以太網在地鐵列車上的發展與應用

曹成鵬

（北京城市軌道交通咨詢有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，國內地鐵電動客車的列車控制及監視系統（TCMS）主要采用多功能車輛總線（MVB）架構，各子系統通過MVB接口連接到列車網絡上。同時，車載旅客信息系統、視頻監控系統、火災報警系統等均通過自組網的方式進行數據傳輸，該傳輸方式的采用造成車載網絡種類繁多、互不關聯、各自獨立的局面，給車內布線及檢修維護帶來一定的困難。為解決目前車載網絡存在的問題、順應時代的發展、緊跟技術發展的步伐，多網融合成為車載網絡發展的必然趨勢。

隨著列車智能化水平不斷提升、車輛接入TCMS的設備不斷增多，面向旅客的信息將會越來越多。通過MVB傳輸的數據急劇增多，大量的數據交互對傳輸帶寬有了更高的要求。MVB最大傳輸速率僅有1.5 Mbps，受總線帶寬和總線負荷影響，MVB實際使用帶寬僅為允許帶寬的60%，因此，目前基于MVB的網絡架構已經不能滿足列車網絡技術發展的需求。

以太網因其傳輸速率高、網絡靈活性強等優點，近年來在地鐵列車上的應用發展迅猛。在西門子開發的鐵路自動化-以太網系統（SIBAS PN）、龐巴迪開發的機車動車分散式控制系統（MITRAC）、日本聯合體開發的軌道運營系統的列車通信網絡系統（INTER OS）中，均采用了以太網架構并進行了裝車。IEC 61375-2-5-2014《鐵路電子設備. 列車通信網絡（TCN）. 第2-5部分：以太網列車骨干網（ETB）》、IEC 61375-3-4-2014《鐵路電子設備. 列車通信網絡（TCN）. 第3-4部分：以太網編組網（ECN）》等相應的IEC標準的正式發布，也推動了列車以太網的發展。

本文結合以太網在國內地鐵列車上的應用，對以太網的應用技術進行分析。

2 以太網系統構成

基于以太網的TCMS可分為列車控制級和車輛控制級，列車控制級采用以太網環網冗余貫穿全列的方案，該方案中網絡單點故障，不會影響整車通信；在車輛控制級，具有以太網接口的子系統可以進行以太網點對點接入，實現基于以太網的實時通信。關鍵子系統設備采用列車基于安全的實時數據通信協議（TRDP-Safety） 并冗余接入TCMS系統實現列車級網絡與車輛級網絡的數據轉發功能。以太網數據通信速率為100 Mbps，在整個系統架構中列車控制網絡和維護網絡同屬一個網絡，各子系統通過以太網接口接入維護信息網絡，典型的TCMS拓撲結構如圖1所示。

基于以太網的TCMS主要組成設備為中央控制單元（CCU）、以太網交換機、遠程輸入/輸出單元（I/O）、以太網網關模塊、以太網電纜、以太網連接器、數據記錄儀（ERM）、顯示器、以太網終端設備等。

2.1 中央控制單元

CCU負責對車輛進行控制、監視和故障診斷，同時具備ERM功能。CCU一般分為CCU1和CCU2，分別安裝在2個頭車，二者互為冗余。在已經采用以太網的地鐵項目中，也有采用將CCU、頭車以太網交換機、頭車I/O單元集成在一個CCU機箱中的方案，頭車CCU機箱配置示意圖如圖2所示，機箱內部的關聯關系如圖 3所示，該方案可采用雙CPU的冗余方式。

2.2 以太網交換機

交換機作為以太網的核心設備，不論在構建的列車級以太網還是車輛級以太網中，均承載著以太網的數據交換功能。以太網交換機不同于其他網絡交換機，除具備通用三層交換機的功能外，還需具備軟硬件bypass功能（bypass是指可以通過特定的觸發狀態讓2個網絡不通過網絡安全設備而直接在物理上導通，當網絡安全設備出現故障后、可以讓連接在這臺設備上的網絡相互導通）、簡易便捷的 WEB 配置管理功能。目前產品體系有以太網編組網（ECN）、以太網列車骨干網（ETB）等多個系列，支持百兆、千兆速率，端口數量可配置。以太網交換機可支持IEC 61375-2-5-2014、IEC 61375-3-4-2014 等多項國際標準協議。

2.3 遠程輸入輸出單元

遠程I/O單元負責采集列車數字量和模擬量信號，同時依據CCU指令進行I/O控制。

目前采用以太網控車的國內地鐵項目中，也有將遠程I/O單元和以太網交換機集成在車輛控制單元（VCU）機箱中，VCU實物如圖4所示。

2.4 以太網終端設備

以太網終端設備包括牽引控制單元、制動控制單元等具備以太網接口的車輛以及各子系統連接至以太網交換機上的設備。

2.5 以太網連接器

以太網連接器可采用符合DIN EN 61076-2-101-2013《電子設備連接器.產品要求.第2-101部分：帶螺釘鎖緊的M12連接器的詳細規范》的M12 D型連接器，設備側采用插孔，電纜側采用插針，連接器如圖5所示。

2.6 以太網網關模塊、數據記錄儀、顯示器

以太網網關模塊主要實現以太網數據協議轉換功能，用于將車輛狀態數據通過車載無線設備發送至地面。網關作為列車網絡與地面網絡的安全防火墻設備，具有報文過濾、狀態檢測、攻擊防御、報文加解密等安全策略，用于保護列車TCMS網絡免受外部網絡非法訪問和攻擊。

ERM主要功能是通過以太網接口與列車網絡相連、I/O接口與列車硬線相連，對列車數據重新整理、解析、存儲，實現地鐵工作人員對列車進行實時監視、診斷、檢修的功能。采用CCU、頭車以太網交換機、頭車的I/O單元集成在CCU機箱的項目，也可將ERM功能集成在CCU機箱中。

顯示器作為TCMS的顯示終端，是司機及維護人員與列車之間的人機交互界面，具備信息顯示、參數設定、功能測試等功能。

3 以太網在國內地鐵列車上的工程案例及不足

3.1 以太網與MVB雙網冗余方案

在已投入運行的某全自動運行線路的列車上，已經批量應用了MVB和以太網雙冗余網絡架構，列車控制總線采用以太網環網冗余貫穿全列，同時采用MVB列車級總線，網絡中單點故障，不影響整列通信。控制、維護同屬一個以太網，網絡拓撲結構如圖6所示。

圖6所示的以太網和MVB雙網冗余方案的一個特點是所有子系統均具有MVB和以太網2種接口，但是中間4輛車的中繼器并未進行冗余設計，此處也成為該MVB網絡的薄弱點。由于該方案同時存在以太網和MVB通信，各設備可采用組播方式進行通信，避免CPU負荷過大。

3.2 以太網為主的以太網和 MVB 雙冗余方案

目前在已批量交付的某8輛編組全自動運行線路的列車上，采用了以太網為主的以太網和MVB雙冗余網絡架構。列車級網絡包括以太網和MVB總線，采用雙網絡線性拓撲結構，交換機具備旁路功能，多點故障不影響列車正常運行，具有較高的可靠性，其中以太網數據傳輸速率為100 Mbps，具有較強的數據交互能力。車輛級網絡也采用以太網，數據傳輸速率為100 Mbps，設備通過2個以太網口分別接入到車輛網絡中。車輛級網絡預留MVB線接口，可為部分不具備以太網接口的設備提供MVB接口接入到車輛網絡中。列車控制網絡和維護網絡共用1套以太網，網絡拓撲如圖7所示。

圖7所示的以太網為主的以太網和MVB雙冗余方案與圖6所示以太網和MVB雙網冗余方案相比，只有CCU、信號系統控制單元（ATC）、牽引系統（包括輔助供電）控制單元（DCU/M、DCU/A）、制動控制單元（BCU/G）、ERM具有MVB接口，車門、空調、廣播、走行部在線檢測、火警、I/O單元等設備只有以太網接口，此接口配置既降低了成本，也進一步加大了以太網控車的比例。

在以太網為主的以太網和MVB雙冗余方案網絡中，具有MVB接口的CCU、ATC、DCU/M、DCU/A、ERM同時具有以太網接口，但是由于該項目制動系統廠家的成熟產品不支持以太網接口，BCU/G只有MVB接口，沒有以太網接口。因此，BCU/G單元并沒有直接接入以太網，即使該設備通過網關接入以太網，也存在數據傳輸延遲大、故障點增多等問題。

并且此項目中以太網與MVB網絡模式需通過司機臺上模式開關進行切換，當模式開關在“自動”位時、處于以太網控車模式，此時即使以太網兩路通信均中斷，也不會自動切換到MVB控車模式，而需要司機判斷出故障工況后、手動操作模式開關才可切換到MVB控車模式，此切換方式降低了智能化程度，尤其在全自動運行工況下，當以太網故障時無法通過遠程控制切換到MVB控車模式、降低了列車的可用性。

3.3 純以太網控車方案

在另一已經投產的8輛編組全自動線路的列車上，進一步采用純以太網控車方案，在該方案中列車控制級網絡采用以太網作為列車的通信控制網絡，且貫穿全列，網絡中單點故障不影響整車通信。車輛級網絡同樣采用以太網進行通信，各子系統通過以太網接口連接到網絡，實現點對點接入的以太網通信，網絡拓撲如圖1所示。

圖1所示的純以太網控車方案與圖7所示的以太網為主的以太網和MVB雙冗余方案相比，在系統配置上減少了MVB設備及板卡數量，降低了成本。對于如制動和信號等重要的系統采用雙以太網口進行通信冗余，保證數據可靠性。但該項目基于其牽引系統廠家產品的特性，只在頭車的牽引系統2個MCU實現主從冗余，牽引系統層面仍設置了1個MVB網絡，如圖8所示，也并未實現所有關鍵智能控制單元均采用以太網接口，且仍需重點關注牽引系統層面MVB網絡的可靠性問題。

4 結論

目前通信速率高、靈活性強和實現簡單的以太網在地鐵列車上已經開始應用，國內地鐵領域TCMS由傳統的MVB控車（以太網僅為維護網絡）的網絡架構，經過MVB和以太網雙冗余網絡架構的過渡，向純以太網控車的方向發展。但目前，地鐵領域以太網的應用還處于起步及過渡階段，在采用以太網與MVB雙網冗余方案中，存在MVB網絡冗余被忽略的問題，并且同時存在以太網和MVB兩種通信網絡的項目，存在CPU負荷過大的風險。在采用以太網為主的以太網和MVB雙冗余網絡方案中，以太網通信時不會自動切換到MVB控車模式，需要人工手動操作模式開關進行切換，降低了列車的智能化程度，在全自動運行工況下，當以太網發生故障時會降低列車的可用性。在純以太網控車的TCMS中，仍存在關鍵智能控制單元未全部采用以太網接口、由于局部MVB網絡配置問題導致TCMS可靠性降低的情況。上述問題在后續應用以太網的新項目設計過程中需要予以重視并改進。