以太列車骨干網(wǎng)在復(fù)興號(hào)動(dòng)車組中的應(yīng)用

包殿英

摘 要：以太列車骨干網(wǎng)在進(jìn)入日常工作之前已完成初始操作，從而將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣閯?dòng)車設(shè)備可識(shí)別的唯一地址。分析了CR300AF動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的以太列車骨干網(wǎng)，討論了列車以太列車骨干網(wǎng)及其控制邏輯在復(fù)興動(dòng)車組中的應(yīng)用，展示了復(fù)興動(dòng)車組智能和以太列車骨干網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：以太列車骨干網(wǎng);復(fù)興號(hào)動(dòng)車組;技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的動(dòng)車組列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)

低廉的價(jià)格有利于降低列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。許多制造商都生產(chǎn)以太網(wǎng)控制器，而且價(jià)格低廉。與Arcnet等現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)相比，硬件價(jià)格要低得多。除此之外，易于與信息系統(tǒng)集成。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的不足及解決方法

基于工業(yè)以太網(wǎng)的動(dòng)車組列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其空前的速度和安全性激發(fā)了各國鐵路建設(shè)的新熱情。 現(xiàn)在，世界上許多國家都采用了高速鐵路。 作為一項(xiàng)重要的國家政策，交通運(yùn)輸?shù)膽?zhàn)略發(fā)展使高鐵成為一個(gè)國家是否強(qiáng)大的標(biāo)志，它也是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

（1）國外列車網(wǎng)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。目前，國外研究人員幾乎模擬了世界上各種常見的列車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，深入分析了網(wǎng)絡(luò)性能，并在自己了解的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方法。早在1994年，國外研究人員就成功地建立了CAN協(xié)議的通信模型，并首次采用了固定優(yōu)先級(jí)理論。近年來，不同的學(xué)者在此模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)了響應(yīng)時(shí)間模型，修正了之前模型中的一些錯(cuò)誤，并分析了網(wǎng)絡(luò)在最壞情況下無法完成信息傳遞的概率。2003年，Kotzian和Srovnal在Matlab /Simulink中使用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）建立了CAN網(wǎng)絡(luò)的模型，并將CAN網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間與CANoe網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了比較。列車網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在各大高速列車開發(fā)公司相繼出現(xiàn)。以日本新干線為例，經(jīng)過多次的網(wǎng)絡(luò)仿真分析，促使他們將電弧網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到自己的高速列車設(shè)計(jì)中，因?yàn)殡娀【W(wǎng)絡(luò)可以最大程度地匹配列車。

（2）國內(nèi)列車網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀。雖然列車仿真技術(shù)的研究起步較晚，但我國從2005年開始逐步開展Ⅱ模型仿真平臺(tái)的發(fā)展，使用O sunet ARCNET網(wǎng)絡(luò)建模與仿真的綜合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映了網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)，雙重循環(huán)冗余和網(wǎng)絡(luò)交換功能實(shí)現(xiàn)。與中國科學(xué)院軟件研究所聯(lián)合開發(fā)的基于iec613752-5協(xié)議Ⅲ汽車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，完成了以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)絡(luò)建模與仿真、訓(xùn)練以太網(wǎng)主干在列車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了理論支持。

2 以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)

（1）WLAN/GSM/GPS可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。它可以發(fā)送實(shí)時(shí)信息、大容量信息和“心跳”數(shù)據(jù)。為以太網(wǎng)列車提供了一些參考。在國外的研究中，Tarek K. Regaat提出了一種交換以太網(wǎng)列車控制網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)以兩列火車為研究對(duì)象，每列火車包含兩個(gè)專用開關(guān)，分別控制火車的控制數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)。 該網(wǎng)絡(luò)提供DVD視頻流和WiFi接入，并且研究了在不同負(fù)載下控制數(shù)據(jù)的不同時(shí)延。 火車融合網(wǎng)絡(luò)寬帶研究了多媒體傳輸?shù)目煽啃裕⑻岢隽艘环N動(dòng)態(tài)VLAN以太網(wǎng)來裝備火車?；謴?fù)時(shí)間為100.200 ms，具有較強(qiáng)的時(shí)延性。最后，國內(nèi)外對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在OpenNet軟件在列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用上。在列車仿真和列車網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)用層面，對(duì)新的列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新的列車骨干網(wǎng)的具體化研究較少。以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)是一種新的列車網(wǎng)絡(luò)，用來替代TCN協(xié)議的骨干WTB網(wǎng)絡(luò)。本文的意義在于進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)，為在火車上配置以太網(wǎng)火車骨干網(wǎng)提供參考。 無線CBTC是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。 作為開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于IEEE802.11的無線以太網(wǎng)技術(shù)和基于802.3的以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，先進(jìn)且廉價(jià)，并且已經(jīng)成功地應(yīng)用于自動(dòng)列車控制系統(tǒng)中。分析表明，基于802.11的無線以太網(wǎng)的性能可以滿足城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。 作者的創(chuàng)新點(diǎn)：分析了基于開放標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.1）的無線以太網(wǎng)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的可用性，并提出了一種基于無線以太網(wǎng)的CBTC無線網(wǎng)絡(luò)車對(duì)地通信容錯(cuò)方案。

（2）動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是動(dòng)車的核心組件之一。其功能單元包括控制系統(tǒng)，車輛控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和信息交換。車列控制單元是一種具有診斷功能和控制功能的車列控制裝置。系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個(gè)作為主控制裝置，另一個(gè)作為備用控制裝置。備用設(shè)備不斷地檢查主設(shè)備的狀態(tài)。當(dāng)主要設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備將取代主要設(shè)備，并執(zhí)行列車中央控制單元的功能，以確保整個(gè)列車的正常運(yùn)行。

（3）I/O單元。通過配置合適的數(shù)字輸入輸出模塊和模擬輸入輸出模塊，并安裝在信號(hào)采集場合，完成信息采集和輸出。

3 以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)是目前廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)的一種通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)局域網(wǎng)中的所有計(jì)算機(jī)都連接到一條同軸電纜上，該電纜采用碰撞檢測載波傳感多路接入、以及一個(gè)多端口集線器、網(wǎng)橋或交換機(jī)。采用現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TCN網(wǎng)絡(luò)組成列車網(wǎng)和車網(wǎng)定義了服務(wù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信冗余的定義。列車通信網(wǎng)絡(luò)最終由列車以太網(wǎng)骨干網(wǎng)連接，其穩(wěn)定性和安全性直接決定列車能否正常運(yùn)行。

（1）復(fù)興號(hào)動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EMU的初始運(yùn)行。EMU初始運(yùn)行時(shí)，需要為每個(gè)組件節(jié)點(diǎn)（子網(wǎng)號(hào)）和每個(gè)以太網(wǎng)列車骨干節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)識(shí)別號(hào)。T物理拓?fù)淇偸请S著連接到以太網(wǎng)骨干的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化而更新。EMU的初始操作過程遵循如下規(guī)則：1）在以最低UUID編組的過程中，ETBN的終端節(jié)點(diǎn)稱為ETBN的頂部節(jié)點(diǎn)。2）與train應(yīng)用程序聲明并協(xié)商拓?fù)?。沒有應(yīng)用程序的確認(rèn)，不能添加任何行為。3）只能發(fā)送一個(gè)HELLO消息（IEEE802.3管理幀）（使用管理MAC地址）來找到期望的重連接。拓?fù)涞姆€(wěn)定性基于CRC （cyclic redundancy check）計(jì)算。當(dāng)所有crc（本地的和從其他etbn接收的）是一致的，所有etbn共享相同的拓?fù)洹?/p>

（2）發(fā)現(xiàn)etbn成員。

（3）發(fā)現(xiàn)內(nèi)部成員：這個(gè)框架稱為TTDPTopology框架。在ETB的兩個(gè)方向上，都使用鏈路聚合組發(fā)送TTDPTOPOLOGY幀。

（4）外部部件檢測：例如，當(dāng)列車重新連接/ETB擴(kuò)展時(shí)，定期交換幀將檢測新的外部ETB成員。這個(gè)消息被稱為TTDPHELLO幀。當(dāng)train應(yīng)用程序允許新ETB最初運(yùn)行時(shí)，新成員被添加到ETB拓?fù)渲小浅Ｐ?，它們將配置在更高的傳輸頻率。

（5） ETB共享：ETB線路狀態(tài)由TTDPTopology幀發(fā)送，并被所有ETB共享。每個(gè)ETBN根據(jù)從其端口接收到的TTDPHELLO幀計(jì)算其行狀態(tài)。

4 結(jié)語

對(duì)CR300AF型動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的以太列車骨干網(wǎng)進(jìn)行研究， 重點(diǎn)論述列車骨干網(wǎng)及其控制邏輯在復(fù)興號(hào)動(dòng)車組上的應(yīng)用， 從而展示復(fù)興車組的智能化和以太車骨干網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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