屈雪剛，吳 君，錢兆勇

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團有限公司，北京 100070）

隨著軌道交通動車組列車的不斷發(fā)展，全自動駕駛、健康管理、智能列車、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)也逐步在列車上實施，傳統(tǒng)的MVB、WTB 等總線形式越來越滿足不了高實時性、大數(shù)據(jù)量的要求，以太網(wǎng)以其優(yōu)越的性能廣泛地運用到列車控制技術(shù)中。但列車網(wǎng)絡(luò)仍然是設(shè)備維護網(wǎng)、PIS 環(huán)網(wǎng)、走行部內(nèi)網(wǎng)、列車控制網(wǎng)等多系統(tǒng)的獨立集成，導(dǎo)致列車的網(wǎng)絡(luò)總線種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于集中式統(tǒng)一管理?；谝蕴W(wǎng)列車多網(wǎng)融合技術(shù)是將維護網(wǎng)、PIS 環(huán)網(wǎng)、走行部內(nèi)網(wǎng)、列車控制網(wǎng)等多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中到一條干線以太網(wǎng)進行傳輸，提高了實時性、增強了大帶寬、便于集中管理，保證列車的可靠性和安全性，是列車網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展趨勢［1］，如圖1 所示。

圖1 各系統(tǒng)獨立的網(wǎng)絡(luò)總線形式

1 列車多網(wǎng)融合系統(tǒng)需求

實現(xiàn)TCMS 維護網(wǎng)、PIS 環(huán)網(wǎng)、走行部內(nèi)網(wǎng)、控制網(wǎng)等子系統(tǒng)的多網(wǎng)融合，需要綜合各個網(wǎng)絡(luò)的全部功能，實現(xiàn)原有各個子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的全部功能，子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所需主要功能需求見表1。

表1 子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸需求

由系統(tǒng)需求可知、多網(wǎng)融合以太網(wǎng)技術(shù)需要滿足如下要求：

（1）實時周期性傳輸要求，最小數(shù)據(jù)傳輸周期16 ms 以下。

（2）能完全支持ISO/OSI 的7 層開發(fā)結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。

（3）滿足各種數(shù)據(jù)帶寬要求。

2 多網(wǎng)融合方案實現(xiàn)

隨著近年來實時以太網(wǎng)概念的提出，相應(yīng)的解決方案也逐步成熟，IEEE 802.1Q 也再次進入公眾的視野。IEEE 802.1Q 以其獨特的性能滿足各種數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 MAC 幀結(jié)構(gòu)的調(diào)整

符合IEEE 802.1Q 的MAC 幀在傳統(tǒng)MAC 幀結(jié)構(gòu)中增加了標(biāo)黃部分Tag 的4 個字節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（后述中按照IEEE 802.1Q 規(guī)范的MAC 幀用Tag 表 示，其 他 的MAC 幀 用UnTag 表 示）［2］，如 圖2 所示。4 個字節(jié)拆分成4 個不同的功能區(qū)，分別為標(biāo)簽協(xié)議識別區(qū)（TPID）、優(yōu)先級代碼區(qū)（PRI）、標(biāo)準(zhǔn)格式封裝指示區(qū)（CFI）、Vlan 網(wǎng)絡(luò)識別區(qū)（VID）。

圖2 MAC 幀 結(jié) 構(gòu)

標(biāo)簽協(xié)議識別區(qū)（TPID）：采用16 Bits，用于區(qū)分Tag 的MAC 幀和UnTag 的MAC 幀，如果該幀采用Tag 的幀結(jié)構(gòu)形式，則該值可設(shè)置為0x8 100。

優(yōu)先級代碼區(qū)（PRI）：采用3 Bits，劃分成了0~7 共8 個 數(shù) 據(jù) 傳 輸 優(yōu) 先 級，0 為 最 低 優(yōu) 先 級、7 為最高優(yōu)先級。

標(biāo)準(zhǔn)格式封裝指示區(qū)（CFI）：0 表示MAC 地址以標(biāo)準(zhǔn)格式進行封裝，1 表示以非標(biāo)準(zhǔn)格式封裝。在以太網(wǎng)中，CFI 的值為0。

Vlan 網(wǎng)絡(luò)識別區(qū)（VID）：12 Bits 表示子網(wǎng)數(shù)量，即4 096 個數(shù)值，VID＝0 用于識別幀優(yōu)先級，VID=4 095 為預(yù)留。最多可以劃分4 094 個Vlan。

2.2 MAC 幀的兼容

由于對MAC 幀的調(diào)整，車輛的牽引、制動、車門等系統(tǒng)需要更新連接以太網(wǎng)的全部軟件協(xié)議，這會導(dǎo)致開發(fā)周期長、成本高等問題，因此要求Tag 格式的MAC 幀與UnTag 格式的MAC 幀完全兼容。

我們將以太網(wǎng)分為接入鏈路和干線鏈路，如圖3 所示，如果有接入鏈路設(shè)備不能滿足Tag 格式的MAC 幀，在接入鏈路交換機后，交換機將其轉(zhuǎn)換為Tag 格式的MAC 幀，使用Tag 格式的MAC 幀在干線鏈路中傳輸，在信號的接收側(cè)再將其恢復(fù)到UnTag 的MAC 幀格式。

圖3 多網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

這樣既保證了IEEE 802.1Q 的MAC 幀的數(shù)據(jù)傳輸，又保證了其他MAC 幀的數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到了兼容性要求。

2.3 競爭優(yōu)先級方式進行實時周期性數(shù)據(jù)傳輸

同一以太網(wǎng)既傳輸實時周期性列車控制數(shù)據(jù)，又傳輸時效性不高的PIS 系統(tǒng)視頻、音頻數(shù)據(jù)，出現(xiàn)碰撞之后需采用優(yōu)先級策略處理。

采用優(yōu)先級代碼PRI，將數(shù)據(jù)劃分為基礎(chǔ)、優(yōu)先數(shù)據(jù)、快速數(shù)據(jù)、閃速語音控制數(shù)據(jù)、延時抖動小于100 ms 的視頻、延時抖動小于10 ms 的音頻、網(wǎng)間控制、網(wǎng)絡(luò)控制7 個等級，傳輸時，PRI 先傳優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)。保證周期性時效性高的列車控制、走行部數(shù)據(jù)，再傳PIS 系統(tǒng)的視頻音頻數(shù)據(jù)。保證數(shù)據(jù)時效性和大數(shù)據(jù)流帶寬。

應(yīng)用層采用周期時間觸發(fā)機制發(fā)送周期性數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)上的每個節(jié)點都有統(tǒng)一的時間分配，該時間分配按照數(shù)據(jù)時效性緊要程度劃分，時效性高的數(shù)據(jù)傳輸周期短，時效性低的數(shù)據(jù)傳輸周期長，時間由用戶自定義，只有輪到某節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點的門控才會打開，并將數(shù)據(jù)發(fā)出。

因此，對于量不大、實時性、周期性要求高的數(shù)據(jù)采用優(yōu)先級代碼高和周期性觸發(fā)機制保證。對于量大、實時性、周期性要求不高的PIS 視頻音頻數(shù)據(jù)由優(yōu)先級代碼低的數(shù)據(jù)格式傳輸。實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)類型的綜合承載。

2.4 Vlan 劃分

在Tag 的MAC 幀中設(shè)置了Vlan 網(wǎng)絡(luò)識別區(qū)，用于網(wǎng)絡(luò)的虛擬分組，在優(yōu)先級數(shù)據(jù)的保證下，對網(wǎng)絡(luò)再次劃分虛擬分組，使得應(yīng)用層不同類型的數(shù)據(jù)相互不可見，減少不同數(shù)據(jù)類型的相互干擾［3］。

將PIS 網(wǎng)、列車維護網(wǎng)、走行部內(nèi)網(wǎng)、控制網(wǎng)等劃分為不同的Vlan，應(yīng)用層的控制數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、視頻音頻數(shù)據(jù)之間相互獨立，盡管數(shù)據(jù)在同一總線上傳輸，相互之間不產(chǎn)生干擾。

如果不同Vlan 間有數(shù)據(jù)傳輸，則可在骨干網(wǎng)配置3 層交換機，使得Vlan 間數(shù)據(jù)能夠可控交互，保證數(shù)據(jù)的集中管理。

2.5 時效性分析

由于控制數(shù)據(jù)要求最短傳輸時間16 ms 以下，以太網(wǎng)傳輸為級聯(lián)方式，代表數(shù)據(jù)傳輸時每個交換機需要消費一定的處理時間。目前，用于實時周期性傳輸?shù)慕粨Q機最小處理時間為11 μs。

列車目前最大編組為16 節(jié)編組，每節(jié)設(shè)置1臺交換機，則以太網(wǎng)傳輸最小時間為176 μs，最大傳輸時間為352 μs，該時間足以滿足周期性傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.6 重傳機制

控制數(shù)據(jù)的可靠性要求較高，傳輸層采用TCP/IP 傳輸方式，每條以太網(wǎng)幀均配置了多個校驗，在數(shù)據(jù)發(fā)送端設(shè)置了校驗加密，數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩撕螅邮赵O(shè)備按照逆向方式解密，接收設(shè)備獲得實際數(shù)據(jù)和解密校驗數(shù)據(jù)一致后，代表該數(shù)據(jù)有效可用，反之，數(shù)據(jù)不一致則代表該數(shù)據(jù)無效，通過TCP/IP 方式告知發(fā)送方進行重傳。

2.7 帶寬計算

考慮列車多網(wǎng)融合的通用性，按照當(dāng)前最大編組運行列車的設(shè)備統(tǒng)計，以太網(wǎng)帶寬見表2。

表2 以太網(wǎng)各設(shè)備帶寬需求

通過對以太網(wǎng)帶寬計算，千兆以太網(wǎng)傳輸217 M最大帶寬數(shù)據(jù)，帶寬有足夠的余量，滿足多網(wǎng)融合帶寬要求。

2.8 安全保障

以太網(wǎng)多網(wǎng)融合對控制數(shù)據(jù)和視頻音頻數(shù)據(jù)進行了綜合承載，由于控制數(shù)據(jù)對傳輸安全性要求較高，采用如下方式保證數(shù)據(jù)的安全可靠。

（1）采用應(yīng)用層安全協(xié)議，在發(fā)送端和接收端分別進行安全協(xié)議的加密和解密，數(shù)據(jù)無誤后再進行使用。

（2）通過劃分Vlan、保證了數(shù)據(jù)之間相互隔離。

（3）通過MAC 優(yōu)先級劃分，優(yōu)先傳輸優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，避免發(fā)送數(shù)據(jù)碰撞產(chǎn)生丟幀。

（4）通過重傳機制，保證數(shù)據(jù)接收不到或傳輸錯誤時再次傳輸。

（5）采用周期性傳輸機制，使數(shù)據(jù)能在最短的時間內(nèi)快速更新。

（6）通過統(tǒng)一集中管理方式保證數(shù)據(jù)綜合有效。

（7）采用冗余機制，使數(shù)據(jù)多份傳送，接收設(shè)備根據(jù)不同的數(shù)據(jù)進行不同策略的使用。

3 試驗測試

3.1 測試方案

為充分驗證方案，在實驗室環(huán)境搭建了試驗平臺，對不同的MAC 幀結(jié)構(gòu)、不同Vlan、過程數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)進行傳輸。

實驗室環(huán)境下按照最小拓?fù)浼軜?gòu)進行測試，如圖4 所示，骨干網(wǎng)采用千兆環(huán)形以太網(wǎng)交換機，按照Tag 格式的MAC 幀傳輸，連接設(shè)備中CCU、WTD 是UnTag 格式的設(shè)備，PIS、走行部是具有Tag 幀格式的設(shè)備。其中CCU 和WTD 設(shè)備劃分為Vlan1、PIS，走行部設(shè)備劃分為Vlan2。

圖4 最小單元測試拓?fù)浼軜?gòu)

3.2 試驗步驟及測試結(jié)果

通 過CCU 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)WTD 接 收、WTD 發(fā) 送 數(shù)據(jù)CCU 接收，PIS 發(fā)送數(shù)據(jù)走行部接收、走行部發(fā)送數(shù)據(jù)PIS 接收的測試，如圖5 所示，UnTag 數(shù)據(jù)和Tag 數(shù)據(jù)都能在規(guī)定的時間內(nèi)正常收發(fā)。

圖5 設(shè)備之間通訊結(jié)果

為了驗證Vlan 的區(qū)域防護特性，Vlan1 和Vlan2 之間互傳數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不能收發(fā)，起到Vlan 隔離作用，滿足設(shè)計要求，如圖6 所示。

圖6 Vlan 隔離狀態(tài)下的訪問

4 實車驗證

在速度160 km/h 市域動車組列車上將多網(wǎng)融合技術(shù)進行了實際裝車驗證，該車為8 列固定編組列車，整車骨干網(wǎng)為環(huán)形以太網(wǎng)，設(shè)備較多，計算該車的帶寬見表3，帶寬合計197 M。

表3 160 km/h 市域車帶寬設(shè)計

骨干網(wǎng)采用了千兆以太網(wǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足197 M 帶寬的需求。該車實際運行中，數(shù)據(jù)傳輸暢通，收發(fā)自如，使用情況良好，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

經(jīng)系統(tǒng)分析、方案論證、試驗測試、實車驗證等一系列環(huán)節(jié)，證明了多網(wǎng)融合技術(shù)真實可行，各系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、可靠、互不干擾。以太網(wǎng)多網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)解決了傳統(tǒng)列車子系統(tǒng)相互獨立，列車的電纜數(shù)量多、種類多、總線結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。采用一套總線傳輸形式，將各系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容通過一條以太網(wǎng)進行綜合承載，形成多網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，該技術(shù)可推廣應(yīng)用。