CR300BF中國標準動車組以太網控車技術研究

羅昭強 金 沖 韓東寧

(中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組制造中心，130062,長春//第一作者,高級工程師)

網絡監控系統是動車組的重要組成系統之一，它可以完成各個子系統之間的信息傳輸和共享,協調中央控制系統與各個子系統之間的控制,完成監督和故障判斷任務，以及總結列車工作狀態和運行狀況等。以太網技術因具備通信速率高、大帶寬等特點，使得列車網絡通信更加快速和安全。

1 中國標準動車組網絡拓撲的概念

CR300BF中國標準動車組兩個頭車均配置2個列車級以太網交換機(ETBN)，并且互為冗余；中間車配置1個以太網中繼器，用于放大列車級以太網信號，增加傳輸距離；列車級以太網交換機和中繼器具有斷電旁路功能；每輛車內置2臺車輛級以太網交換機，為設備提供冗余連接。列車以太網按使用用途劃分為控制功能和維護功能，通過設定網絡傳輸優先級保證了控制數據傳輸的可靠性。列車以太網按使用結構分為列車級網絡和車輛級網絡，列車級網絡采用線性拓撲，2條傳輸鏈路互為熱備冗余，傳輸速度為100 Mbit/s；車輛級網絡采用環網結構，各車交換機之間通過鏈路聚合協議進行鏈路冗余連接，具有故障旁路功能，最高帶寬可達200 Mbit/s，鏈路聚合線路冗余切換時間為微秒級。為了方便設備的管理，需要對以太網交換機的節點方向和接口標志進行定義，具體定義如下：

1.1 ETBN節點方向的定義

1(8)車ETBN方向中，1指向列車1(8)車端點，2指向列車8(1)車端點。中間車方向與相鄰列車端點相同，同一單元內ETBN設置UUID(通用唯一識別碼)一致，且方向亦一致，兩單元反向對稱擺放。中間車方向信息通過配置文件的方式，配置在ETBN內存儲，在列車級互聯通信過程中進行傳輸數據。圖1為列車節點方向定義。

圖1 列車節點方向定義

1.2 ETBN接口標志的定義

ETBN具有端口聚合和bypass(斷電導通旁路)功能，聚合線路標志為A、B，表示A線、B線，即：在方向1上使用A1、B1標注線路信息，在方向2上使用A2、B2標注線路信息。A1線路與A2線路間、B1線路與B2線路間均為bypass功能。

2 中國標準動車組以太網網絡控制系統的互聯互通技術

CR300BF中國標準動車組以太網網絡控制系統中互聯互通控制分為以太網網絡初始化、以太網應用初始化、以太網服務端口一致性等3個部分。以太網網絡初始化完成以太網的動態配置，相應列車級以太網拓撲變化，給每個ETBN交換機分配列車級以太網地址，建立ETB(列車級骨干以太網)數據通信；以太網應用初始化指在以太網初始化后，基于以太網初始化的結果，由控制終端控制網絡的節點索引、主控車的識別、方向識別和拓撲確認等；以太網服務端口一致性是指完成以太網初始化和應用初始化后，由以太網功能節點提供網絡地址解析服務、拓撲變化通知服務等。

2.1 以太網網絡初始化

2.1.1 以太網網絡初始化的條件

以太網網絡初始化的條件如下：①列車編組后且ETBN設備初次送電啟動運行；②動車組重聯時，列車級拓撲線路增加，網絡拓撲中的ETBN數目增加；③動車組解編時，列車級拓撲線路減少，ETBN在列車級串行設備的中間位置丟失，更改拓撲并在ETBN丟失后重新計算拓撲，中間區域列車級以太網設備的上電時間比其他設備晚，導致插入延遲使拓撲結構發生變化。

2.1.2 以太網網絡初始化的原則

列車級以太網網絡初始化是列車級以太網網絡自動配置的過程。當設備上電或列車組成設備改變，以及列車聯掛或解編時，ETBN設備要重新對列車級網絡進行重組設定；在特殊情況下，如在降級運行模式(如ETBN丟失或延遲接入)下，可以選擇鎖定拓撲保證列車級IP(互聯網協議)地址分配的穩定。處于列車級的以太網ETBN通過計算、更新和分享拓撲信息，形成列車級網絡配置，并由用戶接口控制。在以太網網絡初始化過程中，所有接入ETB的ETBN設備，通過特定列車拓撲發現協議(TTDP)報文，在整個列車以太網中確定接入的子網數量和ETBN接入數量，以此形成列車級IP映射、列車路由配置、NAT(網絡地址轉換)規則和終端命名等信息；控制終端通過TRDP(列車實時數據通信協議)中ETBN間的交互編組信息控制以太網初始化過程。圖2為以太網網絡初始化后重聯示意圖。

圖2 以太網網絡初始化后重聯示意圖

以太網網絡初始化過程遵循原則如下：將處于編組端點且小于另一編組端點的UUID的ETBN設備命名為頂節點；將ETBN頂節點的ETBN ID(標志)設為1；以頂節點為起點，在ETB方向2上依次升序設定ETBN ID直至另一端點，將除頂節點以外的另一端點命名為底節點；將ETB的參考方向規定為指向ETBN頂節點的方向。正常情況下，ETBN節點處于平等位置，接入ETB中的所有ETBN通過共享ETB連接信息，自主協商生成ETBN頂節點，并按照連接關系形成整個拓撲。在整個拓撲中，ETBN頂節點唯一，因頂節點的確定僅與端點的UUID關聯，故中間ETBN的UUID改變并不會影響頂節點的位置改變。故可通過用戶端口控制拓撲的啟用，在不禁止拓撲發現協議的條件下，以太網網絡初始化的過程不受其他條件影響。在列車重連和解編時，關閉用戶端口控制拓撲的啟用，使列車級網絡自動進行配置。

2.1.3 以太網網絡初始化的過程

在不禁止拓撲發現的條件下，以太網網絡初始化的觸發條件是：任何情況下，當ETBN內部存儲拓撲結構與實際的列車信息不一致時，將激活列車級拓撲發現過程。經過不斷地在ETBN之間實時共享和刷新列車級網絡拓撲信息，整個列車級網絡中的設備將獲得準確而全面的實時列車級拓撲信息。中國標準動車組以太網網絡初始化過程應遵循IEC 61375-2-5 TTDP協議規定。初始化過程如下：上電或列車編組重聯/解編；拓撲發現的報文分為TTDP Hello報文和TTDP Topology報文兩類，正常狀態下發送周期為100 ms；將所有ETBN均設置為允許初始化(上電后默認允許)，通過拓撲發現過程，最終確定ETBN頂節點。頂節點ETBNID設置為1，其他節點依次命名ETBN ID，直至拓撲穩定，最終完成以太網網絡初始化。當初始化結束后，每個節點都應獲得以下信息：①是否為ETBN主設備；②與ETB的方向是同向還是反向；③節點地址；④節點數量；⑤底節點地址；⑥頂節點地址。

2.2 以太網應用初始化

以太網網絡初始化完成后，以太網應用初始化基于以太網網絡初始化的結果，識別主控操作指令，進行以太網應用初始化。以太網應用初始化包括節點排序、方向識別、主控車節點識別等。

2.2.1 節點排序

CR300BF中國標準動車組重聯后，以太網網絡初始化結束，將存在兩種ETB節點地址序列，分別為1-2-3-4和4-3-2-1。在以太網網絡初始化后，由于主設備隨機產生在編組端點，可將擁有UUID較小的ETB節點端點設備定義為地址起始節點，并作為主設備。

2.2.2 方向識別

當確定主控車后，所有從控車必須確定與主控車的方向是否一致，并確定從控車的列車方向。方向辨別的原則是:①以ETB主裝置的方向為列車參考方向，ETB初始運行后，所有節點均應明確節點本身與ETB主設備的方向是否一致。②明確主控車后，主控車參照ETB主設備方向，方向信息包含ETB過程數據，并告知所有從控車。③將從控車相對于ETB主設備的方向與列車參考方向進行比較，如果方向一致，判定為與主控車方向相同；如果方向不一致，判定為與主控車方向相反。④當激活司機室狀態發生改變時，重新辨別相對方向，從控車儲存辨別后的方向信息；如果從控車與主控車比較方向相同，則主控車發出正向命令時，TCU接收到正向命令；如果從控車與主控車比較方向相反，則主控車發出反向命令時，TCU接收到反向命令。

2.2.3 主控車節點識別

動車組占用主控車輛時，主控車發布控制命令，如發送整列車的牽引和制動等命令。只有在辨別了主控車之后，列車才具備接收駕駛室操作命令。主控車辨別的原則是：列車僅占用1輛車，該列車占用的車輛成為主控車，否則列車不生成主控車；當從控車檢測到有多個主車輛時，該主控車被認為是無效的；將鑰匙僅插入1輛車并進行占用，車輛便會辨別出主控車，當車輛鑰匙已被激活且車輛成為主控車時，其他車輛鑰匙也激活，此時，判斷為主控車無效，列車沒有主控車；當列車處于聯掛和解編狀態時，處于聯掛和解編的兩個頭車允許成為主控車，其他任何條件下，不允許中間兩節車輛成為主控車。由于列車在返程或其他工作條件下，主控車的位置需要頻繁更改，此時主控車的辨別是一個動態變化的過程；主控車的更換不會引起初始化操作，但會導致主控車在初始化操作期間主控車辨別和方向辨別發生變化。主控車節點辨別在初始化后，節點數目正確或個別設備異常時，將ETBN轉換位置映射到車輛的實際位置。采用節點索引所有ETB節點的列車級以太網網絡初始化后，需要對初始化數據的來源位置進行識別。在數據中加入位置信息，以確定ETB節點發出的列車級以太網網絡初始化數據與車輛實際位置的對應關系。

3 結語

本文介紹了CR300BF中國標準動車組以太網網絡初始化的條件、原則、過程及結果；詳細闡述了當列車進行單編組和重聯編組時可完成的以太網應用初始化，包括節點排序、主控車節點排序、方向識別，以及在單編組、重聯編組，以及占用主控端、占用重連端司機室、換端狀態下相應的變化。以太網技術作為列車網絡通信技術的新趨勢，未來將廣泛應用于軌道車輛控制系統。