劉 佳，任寶兵，馬 悅

（1中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連 116052；2動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，遼寧大連 116052）

目前，我國城市軌道交通車輛逐步向著舒適化、智能化及多功能化的方向發(fā)展［1］，車輛集成度越來越高，通信數據量越來越大，面向乘客服務信息也越來越豐富。列車通信網絡不僅要保證重要信息在列車、車輛及設備間實時可靠傳送，最終用戶特別是乘客的信息交互也對列車網絡性能提出了更高要求［2］。傳統(tǒng)的TCN網絡已無法滿足列車對高速、大數據傳輸及強集成性等網絡性能的需求。以太網以其強大的吞吐能力以及高效的傳輸性能很好地解決了傳統(tǒng)列車網絡在通信性能上的不足。此外，其靈活的組網方式和良好的可拓展性可建立集列車網絡控制及旅客信息服務等諸多功能于一體的新型網絡平臺，實現列車多業(yè)務融合。將以太網作為列車控制網絡儼然成為未來列車網絡技術的發(fā)展方向之一［3］。多業(yè)務融合網絡技術作為基于以太網的列車網絡關鍵技術，在傳統(tǒng)列車網絡設計中，屬非重點關注項，其技術積累少、實際應用經驗不足。通過優(yōu)化網絡拓撲結構、精簡車載通信設備及布線，實現多網融合和多系統(tǒng)功能融合，進一步節(jié)約設備安裝空間，提高設備功能集成度，最終實現整車降本減重，成為列車網絡架構設計和功能集成設計的重中之重。

在過去的幾年中，繼龐巴迪公司首次將基于以太網的列車網絡應用于城軌車輛后，西門子、EKE等諸多國際知名軌道交通企業(yè)相繼提出了各自基于以太網的列車控制方案［4-5］。國內關于列車以太網通信技術的相關研究起步較晚，目前，各大整車制造商對純以太網控車技術在城市軌道交通車輛中的應用研究尚處于起步階段［6］。因此，研究基于以太網的整車多業(yè)務融合網絡構建形式對于發(fā)展下一代列車網絡控制系統(tǒng)自主核心技術具有重要意義。

1 列車通信網絡設計

相較于總線拓撲結構單一的傳統(tǒng)TCN網絡，以太網網絡在組網靈活性上展現了其強大的網絡性能。線性拓撲結構、環(huán)形拓撲結構、梯形拓撲結構、單歸屬拓撲結構、雙歸屬拓撲結構，形式多樣的基本網絡拓撲結構為列車網絡構建形式提供了多種選擇［7-8］。本節(jié)從成本、可靠性及整車布線難易程度等方面出發(fā)，設計了一種成本低廉、可靠性高、跨車線少及通用性強的列車以太網網絡拓撲，并從多個維度對該拓撲的可靠性進行了分析。

1.1 網絡拓撲設計

列車網絡拓撲如圖1所示。

圖1 環(huán)形網絡拓撲

整車網絡采用兩級網絡拓撲結構。列車級網絡由2個冗余的ETBN采用線性鏈路聚合的形式連接而成，用以實現列車重聯功能。車輛級以太網干網由若干個管理型交換機兩兩相接組成一個環(huán)形拓撲結構，根據設備自身對冗余度的要求，終端設備可采用雙歸屬或單歸屬的形式接入車輛網絡拓撲，如圖1所示。對于網絡核心控制設備，可直接采用雙設備冗余的連接方式接入列車網絡，以提高設備可靠性，具體連接方式如圖2所示。

圖2 雙設備冗余拓撲

1.2 可靠性分析

本節(jié)以雙歸屬模式為例，對圖1所示整車網絡拓撲從功能完整性角度進行可靠性分析，并對1.1節(jié)所提各種連接方式進行了可靠性比較。

（1）ETBN故障

具有Bypass功能的2個ETBN能夠保證當任意一個ETBN故障時，仍有1個ETBN可以維持原有功能。

（2）列車干網故障

2個ETBN間采用鏈路聚合的形式連接，由此可以保證當任意一根網線故障時，編組間通信不會因此中斷。

（3）交換機故障

任意一個ED同時連接到2個交換機，任意一個交換機故障，不會影響到連接至該交換機上ED在網絡中的功能完整性。

（4）車輛環(huán)網故障

環(huán)形網絡保證了當組成環(huán)網的任意一根線纜斷開時網絡能夠自動重構，進而保證了列車的網絡完整性。

（5）ED網卡故障

雙歸屬ED保證了當ED中的任何一個網卡故障時，該ED的通信仍可由另一個網卡完成，不會因此而導致該ED功能的缺失。

（6）ED系統(tǒng)故障

ED系統(tǒng)故障會導致該終端設備功能的缺失。

（7）ED-CS網絡連接故障

功能正常的ED，同樣可能因為ED與交換機之間網絡連接的故障而導致該ED不能正常通信。有兩根網線同時連接至兩個交換機，可以保證當與其中一個交換機連接故障時，信息可以經連接至另一個交換機上的網線傳輸。

相比于雙歸屬網絡拓撲，其他網絡拓撲在上述7種故障情況下的可靠程度隨著冗余程度的下降而下降，具體分析見表1。

表1 不同網絡拓撲可靠性對比表

2 多業(yè)務融合功能設計

城軌列車作為一個高度集成化的工業(yè)產品，其內部集成了包括列車監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、車地無線系統(tǒng)、火警系統(tǒng)在內的十幾個子系統(tǒng)，而且隨著整車設計水平的不斷提高，整車集成度還在不斷地增加。實現設備互聯互通、系統(tǒng)高度集成一體化逐漸成為未來城軌行業(yè)業(yè)界共識［9］。由于傳統(tǒng)TCN網絡兼容性差，導致各子系統(tǒng)自成網絡，維護網也不得不獨立于列車總線之外。以太網以其強大的網絡兼容性徹底打破了傳統(tǒng)列車網絡多網并存的網絡模式，列車干網真正成為了不同業(yè)務網的共同載體。通過對管理型交換機的應用，可以方便地實現對不同功能網的管理。

整車網絡設計可根據各業(yè)務網的實際功能需求為每個業(yè)務網提供一套獨立的網絡傳輸通道，如圖3所示。同一終端設備可分屬于多個業(yè)務網；同一個業(yè)務網可包含多個終端設備；對于有大數據傳輸及高可靠性需求的設備，可采用鏈路聚合形式與交換機相連，使得交換機可根據數據傳輸量對傳輸路徑進行動態(tài)管理，以此提高傳輸效率及可靠性；對于有跨業(yè)務網數據傳輸需求的功能，可選用三層交換機構建環(huán)網拓撲，此外，該網絡模型還可支持多通道熱備跨網絡數據傳輸功能。

圖3 環(huán)網多業(yè)務融合網絡拓撲

3 應用實例分析

為進一步驗證文中所提設計方案的實用性，本節(jié)以某4編組列車為例，對該列車所采用的適應多業(yè)務融合的環(huán)形網絡拓撲進行了詳細設計。

由4臺管理型交換機組成的環(huán)形網絡作為整車通信干網，環(huán)形網絡拓撲設計保證了當任意一根網線故障時，整車網絡通信不受影響，如圖4所示。分布于各節(jié)車上的設備直接與所在車節(jié)的交換機相連；綜合考慮整車布線難易程度、成本控制及可靠性保證等因素，對于列控系統(tǒng)核心部件，采用雙設備冗余的方式接入整車網絡，該拓撲方式保證了該設備所在線路或節(jié)點故障時設備功能的完整性；對于TCU類重要系統(tǒng)設備，采用雙歸屬策略接入整車網絡，其余設備采用單歸屬形式接入整車網絡。針對有2種數據傳輸需求的設備，每種數據經單獨的傳輸通道與交換機通信。

圖4 適應多業(yè)務融合的環(huán)形網絡拓撲應用實例

整車網絡劃分為過程數據、視頻數據、車地無線數據及特定子系統(tǒng)內部通信4個功能子網，為精簡列車布線，維護數據與過程數據設計為共用同一子網；視頻功能網主要包含一體化HMI及PIS主機，負責視頻信息、流媒體信息及語音信息的播報與顯示；車地無線子網為兩路冗余的車地無線傳輸通道開辟獨立的網絡傳輸空間。此外，個別子系統(tǒng)有內部通信的需求（如火警系統(tǒng)），該網絡同樣為有這類需求的系統(tǒng)提供了單獨的網絡劃分。整車通信干網為各功能子網提供公共的車間傳輸通道，不同功能子網的數據在各自的子網內傳輸，避免了設備之間的干擾，提高了數據傳輸效率及可靠性。

為容納更多的設備，該網絡模型中，子網掩碼設為18位（即255.255.192.0），其中192所在字節(jié)的高2位用于子網劃分。過程數據VLAN的IP地址設定為10.0.0.0/18，視頻數據VLAN的IP地址設定為10.0.64.0/18，子系統(tǒng)內部通信VLAN的IP地址設定為10.0.128.0/18，車地無線VLAN的IP地址設定為10.0.192.0/18。過程數據VLAN所連設備默認網關為10.0.0.1，車地無線VLAN所屬設備默認網關為10.0.192.13和10.0.192.14。其余VLAN默 認 網 關 為 空。CS1-CS4中VLAN1的IP配置為10.0.0.11-14，VLAN2及VLAN3的IP配 置 為空，VLAN4的 在CS2及CS3中 的IP配 置 為10.0.192.13和10.0.192.14。限于篇幅，詳細配置不再贅述。所有設備按照上述規(guī)則進行IP配置，過程數據VLAN按照標準TRDP協(xié)議通信，通信周期50 ms；視頻數據VLAN傳輸全車14路攝像頭及語音信息；車載數據通過車地無線VLAN向地面實時傳輸車載數據；火警系統(tǒng)按照特定的傳輸協(xié)議在內部通信VLAN中進行內部數據通信。隨機對一段時間內干網帶寬進行監(jiān)測，如圖5所示，同時在過程數據VLAN中任意挑選一個組播通信進行通信質量監(jiān)控，如圖6所示，實測結果表明，在進行大負載傳輸情況下，過程控制數據通信實時穩(wěn)定，各子網間無干涉，整車網絡性能總體良好，一體化顯示屏監(jiān)控信息如圖7所示。

圖5 總線帶寬監(jiān)測信息

圖6 過程數據監(jiān)測信息

圖7 一體化HMI監(jiān)控信息

4 結束語

以基于以太網技術的列車通信網絡為研究對象，利用工業(yè)以太網在現有軌道交通車輛上的應用成果，在綜合考慮優(yōu)化列車網絡結構、精簡車載通信設備及整車布線等多方面因素的基礎上，為現有軌道交通車輛提出的適應多業(yè)務融合的列車網絡拓撲設計方法，能夠有效減少車載通信及終端顯示設備數量，提高車載設備利用率，實測結果表明，該拓撲具有較強的網絡兼容性以及良好的通信性能，能夠顯著提升網絡系統(tǒng)的綜合應用效率?？梢灶A見，文中所提基于以太網的適應多業(yè)務融合的網絡拓撲設計方法在未來的城市軌道交通市場將會擁有較好的應用前景。