基于以太網(wǎng)的第2代分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（DTECS―2）

趙 冬　楊奇科　葉 彪

（中國中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

基于以太網(wǎng)的第2代分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（DTECS―2）

趙 冬楊奇科葉 彪

（中國中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

摘 要長沙市軌道交通1號線車輛采購項目的其中1列車被要求采用基于以太網(wǎng)的第2代分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)性能，并與傳統(tǒng)的基于MVB（多功能車輛總線）的分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行了比較。

關(guān)鍵詞地鐵列車；分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；以太編組網(wǎng)

Author＇s address CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，412001，Zhuzhou China

隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展，現(xiàn)代軌道交通裝備制造業(yè)正向著高速化、智能化、集成化進行跨越式的高速發(fā)展。分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)由于擁有集成化高、智能化高、維護簡便、成本低等優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代軌道交通裝備制造特別是車輛集成制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，且隨著大量使用分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的軌道交通車輛得到越來越多的用戶使用，該技術(shù)變得日趨成熟、穩(wěn)定，成為軌道交通車輛的標準配置。然而，用戶對該技術(shù)提出了更加復(fù)雜的要求，如希望能夠?qū)崿F(xiàn)更加快速的響應(yīng)、更加高的集成化、更加高的性價比等，要求實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程診斷與維護、旅客信息與舒適性支持、統(tǒng)一高效的智能化決策支持等。

近年，工業(yè)交換式以太網(wǎng)技術(shù)異軍突起。由于具有優(yōu)異的高速傳輸性能、開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、幾乎任意的擴展性能、多樣的產(chǎn)品設(shè)計制造商、豐富的測試驗證手段等優(yōu)勢，其逐漸壟斷了工業(yè)自動化和過程控制市場。在軌道交通用戶和業(yè)內(nèi)專家組織的共同推動下，IEC TC 9（The International Electrotechnical Commission Technical Committee 9：Electrical Equipment and Systems for Railways）起草，并于2014年3月正式發(fā)布IEC 61375-3-4《軌道交通電氣設(shè)備—列車通信網(wǎng)絡(luò)—以太編組網(wǎng)》標準（以下簡稱“ECN標準”），為實現(xiàn)市場對軌道交通裝備制造業(yè)提出的更高要求注入了新的技術(shù)力量。

中國中車株洲電力機車有限公司目前正在生產(chǎn)的長沙市軌道交通1號線車輛采購項目（以下簡稱“CSL1項目”）共包含23列列車（B型車輛，6節(jié)編組），列車以帶司機室拖車（Tc車）、帶受電弓動車（Mp車）和不帶受電弓動車（M車）各2節(jié)按照=Tc -Mp-M*M-Mp-Tc=的基本編組方式構(gòu)成。其中，22列車仍采用中車時代電氣提供的基于傳統(tǒng)MVB（多功能車輛總線）分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（以下簡為DTECS系統(tǒng)）；1列車作為概念性研發(fā)，采用中車時代電氣提供的基于ECN標準的第2代分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（以下簡為DTECS—2系統(tǒng)），該車由公司完全獨立研發(fā)并具有自主知識產(chǎn)權(quán)，是首次裝車嘗試，它將為未來列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)升級和研究性試驗提供案例和平臺。

本文對DTECS—2系統(tǒng)的有關(guān)功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)性能作簡要分析，并與DTECS系統(tǒng)進行一系列比較。

1　系統(tǒng)功能

DTECS—2系統(tǒng)的整車集成應(yīng)用功能如下：

（1）列車控制及監(jiān)視，包括列車控制設(shè)備（含所有車載分布式微機控制模塊、司控器、主斷路器以及與運行安全相關(guān)的I∕O（輸入∕輸出）信號）的通信、控制、信息顯示、事件記錄等功能。

（2）列車控制設(shè)備的故障診斷與安全導(dǎo)向。

（3）開放的軟件接口，方便用戶或整車系統(tǒng)集成商進行應(yīng)用層開發(fā)。

（4）車載多媒體設(shè)備（如視頻監(jiān)控和音視頻媒體）的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，實現(xiàn)媒體網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

（5）系統(tǒng)與車地無線通信網(wǎng)絡(luò)的無縫接入，實現(xiàn)入庫數(shù)據(jù)自動下載。

上述（1）、（2）、（3）功能均在DTECS系統(tǒng)中得到成熟應(yīng)用。DTECS—2系統(tǒng)的功能與DTECJ系統(tǒng)類似，但其將車載多媒體設(shè)備以及車地無線通信網(wǎng)絡(luò)接入到系統(tǒng)中，在布線簡單化和經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢。

目前DTECS—2系統(tǒng)尚處于概念性研發(fā)階段，為保證其可靠性和兼容性，在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮采用以太網(wǎng)系統(tǒng)和MVB系統(tǒng)共有的形式。其具體構(gòu)成形式為：列車級控制總線采用ECN環(huán)網(wǎng)方式，車輛級控制總線采用MVB與ECN共用的方式，實現(xiàn)列車監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）、牽引控制系統(tǒng)（DCU）、輔助供電控制系統(tǒng)（SIV）、制動控制系統(tǒng)（BCU）、列車自動駕駛系統(tǒng)（ATS）、車門控制系統(tǒng)（EDCU）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、空調(diào)控制系統(tǒng)（HVAC）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）和車地無線通信系統(tǒng)（WAN）互聯(lián)互通。TCMS包括以太網(wǎng)版本列車控制模塊（VCM -M）、車輛控制模塊（VCM）、事件數(shù)據(jù)記錄模塊（EDRM）、人機操作模塊（HMI）、數(shù)字量輸入∕輸出模塊（DXM）、模擬量輸入輸出模塊（AXM）、以太網(wǎng)版本列車數(shù)字量輸入輸出模塊（EIOM））。

CSL1項目的DTECS—2系統(tǒng)列車級控制拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1　DTECS—2系統(tǒng)列車級控制硬件拓撲結(jié)構(gòu)圖

其中ECNN為DTECS—2系統(tǒng)專用以太網(wǎng)交換機。該系統(tǒng)利用一套以太網(wǎng)列車環(huán)網(wǎng)構(gòu)成列車級核心交換網(wǎng)。目前，該列車核心交換網(wǎng)的傳輸速率為100 Mbit∕s。

ECNN有16個100 Mbit∕s全雙工以太網(wǎng)端口、1個DEBUG端口、1個CONSOLE端口和1個電源接口，具有連接速度及雙方連接自動協(xié)調(diào)、自動交叉，以及自動極性、自動發(fā)現(xiàn)、自動路由和自動地址分配（DHCP和DHCP中繼）功能，基本實現(xiàn)零配置即插即用。必備的生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol∕Rapid Spanning Tree Protocol IEEE 802.1d∕802.1w）提供了組建以太環(huán)網(wǎng)的功能，且生成樹自愈時間達到ms級別。DEBUG端口和CONSOLE端口提供不同管理級別的網(wǎng)絡(luò)管理功能，可以使用通用的SSH或SNMP（V1）等開放協(xié)議方便地進行管理和調(diào)試。

在DTECS—2系統(tǒng)車輛級控制系統(tǒng)中，Mp車和M車結(jié)構(gòu)相似，Tc車和Mp車∕M車結(jié)構(gòu)有非常大的不同。DTECS—2系統(tǒng)Tc車車輛級控制拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。Mp車、M車車輛級控制拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，硬線I∕O信號主要指涉及到司機操作以及安全相關(guān)的列車線信號。

在DTECS—2系統(tǒng)中每節(jié)車都有一個VCM，該模塊基本上不承擔控制和邏輯判斷的功能，主要是將MVB總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)列車線上，其DTECS系統(tǒng)中的邏輯控制功能（包括司機室激活控制、方向選擇控制、緊急牽引控制、高速斷路器開閉控制、空電聯(lián)合制動控制、保持制動控制、安全連鎖控制、庫用電源和庫內(nèi)動車控制、空調(diào)啟動順序控制、擴展供電控制）在DTECS—2系統(tǒng)中由VCM-M模塊來完成。

由于ATS和EDCU暫時沒有接入到DTECS—2系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口，Tc車的PIS和CCTV的控制命令（如報站命令等）仍然需要由MVB總線授予。Mp車、M車的PIS和CCTV可直接讀取媒體以太網(wǎng)的音視頻信息，因此不必再接入到MVB總線。

圖2　DTECS—2系統(tǒng)Tc車車輛級控制硬件拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖3　DTECS—2系統(tǒng)Mp車、M車車輛級控制硬件拓撲結(jié)構(gòu)圖

另外，在ECNN內(nèi)部，將媒體以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)以太網(wǎng)劃分為不同VLAN（虛擬局域網(wǎng)），利用IGMP （Internet Group Management Protocol）協(xié)議對媒體數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)設(shè)定不同的優(yōu)先級并進行組播∕多播，設(shè)定不同的QoS（服務(wù)質(zhì)量）等級，以保證在交換網(wǎng)絡(luò)中媒體數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)以規(guī)定隊列發(fā)送∕接收，有效利用帶寬，減少沖突。

由此可以看出，DTECS—2系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)DTECS系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，而且需要增加VCM-M、EIOM、ECNN等模塊，每節(jié)車都必須有一個VCM模塊。這將給成本、總體設(shè)備布置設(shè)計以及調(diào)試等方面帶來一些困難，但該系統(tǒng)將PIS、CCTV等設(shè)備獨立網(wǎng)絡(luò)或獨立硬線集中到TCMS網(wǎng)絡(luò)中，對于布線以及故障處理等方面則帶來了不小的便利。

3　系統(tǒng)性能

根據(jù)IEC 61375系列標準，列車通信網(wǎng)絡(luò)屬于實時網(wǎng)絡(luò)，因此，實時性、可靠性是列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要性能指標。對于地鐵列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，設(shè)計過程中主要參考的技術(shù)指標有網(wǎng)絡(luò)通信速率、支持的數(shù)據(jù)類型、端口種類和數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型和數(shù)量、主要數(shù)據(jù)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)負荷、網(wǎng)絡(luò)延遲、可靠性保障方式、可維護性保障方式、協(xié)議開放性、成熟應(yīng)用案例以及成本價格等。限于篇幅，本文僅對DTECS—2系統(tǒng)的主控模塊網(wǎng)絡(luò)負荷和網(wǎng)絡(luò)延遲進行計算分析。

3.1主控模塊網(wǎng)絡(luò)負荷計算

DTECS—2系統(tǒng)與傳統(tǒng)DTECS系統(tǒng)均屬于列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN），其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可分為3種數(shù)據(jù)類型：用于輪詢牽引、制動、緊急制動、超速保護等信息，以及對實時性要求非常嚴格的周期性過程數(shù)據(jù)；用于響應(yīng)司機室查詢等操作的偶發(fā)性隨機數(shù)據(jù)；用于設(shè)備配置、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷的偶發(fā)性消息數(shù)據(jù)。

首先，需要明確哪些數(shù)據(jù)參與主控模塊網(wǎng)絡(luò)負荷計算。

媒體數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)分別屬于不同的組播∕多播組，主控模塊CPU（中央處理器）不接收和處理媒體數(shù)據(jù)包。此外，偶發(fā)性的隨機數(shù)據(jù)包和偶發(fā)數(shù)據(jù)包在理論計算時是不可預(yù)測的，其數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型符合帕累托分布和泊松分布，對于主控模塊的網(wǎng)絡(luò)負荷非常小，因此偶發(fā)性數(shù)據(jù)負荷計算不在此列。本文僅分析過程數(shù)據(jù)包對于兩種系統(tǒng)中主控模塊所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)負荷。

對于分布式計算系統(tǒng)，主控模塊的網(wǎng)絡(luò)負荷通常用模塊單位時間內(nèi)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量來進行評判。其計算式如下：

式中：

Lrx——主控模塊網(wǎng)絡(luò)接收負載；

i——過程數(shù)據(jù)類型的數(shù)量；

n——列車中設(shè)備的數(shù)量；

t——單位時間，通常取1 s；

T——過程數(shù)據(jù)交換周期；

Ltx——主控模塊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送負載；

j——不同過程數(shù)據(jù)交換周期的數(shù)量。

注：每一次過程數(shù)據(jù)的交換都需要主控模塊接收并處理1個過程數(shù)據(jù)應(yīng)答數(shù)據(jù)包。相同的過程數(shù)據(jù)交換周期內(nèi)，主控模塊僅需要組播∕多播1個過程數(shù)據(jù)請求數(shù)據(jù)包。

表1列出了DTECS—2系統(tǒng)中其他模塊與VCM-M發(fā)生過程數(shù)據(jù)交換的時間周期。

表1　DTECS―2系統(tǒng)中其他模塊與VCM―M發(fā)生過程數(shù)據(jù)交換的時間周期

將表1數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），可得VCM-M網(wǎng)絡(luò)的接收負載（數(shù)據(jù)包）為960個∕s，發(fā)送負載（數(shù)據(jù)包）為160個∕s。

表2中描述了DTECS系統(tǒng)中其他模塊與VCM發(fā)生過程數(shù)據(jù)交換的時間周期。

表2　CSL1項目的DTECS系統(tǒng)中其他模塊與VCM發(fā)生過程數(shù)據(jù)交換的時間周期

將表2數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），可得VCM網(wǎng)絡(luò)的接收負載（數(shù)據(jù)包）為1 117.2個∕s，發(fā)送負載（數(shù)據(jù)包）為35.2個∕s。

3.2網(wǎng)絡(luò)時延

DTECS—2系統(tǒng)與傳統(tǒng)DTECS系統(tǒng)均屬于共享介質(zhì)型網(wǎng)絡(luò)，即同一時刻只能有一個數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。但是對實時性要求較高的TCN，二者均采用了優(yōu)化的介質(zhì)分配方法，如在DTECS—2系統(tǒng)中利用優(yōu)化的媒體訪問控制（MAC）過程，實現(xiàn)了全雙工交換式以太網(wǎng)，而在DTECS系統(tǒng)中有總線主角色進行總線傳輸仲裁。因此，本文僅計算數(shù)據(jù)幀在兩種系統(tǒng)中無碰撞傳輸?shù)睦碚撟畲髸r延。

在DTECS—2系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過交換機進行傳輸，其傳輸時延包括四部分：幀收發(fā)時延、交換時延、線路傳輸時延、幀排隊時延。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過一個交換機的最大時延可由下式計算：

Lmax= m（Lsf＋Lsw＋Lwl＋Lq）（3）式中：

Lmax——數(shù)據(jù)幀在整個交換網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)淖畲髸r延；

m——數(shù)據(jù)幀需要經(jīng)過的最大ECNN數(shù)，在CSL1項目中ECNN共有6個；

Lsf——數(shù)據(jù)幀收發(fā)最大時延，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀最大為1 000字節(jié)，傳輸速度按100 Mbit∕s計算，Lsf=80μs；

Lsw——最大交換機轉(zhuǎn)發(fā)時延，其取決于交換機的內(nèi)部特性，根據(jù)經(jīng)驗，Lsw=3.5μs；

Lwl——最大線路傳輸時延，其取決于網(wǎng)絡(luò)線纜特性和線纜長度，網(wǎng)絡(luò)線路采用雙絞線，在最惡劣的傳輸條件下，雙絞線纜信號傳輸速率取2∕3光速，以太網(wǎng)中單根線纜最大長度為100 m，Lwl=0.5μs；

Lq——數(shù)據(jù)幀排隊時延（即數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)等待時間），其為概率性時延，取決于網(wǎng)絡(luò)負載率，在交換式以太網(wǎng)中最大數(shù)據(jù)幀排隊時延可認為與數(shù)據(jù)幀收發(fā)最大時延一致，為80μs。

將上述數(shù)據(jù)代入式（3）計算可知，在DTECS—2系統(tǒng)中，整個網(wǎng)絡(luò)的最大數(shù)據(jù)幀傳輸延遲為984μs。

對于傳統(tǒng)DTECS系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)最大數(shù)據(jù)幀傳輸延遲亦由式（3）計算得到，其參數(shù)取值如下：

m——數(shù)據(jù)幀需要經(jīng)過的最大中繼模塊（REP）數(shù)，在CSL1項目中REP共有6個；

Lsf——最大數(shù)據(jù)幀長度為256位，其傳輸速率按1.5 Mbit∕s計算，則Lsf約為170.667μs

Lwl——帶變壓器耦合的電氣中距離（EMD）線纜最大長度為200 m，在最惡劣的傳輸條件下，EMD線纜信號傳輸速率取1∕2光速，則Lwl約為0.67μs；

Lsw——最大REP轉(zhuǎn)發(fā)時延，其取決于REP內(nèi)部特性，根據(jù)經(jīng)驗，Lsw約為3μs；

Lq——取值與Lsf一致，取170.667μs。

將上述數(shù)據(jù)代入式（3）可知，在DTECS系統(tǒng)中，整個網(wǎng)絡(luò)的最大數(shù)據(jù)幀傳輸延遲約為2.07 ms。

以上數(shù)據(jù)僅作為理論上的簡單計算，重點在于介紹DTECS—2系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲規(guī)律。由于兩種網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)報文的處理機制不同，故對于網(wǎng)絡(luò)延遲要求及延遲處理方法也不相同。實際上DTECS—2系統(tǒng)與DTECS系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)時延方面并無可比之處，不能一概而論孰優(yōu)孰劣。

4　結(jié)語

基于ECN標準的網(wǎng)絡(luò)控制列車具有優(yōu)異的性能，能夠承載更加多樣化的數(shù)據(jù)、更高的傳輸性能、更低的網(wǎng)絡(luò)負載率以及更低的成本。本文介紹的DTECS—2系統(tǒng)是一種基于以太網(wǎng)和MVB并存的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計樣本。作為創(chuàng)新嘗試，DTECS—2系統(tǒng)目前尚未得到實踐裝車驗證，其性能和可靠性在實際應(yīng)用中會遇到較大問題。但筆者認為，這樣的嘗試是大勢所趨，架設(shè)全以太網(wǎng)化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的需求今后將越來越多。

參考文獻

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Distributed Train Network Control System-2 Based on Ethernet Network

Zhao Dong，Yang Qike，Ye Biao

AbstractIn the procurement project of Changsha metro Line 1，one train is required to adopt the 2nd generation distributed train network control system based on Ethernet network.In this article，functional requirements，architecture and performance of the system are introduced，which is also compared with the traditional distributed train network control system based on multifunction vehicle bus（MVB）.

Key wordsmetro train；distributed train network control system（DTECS）；ethernet consist network

中圖分類號U 231.6

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.016

收稿日期：（2014-06-05）