智能中樞平臺綜合承載網(wǎng)絡(luò)方案研究

宋有為，余浩旸，張春雨

作為城市軌道交通列車的神經(jīng)中樞，列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）負(fù)責(zé)車輛各子系統(tǒng)之間的信息交互，通過采用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實現(xiàn)列車控制、診斷和監(jiān)視的功能，故被稱為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。目前車輛網(wǎng)絡(luò)總線主要有CAN總線、MVB總線和以太網(wǎng)總線3種［1］。隨著軌道列車智能化、舒適化、高速化需求的提高，列車網(wǎng)絡(luò)通信對于大帶寬、高傳輸速率、強(qiáng)實時性的要求越來越高［2］。為解決CAN總線、MVB總線帶寬較窄，傳輸速率較低，以太網(wǎng)總線傳輸時延不確定等問題，本文提出一體化的智能中樞平臺綜合承載網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“綜合承載網(wǎng)絡(luò)”）。

1 綜合承載

綜合承載網(wǎng)絡(luò)是將基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和列車實時以太網(wǎng)協(xié)議（TRDP［3］）技術(shù)進(jìn)行一體化整合。

TSN 是近年來國際產(chǎn)業(yè)界積極推動的全新工業(yè)通信技術(shù)，具備非周期性與周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)奶匦裕箻?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)滿足確定性傳輸［4］。目前，由IEEE、IEC 等組織制定了基于TSN 的工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)底層互操作性標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。IEEE 于 2005 年成立了 IEEE 802.1AVB 工作組，啟動基于以太網(wǎng)架構(gòu)的音頻/視頻傳輸協(xié)議集制定，以解決以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)的實時性、低延時以及流量整形的要求，同時兼容普通以太網(wǎng)［5］。

綜合承載網(wǎng)絡(luò)采用千兆以太網(wǎng)作為列車骨干網(wǎng)總線，綜合承載了控制、維護(hù)和視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。為了解決以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸不確定性的問題，將目前已在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用狀態(tài)良好的TSN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到軌道交通領(lǐng)域，應(yīng)用TSN 網(wǎng)絡(luò)中的IEEE 802.1As 協(xié)議進(jìn)行時間同步，應(yīng)用IEEE 802.1Qbv協(xié)議進(jìn)行時間窗的劃分，進(jìn)而保證大數(shù)據(jù)量的流數(shù)據(jù)不會影響到車輛控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)/故障數(shù)據(jù)的傳輸。

相較于傳統(tǒng)TCMS 網(wǎng)絡(luò)，綜合承載網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢。

1）組網(wǎng)架構(gòu)簡單，擴(kuò)展能力強(qiáng)。將時間敏感數(shù)據(jù)流（控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)/故障數(shù)據(jù)）和非時間敏感數(shù)據(jù)流（流數(shù)據(jù)）在同一網(wǎng)絡(luò)中混合傳輸，并能達(dá)到非關(guān)鍵負(fù)載不影響關(guān)鍵負(fù)載傳輸時延的能力［6］，提高了以太網(wǎng)帶寬的利用率；不僅減少一定數(shù)量的車輛電路，還減少車輛上貫通線和車輛子系統(tǒng)內(nèi)部通信的線纜數(shù)量，減輕了車輛重量。

2）確定性傳輸。基于TSN 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，綜合承載網(wǎng)絡(luò)可以確保交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時延符合要求，列車控制系統(tǒng)可以降低對網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的容忍，提高控車精度。

3）標(biāo)準(zhǔn)化接口。由于綜合承載網(wǎng)絡(luò)承載了車輛上所有子系統(tǒng)間通信的消息數(shù)據(jù)，藉此產(chǎn)生出標(biāo)準(zhǔn)化通信接口協(xié)議，不同項目可從中選取符合項目需求的接口內(nèi)容，降低項目策劃階段的人力和時間成本。

2 網(wǎng)絡(luò)方案

2.1 承載業(yè)務(wù)

綜合承載網(wǎng)絡(luò)融合了TCMS、信號系統(tǒng)、智能乘客服務(wù)系統(tǒng)（IPSS）和閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）等4 類業(yè)務(wù)，通過TSN 骨干網(wǎng)代替原有內(nèi)網(wǎng)，將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合承載。綜合承載網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)及功能見表1。

表1 綜合承載網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)及功能

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綜合承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。以某4編組列車為例，列車骨干網(wǎng)采用雙歸屬環(huán)形組網(wǎng)架構(gòu)（Ring Topology with Dual Homing），各子系統(tǒng)以雙連接的方式接入骨干網(wǎng)。

圖1 綜合承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綜合承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為冗余結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)實現(xiàn)雙網(wǎng)口冗余功能，即骨干網(wǎng)出現(xiàn)單點故障時，子系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠從對端發(fā)送數(shù)據(jù)，確保與車載控制器間存在有效通路；協(xié)議配置默認(rèn)邏輯斷點，以避免產(chǎn)生信令風(fēng)暴；當(dāng)骨干網(wǎng)出現(xiàn)真實斷點時，邏輯斷點自動閉合，所承載的數(shù)據(jù)能夠重新傳輸至目標(biāo)位置，提升網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)性。

綜合承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持多種協(xié)議，協(xié)議配置見表2。

表2 協(xié)議配置

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 全網(wǎng)時鐘同步

綜合承載網(wǎng)絡(luò)采用TSN 網(wǎng)絡(luò)中的IEEE 802.1AS［7］時鐘同步協(xié)議進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的納秒級時間同步。車輛上電后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有TSN交換機(jī)和終端設(shè)備通過協(xié)議算法，自動選取某一個TSN交換機(jī)或者某一個終端設(shè)備作為主時鐘（Clock Master），其余TSN交換機(jī)和終端設(shè)備分別與主時鐘建立同步關(guān)系，稱為從時鐘（Clock Slave），主、從時鐘通過在L2層的數(shù)據(jù)幀內(nèi)插入時間信息，將數(shù)據(jù)幀由網(wǎng)絡(luò)傳輸至各節(jié)點，最終形成時鐘同步關(guān)系［3］。區(qū)別于IEEE 1588v2［8］中的 PTP 在網(wǎng)絡(luò)中的 L3 和 L4 層級傳輸，IEEE 802.1AS 的 gPTP 僅在 L2 層級工作。基于全網(wǎng)時鐘已同步，進(jìn)而實現(xiàn)確定性傳輸。

2.3.2 基于優(yōu)先級的時間整形

采用 TSN 協(xié)議中的 IEEE 802.1Qbv［9］作為其時間整形器（Time Awareness Shaper），如圖2 所示。基于預(yù)先配置的門控周期（或稱時間窗口），各傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)被劃分為不同優(yōu)先級，并限制于僅在被分配的時間段中傳輸。IEEE 802.1Qbv定義的時間窗口能夠賦予網(wǎng)絡(luò)時間觸發(fā)的特性，動態(tài)地為出口隊列提供開/關(guān)控制的機(jī)制。骨干網(wǎng)交換機(jī)周期性地對時間窗口進(jìn)行掃描，并按預(yù)先定義的窗口大小及順序，為不同的傳輸隊列開放，從而形成時間整形功能［3］。流量經(jīng)過整形后，其所占帶寬位于相同時間節(jié)點，從而規(guī)避不同數(shù)據(jù)流重疊或沖突產(chǎn)生的回退而引起的帶寬利用率低，實現(xiàn)多種傳統(tǒng)子系統(tǒng)在同一骨干網(wǎng)下傳輸、流量的綜合承載。

圖2 時間整形器

2.4 網(wǎng)絡(luò)配置

考慮流數(shù)據(jù)帶寬占用率較高，將網(wǎng)絡(luò)邏輯分成上、下2 個邏輯平面，分別對應(yīng)子系統(tǒng)接入的2 個網(wǎng)口，形成信息邏輯隔離。因位于上邏輯平面的數(shù)據(jù)無法進(jìn)入下邏輯平面，由此進(jìn)一步限制由于帶寬占用率過高引起的信令風(fēng)暴。

在普通以太網(wǎng)架構(gòu)下，控制數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)在共同傳輸時，受沖突保護(hù)機(jī)制影響，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包碰撞時不斷回退，引起控制數(shù)據(jù)無法滿足實時性要求。而綜合承載網(wǎng)絡(luò)將IEEE 802.1AS 及IEEE 802.1Qbv 作為網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議［10］，分別為控制數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)配置不同優(yōu)先級，如TCMS 控制數(shù)據(jù)優(yōu)先級為Q7，信號系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)優(yōu)先級為Q5，IPSS流數(shù)據(jù)優(yōu)先級為Q2，CCTV 流數(shù)據(jù)優(yōu)先級為Q0，預(yù)先配置時間窗口以實現(xiàn)對流量的時間整形，規(guī)避控制數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)碰撞的風(fēng)險。

在千兆網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)包傳輸速率為：1 000×106÷106÷8=125 bytes/μs。

1）TCMS控制信息。同時發(fā)送3種數(shù)據(jù)包，單個包長400字節(jié)，傳輸周期50 ms，生命周期250 μs。單個TCMS 數(shù)據(jù)包所需傳輸時間為tTCMS=需要同時發(fā)送 3 種數(shù)據(jù)包，因此需要至少給 TCMS 預(yù)留 4 μs×3=12 μs 時間窗口。

2）ATC 信號系統(tǒng)控制信息。同時發(fā)送2 種數(shù)據(jù)包，單個包長最大1 518 字節(jié)，傳輸周期60 ms，生命周期250 μs。單個信號系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)包所需傳輸時間為需要同時發(fā)送2 種數(shù)據(jù)包，因此需給信號系統(tǒng)至少預(yù)留13 μs×2=26 μs時間窗口。

3）IPSS視頻信息。通過以太網(wǎng)劃分包長（最大包長1 518字節(jié)），占用帶寬40 Mb/s，單個流數(shù)據(jù)包所需傳輸時間每個時間窗口內(nèi)發(fā)送一包IPSS數(shù)據(jù)就可滿足IPSS的帶寬占用量，因此需給IPSS至少預(yù)留13 μs的時間窗口。

4）CCTV 視頻信息。通過以太網(wǎng)劃分包長（最大包長1 518 字節(jié)），最少占用帶寬200 Mb/s，單個流數(shù)據(jù)包所需傳輸時間13 μs，每個時間窗口發(fā)送3 包數(shù)據(jù)就可滿足CCTV的帶寬占用量，因此需給CCTV 至少預(yù)留39 μs 的時間窗口。

在此示例中，前18 μs 是TCMS 數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，其后34 μs 信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，接下來的22 μs IPSS 數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而CCTV 數(shù)據(jù)被分配在最后51 μs 進(jìn)行傳輸，從而最大程度避免數(shù)據(jù)包之間的沖突，實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)在相同骨干網(wǎng)進(jìn)行綜合承載。

3 測試驗證

3.1 首輪交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試

首輪測試的重心在于驗證TSN 網(wǎng)絡(luò)作為列車骨干網(wǎng)的可行性。由4 臺交換機(jī)搭建的小型化網(wǎng)絡(luò)（2編組），僅接入TCMS 網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備，驗證其網(wǎng)絡(luò)時延、丟包狀況是否合理且滿足業(yè)務(wù)需求。使用板卡對發(fā)送和接收帶時間戳經(jīng)過4 臺交換機(jī)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行測試，通過開啟、關(guān)閉時間整形器功能，采用Wireshark抓包軟件獲取數(shù)據(jù)包的信息，對比控制數(shù)據(jù)的傳輸性能。首輪測試結(jié)果見表3。

表3 首輪測試結(jié)果

首輪測試可知，控制數(shù)據(jù)通過單交換機(jī)的時延約為12 μs，符合業(yè)務(wù)需求，驗證了TSN 網(wǎng)絡(luò)用于綜合承載的可靠性。

3.2 第2輪綜合承載測試

綜合承載網(wǎng)絡(luò)測試場景下，重點測試TSN 協(xié)議AS 和Qbv 功能，時延、丟包、抖動等性能參數(shù)，以及非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的效果。需要測試正常環(huán)境和不同程度的IPSS、CCTV 流量灌包場景下，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的性能，以及非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如攝像頭的畫面效果。本測試由4 臺交換機(jī)搭建的小型化網(wǎng)絡(luò)（2 編組），其中各子系統(tǒng)以仿真軟件的形式，采用TRDP 及UDP 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。骨干網(wǎng)中配置相應(yīng)的IEEE 802.1AS 和IEEE 802.1Qbv 協(xié)議，并預(yù)配置相應(yīng)的時間窗口，同時加入了相應(yīng)的IPSS、CCTV 數(shù)據(jù)流，測試網(wǎng)絡(luò)的可用性。第2 輪測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析見表4。

表4 第2輪測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)分析，在接入TES、CCTV 數(shù)據(jù)流之后，控制數(shù)據(jù)的時延變化在預(yù)期軟件抓取誤差范圍內(nèi)，驗證TSN 網(wǎng)絡(luò)功能有效，流數(shù)據(jù)不會影響控制數(shù)據(jù)傳輸，因此在實際列車中綜合承載方案可行。

4 總結(jié)

隨著軌道交通的快速發(fā)展和城市軌道交通的普及，對列車通信技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理、精度控制以及智能化的要求越來越高。本文提出了基于TSN 網(wǎng)絡(luò)的智能中樞平臺綜合承載網(wǎng)絡(luò)方案，即在同一骨干網(wǎng)內(nèi)完成控制網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，減少車輛線纜，進(jìn)而減輕車重，還可提高控制精度。通過室內(nèi)試驗驗證了方案的可行性，為方案的實際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為未來深入研究奠定理論基礎(chǔ)和研究方向。