以太網(wǎng)絡(luò)拓撲在軌道交通車輛中的應(yīng)用分析*

張福景，張立斌，劉 佳

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司， 遼寧大連116052）

隨著計算機技術(shù)和列車控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷發(fā)展，目前軌道交通列車上普遍使用的MVB、CAN 等總線技術(shù)。由于總線網(wǎng)絡(luò)拓撲單一、信息傳播速度低、組網(wǎng)靈活性差、吞吐能力有限等原因，已經(jīng)越來越不能滿足未來列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的需求；而以太網(wǎng)具有設(shè)備成本低廉、開放性高、高通信帶寬、技術(shù)成熟等優(yōu)點，成為軌道交通列車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。2014 年左右，國際電工委員會制定 了IEC 61375-2-3 和IEC 61375-3-4 等 標 準［1-2］，進一步促進了以太網(wǎng)絡(luò)在軌道交通列車網(wǎng)絡(luò)控制中的應(yīng)用。目前，加拿大龐巴迪公司開發(fā)的基于以太網(wǎng)的車輛網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)應(yīng)用在德國和荷蘭開行的區(qū)域性列車上，用于管理車上所有的設(shè)備，并且和原有的TCN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同存在；在國內(nèi)動力集中動車組上采用了整車以太網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)了通過以太網(wǎng)進行整車的控制。

1 常用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.1 線性網(wǎng)絡(luò)拓撲

線性網(wǎng)絡(luò)拓撲實現(xiàn)各交換機之間的線性連接，沒有冗余措施，交換機之間的以太網(wǎng)線纜斷開或者交換機故障均會導致整個網(wǎng)絡(luò)的中斷。線性網(wǎng)絡(luò)拓撲連接簡單，實際應(yīng)用中多用在列車簡單的維護網(wǎng)絡(luò)中，交換機一般使用非網(wǎng)管型交換機，以方便整車各設(shè)備的維護為目的，網(wǎng)絡(luò)的故障對整車的控制功能沒有影響，如圖1 所示。

圖1 線性網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲為各交換機之間相互連接并形成一個環(huán)形，這樣當交換機之間的連接線纜出現(xiàn)任意一處斷開時能夠保證整個網(wǎng)絡(luò)的完整性，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的冗余，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。該連接方法在實際列車中應(yīng)用較多，連接方式簡單又能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的冗余。采用該網(wǎng)絡(luò)拓撲連接的交換機需要為管理型交換機，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)在物理上形成一個環(huán)形，為了避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸風暴，在邏輯上不能形成環(huán)形通信，需要在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的一個交換機上進行邏輯配置，使得網(wǎng)絡(luò)在邏輯上斷開，當網(wǎng)絡(luò)上其他地方產(chǎn)生物理線纜斷開時能夠自動恢復(fù)邏輯通信，如圖2 所示。

圖2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.3 梯形網(wǎng)絡(luò)拓撲

梯形網(wǎng)絡(luò)拓撲一般以車節(jié)為單位，每一車節(jié)內(nèi)部的交換機之間進行環(huán)形拓撲連接，車節(jié)之間實現(xiàn)一節(jié)車的2 個交換機與下一節(jié)車的2 個交換機之間的互聯(lián)，這2 組交換機的互連線為冗余關(guān)系，一個連接線為主用線，另一個為備用線，線纜主備關(guān)系在交換機配置中進行設(shè)定，當為主的線纜出現(xiàn)故障時，備用線纜會自動啟用。梯形網(wǎng)絡(luò)拓撲的優(yōu)勢體現(xiàn)在整個網(wǎng)絡(luò)存在車輛內(nèi)部交換機之間的環(huán)形冗余和車節(jié)之間的主備冗余，這樣，當任意車節(jié)內(nèi)部的任意線纜斷開，同時任意車節(jié)之間的任意線纜斷開，都不會影響整車網(wǎng)絡(luò)的整體通信功能，只有當車節(jié)之間連接的2 根線纜全部斷開或者是車節(jié)內(nèi)部出現(xiàn)多個線纜斷點時才會影響整車網(wǎng)絡(luò)的完整性。梯形網(wǎng)絡(luò)拓撲應(yīng)用在對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求比較高的情況，需要交換機具有網(wǎng)絡(luò)配置管理功能，如圖3 所示。

圖3 梯形網(wǎng)絡(luò)拓撲

2 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)展趨勢

2.1 雙端口連接的網(wǎng)絡(luò)拓撲

隨著以太網(wǎng)的普及，現(xiàn)在很多車載設(shè)備控制器含有2 個以上獨立的以太網(wǎng)接口，這就為今后向雙端口連接的網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)展打下基礎(chǔ)。雙端口連接就是一個終端設(shè)備同時連接在2 個以太網(wǎng)交換機上，這樣當其中一個交換機故障時不會導致連接在該交換機上的終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)斷開，上面討論的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲和梯形網(wǎng)絡(luò)拓撲只是解決了當以太網(wǎng)線纜故障時保證整個網(wǎng)絡(luò)的完整性，但是當交換機本身發(fā)生故障時，該交換機所連接的終端設(shè)備就與整個網(wǎng)絡(luò)斷開了，而雙端口網(wǎng)絡(luò)拓撲很好的解決了這個問題。

圖4 雙端口連接網(wǎng)絡(luò)拓撲

在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，當一個交換機發(fā)生故障時，整個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)斷開，但是不影響整個網(wǎng)絡(luò)的完整性，同時，由于終端設(shè)備采用雙端口網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生故障的交換機連接的終端設(shè)備可以通過另一個交換機與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，而不影響網(wǎng)絡(luò)整體通信性能，如圖4 所示。

2.2 適應(yīng)多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)拓撲

目前，在軌道交通車輛上，除了整車監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)外，還存在著各子系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)、整車維護網(wǎng)絡(luò)以及視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)等，為了降低整車布線的難度，減少不必要的重復(fù)布線，整車各網(wǎng)絡(luò)之間的融合是今后的發(fā)展趨勢。 相比傳統(tǒng)的MVB、CAN、RS485 等網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的傳輸速度有了顯著的提升，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)以太網(wǎng)上普遍應(yīng)用，為整車過程數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及突發(fā)性的維護數(shù)據(jù)等在同一個以太網(wǎng)絡(luò)上傳輸提供了條件。整車骨干網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)交換機形成列車級千兆以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，在整車骨干網(wǎng)交換機的基礎(chǔ)上，每節(jié)車各功能子網(wǎng)的交換機分別接入相應(yīng)車節(jié)的骨干網(wǎng)交換機上，各功能子網(wǎng)內(nèi)部以及功能子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互全部通過整車骨干環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 適應(yīng)多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)拓撲

3 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲應(yīng)用實例

某一4 輛編組的列車網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖6 所示，整車網(wǎng)絡(luò)分為列車級和車輛級2 級網(wǎng)絡(luò)，整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了適應(yīng)多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)拓撲，針對特定的設(shè)備采用了雙端口連接的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

列車級網(wǎng)絡(luò)由CS1～CS4 這4 個交換機組成，4個交換機之間采用環(huán)形拓撲連接，保證交換機之間任意連接線纜斷開時不影響整車以太網(wǎng)通信，組成列車級網(wǎng)絡(luò)的交換機均為網(wǎng)管型交換機，為了實現(xiàn)特定的跨子網(wǎng)訪問功能，其中CS2 和CS3 配置為3 層帶路由功能的交換機，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘熊嚰壘W(wǎng)絡(luò)采用千兆以太網(wǎng)。

車輛級網(wǎng)絡(luò)均連接在各車節(jié)的列車級以太網(wǎng)交換機上，車輛級網(wǎng)絡(luò)根據(jù)功能不同，劃分為以下4 個子網(wǎng)：控制功能子網(wǎng)、維護功能子網(wǎng)、視頻傳輸子網(wǎng)和車地無線傳輸子網(wǎng)，子網(wǎng)的劃分保證不同的數(shù)據(jù)只在子網(wǎng)內(nèi)部傳輸，避免了對其他設(shè)備的干擾，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。控制功能子網(wǎng)的設(shè)備盡可能多的直接連接到每一車輛的列車級交換機上，減少過程數(shù)據(jù)在交換機之間傳輸?shù)难訒r，提高過程數(shù)據(jù)的實時性。視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)主要來自車輛廣播系統(tǒng)，包括攝像頭及廣播信息等，這些設(shè)備首先連接到每節(jié)車廣播系統(tǒng)的交換機（PIS-CS）上，然后通過廣播系統(tǒng)的交換機連接到每節(jié)車的列車交換機上；維護功能子網(wǎng)的設(shè)備首先連接到每節(jié)車的維護交換機（MTC-CS）上，這樣連接能夠有效的減少每節(jié)車列車交換機的接點數(shù)，也便于設(shè)備就近連接，減少車輛布線。車地無線傳輸子網(wǎng)主要由T1和T2車的無線傳輸模塊（WDM）組成，2 個WDM 模塊為冗余關(guān)系，分別連接在不同的列車級交換機上，減少列車級交換機故障時對車地無線通信的影響；WDM 模塊需要從過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)和視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)獲取過程和視頻等數(shù)據(jù)，需要WDM 模塊連接的列車級交換機具有路由功能。

在該列車網(wǎng)絡(luò)拓撲中，設(shè)備的子網(wǎng)掩碼為18位（255.255.192.0），其中第3 個字節(jié)掩碼192 所代表的高兩位用于子網(wǎng)劃分。高兩位全為0 代表過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)；高位為0，低位為1 代表視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)；高位為1，低位為0 代表維護數(shù)據(jù)子網(wǎng)；高位為1，低位為1 代表車地無線傳輸子網(wǎng)。過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)的起始IP 地址設(shè)定為：10.0.0.0/18，視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)的起始IP 地址設(shè)定為：10.0.64.0/18，維護數(shù)據(jù)子網(wǎng)的起始IP 地址設(shè)定為：10.0.128.0/18，車地無線傳輸子網(wǎng)的起始IP 地址設(shè)定為：10.0.192.0/18。根據(jù)上述子網(wǎng)IP 地址定義，給網(wǎng)絡(luò)拓撲中所有設(shè)備定義具體的IP 地址，根據(jù)圖6 的整車網(wǎng)絡(luò)拓撲圖搭建網(wǎng)絡(luò)測試平臺，過程數(shù)據(jù)子網(wǎng)按照IEC 61375-2-3 標準規(guī)定的TRDP 協(xié)議進行過程數(shù)據(jù)通信，通信周期采用20 ms；視頻數(shù)據(jù)子網(wǎng)傳輸4 節(jié)車共14 路攝像頭實時視頻信息、流媒體信息及語音信息等；維護數(shù)據(jù)子網(wǎng)進行設(shè)備診斷數(shù)據(jù)的實時下載測試；車地無線傳輸子網(wǎng)進行車輛運行實時數(shù)據(jù)通過4G 或者WiFi 向地面服務(wù)器實時傳輸數(shù)據(jù)的測試。測試結(jié)果表明：在所有子網(wǎng)同時進行最大負載數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，過程數(shù)據(jù)通信功能正常，過程數(shù)據(jù)的最大延時小于10 ms；視頻數(shù)據(jù)的實時顯示及存儲功能正常；子設(shè)備的維護及車地無線傳輸功能正常。

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓撲應(yīng)用實例

4 結(jié)束語

從應(yīng)用的角度描述了現(xiàn)在軌道交通車輛上應(yīng)用的不同類型的以太網(wǎng)拓撲，并分析各種網(wǎng)絡(luò)拓撲的優(yōu)缺點，結(jié)合實際工程應(yīng)用的實例，闡述了以太網(wǎng)拓撲的配置及工作原理，實際測試表明該網(wǎng)絡(luò)拓撲能夠很好的滿足車輛過程控制數(shù)據(jù)的實時性要求，滿足視頻數(shù)據(jù)、車地無線傳輸數(shù)據(jù)及維護數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)通信帶寬要求。