羅昭強(qiáng) 金 沖 韓東寧

(中國(guó)中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司高速動(dòng)車組制造中心， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 高級(jí)工程師)

1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組通過(guò)處理整車邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷等信息,以及處理遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)葟?fù)雜的車載信息，在單組及重聯(lián)模式下，可保證不同列車或車輛之間的信息傳輸更精準(zhǔn)、快捷。以太網(wǎng)控車作為動(dòng)車組的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠?qū)ι鲜鲂畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一管理和判斷，使信息穩(wěn)定、安全、快速地在整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)中央控制與牽引控制、輔助控制、制動(dòng)控制、旅客信息、空調(diào)、車門及遠(yuǎn)程控制等系統(tǒng)之間的整車邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷數(shù)據(jù)的傳輸，以及自身信息的診斷；然后將這些信息顯示在人機(jī)顯示界面，同時(shí)將運(yùn)行環(huán)境信息與故障信息保存在本地設(shè)備中；通過(guò)遠(yuǎn)程控制單元將車輛運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息發(fā)送到地面控制中心，從而保證列車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組列車主干網(wǎng)由ETBN(列車級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī))與REP(中繼器)組成。當(dāng)列車重聯(lián)時(shí)，列車與列車之間通過(guò)電氣車鉤實(shí)現(xiàn)列車級(jí)以太網(wǎng)的連接，以實(shí)現(xiàn)列車間通信；列車以太網(wǎng)內(nèi)部通過(guò)背板總線與ECNN(以太網(wǎng)交換機(jī))進(jìn)行通信，具體是以4輛車為1個(gè)單元，且單元內(nèi)交換機(jī)通過(guò)車輛級(jí)以太網(wǎng)線連接到本車內(nèi)部的設(shè)備，如CCU(中央控制單元)、HMI(人機(jī)顯示界面)、IOM(輸入輸出模塊)及其他子系統(tǒng)設(shè)備。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

2 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組以太網(wǎng)控車重聯(lián)模式

2.1 重聯(lián)方式和位置映射

2列列車進(jìn)行重聯(lián)時(shí)，有2種重聯(lián)方式(見圖2)：

1) 重聯(lián)方式1：編組1的8車和編組2的1車進(jìn)行重聯(lián)。其特征為編組1的2端ETB(以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng))節(jié)點(diǎn)和編組2的1端ETB節(jié)點(diǎn)有重聯(lián)信號(hào)。

2) 重聯(lián)方式2：編組1的8車和編組2的1車進(jìn)行重聯(lián)。其特征為編組1的2端ETB節(jié)點(diǎn)和編組2的1端ETB節(jié)點(diǎn)有重聯(lián)信號(hào)。

注：CIOM為司機(jī)室輸入輸出模塊；WTD為無(wú)線傳輸裝置。圖1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of China standard EMU Ethernet topology structure

a) 重聯(lián)方式1

列車接收到ETB節(jié)點(diǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)后，通過(guò)該過(guò)程數(shù)據(jù)的位置信息，將所有ETB過(guò)程數(shù)據(jù)端口映射到車輛的實(shí)際位置[1]。2種重聯(lián)方式的位置映射方式一致；在完成節(jié)點(diǎn)索引和節(jié)點(diǎn)識(shí)別后，網(wǎng)關(guān)可根據(jù)節(jié)點(diǎn)索引、節(jié)點(diǎn)地址及列車編組編號(hào)正確地判斷所有網(wǎng)關(guān)的順序和位置。

2.2 重聯(lián)列車以太網(wǎng)應(yīng)用初始化

重聯(lián)信號(hào)的判斷依據(jù)為網(wǎng)關(guān)在重聯(lián)端時(shí)為有效信號(hào)，重聯(lián)端的重聯(lián)信號(hào)為高電平信號(hào)，非重聯(lián)端的重連信號(hào)為低電平信號(hào)。重聯(lián)信號(hào)采用布爾類型變量，并作為過(guò)程數(shù)據(jù)中的一部分進(jìn)行通信。前編組和后編組的判斷原則為：列車占用的編組為前編組，列車非占用的編組為后編組。如果列車由占用狀態(tài)轉(zhuǎn)為非占用狀態(tài)，編組位置保持不變；如果列車未被占用，則按照節(jié)點(diǎn)索引序列進(jìn)行判斷，索引為1的節(jié)點(diǎn)所在編組為前編組。

當(dāng)列車重聯(lián)時(shí)，占用司機(jī)室的列車向前，方向是該單元的方向1；占用司機(jī)室列車向后，方向是該單元的方向2。占用司機(jī)室所在編組中，非占用司機(jī)室單元的列車向前，方向是該編組的方向2；占用司機(jī)室所在編組中，非占用司機(jī)室單元的列車向后，方向是該單元的方向1。非占用司機(jī)室所在編組中，聯(lián)掛單元的列車向前，方向是該單元的方向1；非占用司機(jī)室所在編組中，聯(lián)掛單元的列車向后，方向是該單元的方向2。非占用司機(jī)室所在編組中，非聯(lián)掛單元的列車向前，方向是該單元的方向2；非占用司機(jī)室所在編組中，非聯(lián)掛單元的列車向后，方向是該單元的方向1。

2.3 TTDP拓?fù)鋮f(xié)議

列車級(jí)以太網(wǎng)傳送TTDP(列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議)報(bào)文并不斷實(shí)時(shí)刷新列車車輛拓?fù)湫畔?，按照?qǐng)?bào)文功能分為TTDP Hello報(bào)文和TTDP Topology報(bào)文。其中，TTDP Hello報(bào)文主要負(fù)責(zé)為列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)的底層建立連接信息；TTDP Topology報(bào)文增加了含有車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔ⅲ饕δ苁怯脕?lái)實(shí)現(xiàn)全部列車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)TTDP拓?fù)鋮f(xié)議映射出完整的列車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3.1 TTDP Hello報(bào)文

在標(biāo)準(zhǔn)的LLDP協(xié)議(鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議)中，附加了對(duì)應(yīng)TLV(類型-長(zhǎng)度-數(shù)值)的列車級(jí)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)信息，形成了TTDP Hello報(bào)文，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)列車級(jí)底層信息交換。在標(biāo)準(zhǔn)LLDP發(fā)現(xiàn)協(xié)議的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造，改造的優(yōu)點(diǎn)在于提高該協(xié)議的兼容性，使其在普通交換機(jī)上亦可傳送，提高了通信信息的可靠性。將設(shè)備的配置能力、地址分配、整體標(biāo)記、接口標(biāo)記等信息存儲(chǔ)在LLDPDU(鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元)中，從而產(chǎn)生TTDP Hello TLV，通過(guò)重組其他標(biāo)準(zhǔn)LLDP字段后組成了TTDP Hello報(bào)文。TTDP Hello報(bào)文僅在相鄰設(shè)備間進(jìn)行報(bào)文傳輸，由于協(xié)議的設(shè)定原則上限定了報(bào)文的傳送范圍，導(dǎo)致相鄰設(shè)備接收?qǐng)?bào)文后不發(fā)送此報(bào)文給其他設(shè)備。列車級(jí)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于線性拓?fù)洌湓诙斯?jié)點(diǎn)僅有1個(gè)相鄰設(shè)備，在中間節(jié)點(diǎn)均有2個(gè)相鄰設(shè)備。因此，列車級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可依靠TTDP Hello報(bào)文取得相鄰?fù)負(fù)潢P(guān)系的列車級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的地址，從而形成關(guān)系列表。TTDP Hello報(bào)文格式見圖3。

注：HDR為頭部結(jié)構(gòu)；ID為標(biāo)志符；LLDPDU為鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元；CRC為循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。圖3 TTDP Hello報(bào)文格式示意圖Fig.3 Diagram of TTDP Hello Message format

TTDP Hello報(bào)文按傳送時(shí)序分為正常模式和快速恢復(fù)模式。在正常模式時(shí)，相鄰設(shè)備之間報(bào)文傳送的模式為正常模式，傳送周期為100 ms。當(dāng)出現(xiàn)線路故障或設(shè)備故障等非正常模式時(shí)，若超過(guò)130 ms未收到相鄰對(duì)應(yīng)設(shè)備傳送的Hello報(bào)文，此時(shí)觸發(fā)快速恢復(fù)模式[2]；此時(shí)列車級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備將以周期為15 ms的頻率發(fā)送報(bào)文，相鄰列車級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收相鄰設(shè)備發(fā)送的快速恢復(fù)模式的Hello報(bào)文后，優(yōu)先以最高優(yōu)先級(jí)向相鄰設(shè)備發(fā)送Hello報(bào)文，保證列車級(jí)信息連接的可靠性。

2.3.2 TTDP Topology報(bào)文

TTDP Topology報(bào)文是在LLDPDU報(bào)文的基礎(chǔ)格式上進(jìn)行了大范圍修改，增加了ETB TLV和CN(車輛網(wǎng)絡(luò)) TLV兩個(gè)關(guān)鍵字段，作用是為了傳輸列車級(jí)拓?fù)湫畔⒑蛙囕v級(jí)拓?fù)湫畔?，且需刪除原有報(bào)文中必須含有的底層ID TLV、端口ID TLV、TTL(生存時(shí)間)TLV等字段信息。與TTDP Hello報(bào)文相比，TTDP Topology報(bào)文在整個(gè)列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時(shí)，處在列車級(jí)以太網(wǎng)上的所有以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)均會(huì)接收信息且相互之間共享列車級(jí)拓?fù)湫畔?。正常狀態(tài)下，TTDP Topology報(bào)文發(fā)送數(shù)據(jù)的周期為100 ms，以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收?qǐng)?bào)文信息的有效時(shí)間為400 ms，若超過(guò)有效時(shí)間則判斷為超時(shí)信息內(nèi)容無(wú)效。若以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從接收到上一個(gè)TTDP Topology報(bào)文的時(shí)刻算起，在有效時(shí)間內(nèi)未收到TTDP Topology報(bào)文，則認(rèn)為列車級(jí)以太網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)故障失效或設(shè)備離線。列車級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)若超過(guò)1 s未收到TTDP Topology報(bào)文，則判斷設(shè)備自身處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，即列車級(jí)以太網(wǎng)中只含有本地網(wǎng)關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以太網(wǎng)在軌道交通列車上的應(yīng)用已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[3]。本文主要從重聯(lián)模式狀態(tài)下對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組以太網(wǎng)控車進(jìn)行研究?；谥袊?guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的重聯(lián)方式，根據(jù)列車級(jí)骨干網(wǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)映射出車輛的位置，通過(guò)司機(jī)室的占用確認(rèn)編組位置及方向信息。TTDP Hello報(bào)文附加了TLV功能，實(shí)現(xiàn)了列車底層的信息交換；TTDP Topology報(bào)文刪減了相關(guān)報(bào)文信息，增加了含有車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔?，從而?shí)現(xiàn)整體列車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；TTDP Hello報(bào)文和TTDP Topolog報(bào)文均設(shè)有故障診斷功能，其可對(duì)網(wǎng)關(guān)故障及其離線狀態(tài)進(jìn)行診斷，且無(wú)論是在單組或重聯(lián)模式下都可以快速、安全、可靠地保證列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸和診斷。