(yuǎn)程訪問(wèn)終端設(shè)備等措施加強(qiáng)信息防護(hù)。

在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)通信診斷的方法，及時(shí)定位設(shè)備及線路故障位置，為現(xiàn)場(chǎng)處理和后續(xù)故障維修提供依據(jù)。中央控制單元根據(jù)收到子系統(tǒng)冗余通道發(fā)送的TRDP數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2條線路的通信連續(xù)性，當(dāng)出現(xiàn)某一路通信超過(guò)超時(shí)周期未收到有效報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)，則判定該子系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中的通道連接情況異常，將診斷結(jié)果發(fā)送給顯示屏、遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸裝置等進(jìn)行顯示、記錄和分析。

4 以太網(wǎng)控車應(yīng)用與驗(yàn)證

在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司主管業(yè)務(wù)部門的大力支持下，制訂250 km/h復(fù)興號(hào)動(dòng)車組技術(shù)條件時(shí)，總體項(xiàng)目組提出進(jìn)行以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與實(shí)踐要求，形成基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制體系架構(gòu)和試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，研制一批具備實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口的控制單元、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)高速動(dòng)車組的核心技術(shù)發(fā)展。

根據(jù)250 km/h復(fù)興號(hào)動(dòng)車組總體技術(shù)要求，各科研院所、主機(jī)制造企業(yè)、配套子系統(tǒng)供應(yīng)商等全面啟動(dòng)以太網(wǎng)控車在復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的應(yīng)用與驗(yàn)證工作，經(jīng)過(guò)不斷研討與優(yōu)化，最終形成統(tǒng)一的以太網(wǎng)控車技術(shù)方案，并研制出符合技術(shù)方案要求的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及子系統(tǒng)控制單元。

按照科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)與考核過(guò)程，對(duì)技術(shù)方案與系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖6所示。在2018年2月～2018年5月期間，完成以太網(wǎng)控車通信協(xié)議測(cè)試，互聯(lián)互通功能測(cè)試，同步策劃準(zhǔn)備裝車調(diào)試工作；在2018年5月～2018年10月 完 成 裝 車 各 項(xiàng) 調(diào)試，完成以太網(wǎng)控制網(wǎng)的各子系統(tǒng)廠內(nèi)試驗(yàn)，現(xiàn)車對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)傳輸功能、通訊質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證各系統(tǒng)控制邏輯、故障診斷及保護(hù)響應(yīng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn) 定性；在2018年10月～2019年2月，搭 載以太 網(wǎng)控車的首列動(dòng)車組完成整車型式試驗(yàn)60項(xiàng)、科學(xué)研究試驗(yàn)8項(xiàng)、互聯(lián)互通功能驗(yàn)證試驗(yàn)38項(xiàng)（以太網(wǎng)19項(xiàng)）、以太網(wǎng)控車研究試驗(yàn)26項(xiàng)、以太網(wǎng)控車模式下ATP接口型式試驗(yàn)1項(xiàng)，共計(jì)133項(xiàng)試驗(yàn)；在2019年2月～2019年7月，運(yùn)行里程累計(jì)達(dá)到30萬(wàn)km以上，完成全部運(yùn)行考核試驗(yàn)內(nèi)容，期間最高速度275 km/h并完成了世界上首次商業(yè)運(yùn)行線路中的以太網(wǎng)控車高速重聯(lián)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

圖6 列車型式試驗(yàn)與運(yùn)行考核

運(yùn)行考核期間，使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)以太網(wǎng)控車性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與跟蹤分析，與TCN控車進(jìn)行對(duì)比，通信實(shí)時(shí)性基本持平，冗余可靠性有所提升，通信帶寬與維護(hù)易用性全面占優(yōu)，動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)良好，基于以太網(wǎng)控車技術(shù)方案的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)能夠滿足動(dòng)車組運(yùn)用、檢修與維護(hù)的需要，利用搭建的以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸通道，將有利于動(dòng)車組的智能化、健康管理平臺(tái)搭建及修程修制優(yōu)化。

5 結(jié)論

動(dòng)車組以太網(wǎng)控車是列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，通過(guò)250 m/h復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的應(yīng)用驗(yàn)證，證明了以太網(wǎng)控車的可行性，成功實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的突破與升級(jí)換代。全面采用以太網(wǎng)控車，為列車運(yùn)行控制提供了高速網(wǎng)絡(luò)通道，為列車數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定了通信基礎(chǔ)，未來(lái)還需要在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)一步優(yōu)化完善，并逐步實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用融合、智能運(yùn)維、智能診斷、接入5G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)升級(jí)，進(jìn)一步提高列車控制的信息化、智能化水平。