基于以太網的靈活編組列車的網絡控制系統研究

王翔 吳士林

摘要：靈活編組功能是在列車應用需求基礎上發展起來的網絡技術，以響應復雜變化的運維條件，提高軌道交通裝備網絡配置的效率。本文介紹了利用實時以太網技術開發靈活編組動車組網絡控制系統的方法，以適應未來列車網絡系統的發展趨勢。基于以太網的靈活編組技術通過列車拓撲發現協議來實現，自動完成列車在聯掛、解編過程中的網絡配置和拓撲結構變化。本文所闡述的基于以太網的列車靈活編組方法對于解決列車網絡控制系統的應用問題具有較高的參考意義。

關鍵詞：以太網;列車控制;靈活編組;軌道交通;通信技術

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1009-3044（2019）03-0059-02

1 引言

隨著列車控制網絡對傳輸速率的需求的不斷提高，既有通信協議由于速率限制逐漸無法適應大流量的通信傳輸。目前在列車控制網絡上較為廣泛使用的通訊協議有WTB、MVB、CAN等總線，但以上這些列車控制網絡在帶寬上都有所限制，如WTB僅為1.5Mbit/S。以太網絡作為列車控制標準正式被推出以來，憑借其傳輸速率高、適應性強、易于維護與系統集成等優點，迅速被廣泛應用。隨著以太網絡技術的發展，利用以太網為基礎的列車控制標準相繼被推出，其中，由國際電工委員會IEC訂制的列車骨干網（ETB）通信協議IEC 61375-2-5和編組網（ECN）通信協議IEC 61375-3-4以太網控車標準，被正式的列為國際標準，大大推動了列車實時以太網的發展。相較于既有的通訊協議，列車以太網總線具有高數據傳輸速率、靈活編組、應用廣泛、易于維護與系統集成等優點。

靈活編組列車是對應編組形式相對固定的列車而提出的。針對城市軌道交通線路客流在全天不同時段或不同區段的差異性，靈活編組技術能夠通過列車快速地進行聯掛和拆解作業來靈活調整列車編組長度。

網絡控制系統作為列車的大腦和神經，如何對列車的編組數量快速識別并進行配置，成為列車靈活編組技術的一個基礎性課題。隨著IEC61375標準中基于骨干以太網ETB的列車發現協議（TTDP）的發布，采用ETB交換機實現列車的靈活編組具有較高的可行性。因此，本文重點研究采用實時以太網技術實現靈活編組動車組的網絡控制系統方案。

2 列車以太網通信網絡

列車網絡系統分列車控制級和車輛控制級兩級。列車控制級總線由列車骨干網ETB構成，傳輸速率達100Mbps。車輛控制級總線由編組以太網的ECN車輛網構成，傳輸速率達100Mbps。

2.1列車骨干以太網

列車骨干以太網（ETB）于2011年1月正式公布，在工業以太網協議上做了適量修改，以滿足列車通信網絡的需求。ETB網絡繼承了以太網的高帶寬優勢，既能保證實時性，又對不同類型的組網有很強的兼容性，是下一代高速列車控制網絡發展的主流趨勢。

傳統以太網常使用總線型和星型拓撲結構，但以太列車骨干網中規定使用線性拓撲結構。所謂線型拓撲結構是指網絡中各個節點依次進行連接，除了首尾兩個節點外，每個節點的左右都會有相鄰節點，只有相鄰的節點間才可以直接進行數據傳遞。如圖1所示，要將節點1的數據發送到節點4中，則數據必須要經過節點2和節點3之后才能到達。

以太列車骨干網中還規定，列車的每個節點有兩個參考方向，從車尾指向車頭的方向為方向l，從車頭指向車尾的方向為方向2。車輛的物理連線使節點的方向1與車輛的方向l相同，即如果列車上有幾個節點，每個節點的方向1應是相同的，這樣能保證列車通信按照相同的方向進行。列車的首節點（頂節點）地址是01，其余節點按總線方向2從02開始依次遞增編號，最后命名的節點為尾節點（底節點）。以太列車骨干網的參考方向總是指向首節點的方向，如果列車只包括了一個節點，則該節點被靜態指定為首節點。

2.2列車網絡初運行

列車網絡配置的全部過程通過列車初運行來完成，該過程一般發生在列車上電或者列車長度發生變化（節點增加或者減少）的時候。列車網絡初運行必須建立在主干網為線性拓撲結構的基礎之上，而不能出現環形或樹形等拓撲結構。在進行網絡初運行時，每個節點首先運行TTDP協議，發現一個帶方向的有序表，計算出每個子網的標識號和每個節點的標識號，通過這些標識號來建立列車IP映射、列車路由定義、NAT規則并對終端設備進行命名。

3 靈活編組的實現方法

當車輛編組時，在實際的解聯再重聯之后， ETBN通過執行TTDP的協議，讓ETBN之間互相溝通，使列車級網絡能自動執行初運行，完成ETB自動編組的功能。首先，ETBN 會定時發送TTDP Hello數據包， 以偵測是否有新編組連上或是原編組解連。當發現有上述狀況發生， 會通知整臺列車重新進行“初運行”的動作。“初運行”會比較列車兩個終端ETBN， 擁有較小的Consist UUID （universal unique identifier） 者就會成為 ETBN Top Node， 而被賦予 ETBN ID 1， 并依序遞增連接其后的 ETBN ID， 例如 ETBN ID 2， 3， 4 …， 以此類推。這些 ETBN ID 決定了 ETBN 的 IP 地址， 例如 ETBN ID 1 的 IP 地址為10.128.0.1， ID 2 為10.128.0.2， 依此類推。

“初運行”同時也會依前述的順序， 分配ECN子網的IP網段。其方式是先依序給予 ETBN 下ECN的 CN ID （consist network identifier）， 例如CN ID 1， 2， 3 …， 以此類推。每一個ECN會根據被分配到的 CN ID 以及標準所定義的相對應子網網段， 分配子網的IP地址。例如 CN ID 1的子網網段為10.128.64.X/18， CN ID2的子網網段為20.128.128.X/18，以此類推。

以8編組列車為例，靈活編組動車組的列車編組形式最小為2編組，最大為8編組。列車每車設有一個ETB板卡，ETB板卡可根據連接的節點數量，判斷出列車是幾編組，將編組信息發給VCU進行控制，列車可在2-8編組之間實現靈活編組。編組形式如下：

4 結論

以太網技術是未來列車網絡控制系統發展的主流趨勢，本文首先介紹了列車以太網技術及其架構，結合列車網絡控制系統對靈活編組的實際需求描述了網絡初運行過程。在初運行過程中， ETBN 之間會自行偵測重聯與解編， 并完成 IP 地址的分配， 進而實現靈活編組。最后，以最常見8編組列車為例，論文給出了不同編組形式的網絡拓撲實現方式。

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【通聯編輯：梁書】