基于以太網的城軌列車網絡系統設計

劉 超，張紅星，李如石，王吉松

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

目前列車網絡控制系統TCMS 中大多采用WTB/MVB 總線實現網絡控制、監視和診斷功能，并單獨設置以太網實現各系統應用軟件上載、故障數據下載等維護功能。以太網通信技術具有數據傳輸速率高、可靠性強、易于擴展及開發成本低的 優 點［1-4］。隨 著IEC 61375-3-4、IEC 61375-2-5和IEC 61375-2-3 標準的發布［5-7］，同時為了引領列車網絡控制技術發展，國內各主機廠和科研院所都非常注重列車以太網通信技術的研究，但其主要集中在列車實時數據協議、列車冗余結構和性能的研究。文中主要從標準中梯形拓撲結構出發，設計了集大數據量信息傳輸、智能診斷、旅客娛樂信息服務等功能為一體的多網融合列車網絡架構，這對于列車網絡系統的發展具有重要意義。

1 以太網列車控制系統架構

以某6 輛編組地鐵為例，進行以太網列車網絡系統的研究。基于以太網的列車網絡拓撲如圖1所示。本拓撲中列車級網絡和車輛級網絡均采用ECN，每輛車中配備多個以太網交換機形成車輛內子網，每車內的子網串行連接到主干鏈路，且在子網的另一側編組交換機之間使用本地鏈路互連形成各自編組網節點對。這種設計在2 條主干鏈路的子網互為冗余，同時在單網絡部件失效時繼續ECN 上的通信，提高了網絡冗余可靠性和數據傳輸速度，滿足了目前車輛運行時數據實時傳輸和維護時數據量大的需求。

圖1 以太網網絡拓撲示意圖

2 設計架構分析

列車網絡中通過交換機端口可同時連接車輛的終端設備（火警/空調/車門等系統控制單元）進行車輛通信。列車網絡設計采用梯形以太網冗余結構，并將網絡系統TCMS、旅客信息系統PIS、火警系統FAS 和維護網進行多網融合，通過劃分虛擬局域網VLAN 將不同系統的設備在邏輯上進行區分，使各子網間通信隔離，提高網絡安全性。

2.1 主要技術路線

2.1.1 梯形拓撲特點

基于以太網的梯形網絡，采用環協議管理整個網絡，根據IEC 61375 標準，具有以下特點：

（1）列車交換機數量通常不做限制。

（2）每個交換機在網絡中有唯一的名稱標識，且名稱長度不超過16 個字符。

（3）車內環有單獨的環標識（Ring ID）。

（4）交換機上每個接口最多劃分到2 個車內環中，并且連接2 個環的接口需要在2 個環中分別配置。

（5）允許多個互連環組成更復雜拓撲。

（6）當環中的一個鏈路被禁用或故障，可通過另一側鏈路進行數據傳輸，避免單一線路故障情況下丟失數據，提高數據傳輸的可靠性。

2.1.2 環協議配置實現

在本梯形拓撲結構中［5］，環協議在交換機中的配置實現是關鍵。環鏈拓撲結構如圖2 所示，圖中環1（Ring 1）代表車輛1 中網絡，環3（Ring 3）代表車輛2 中網絡。環2（Ring 2）代表車輛1 和車輛2之間通信網絡，實現環1 和環3 之間的通信。以交換機B1 為例，交換機B1 被劃分到Ring2 和Ring3 中。

圖2 環鏈拓撲結構

其B1 的配置實現過程如下：

；環協議設置

SW_NAME = ETX_201_B1；交換機名稱

UCRING_VLAN = 2257；交換機自身VLAN

；環2 設置

RING1_ENABLE = 1；環使能

RING1_ID = 2；環標識

RING1_PRIO = 10；交換機中環優先級

RING1_PORTS = 3 1；在環中被使用的端口，該端口的STP（生成樹協議）不可用

；環3 設置

RING2_ENABLE = 1；環使能

RING2_ID = 3；環標識

RING2_PRIO = 100；交換機中環優先級

RING2_PORTS = 1 2；在環中被使用的端口，該端口的STP（生成樹協議）不可用

；端口1 設置

PORT1_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配

；端口2 設置

PORT2_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配

；端口3 設置

PORT3_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配。

2.2 基于VLAN 的多網融合設計

在圖1 中，PIS 系統的攝像頭和客室控制單元SCU 通過以太網接口均連接到交換機上，通過SCU 和顯示屏之間的通信，實現攝像頭中相關調用命令和視頻流信息傳輸。另外，FAS 系統中各車廂火警探測器通過以太網連接到列車網絡系統交換機，火警探測器采集本車火警探頭狀態后，經骨干以太網將信息傳輸到火警主機，減少了以往FAS 火警探測器與火警主機之間的CAN/RS485 總線連接。最后，通過骨干以太網還可實現全列車網絡設備的遠程維護和接口標準化，相比傳統的控制網（WTB/MVB 總線）和維護網（以太網）獨立網絡，降低了網絡結構復雜度。可見，網絡控制系統、PIS 系統子網、火警系統子網和維護網，通過共用骨干以太網傳輸通道，實現了列車各系統子網的多網融合，這不僅提高了列車調試效率，而且極大地節省了列車布線空間，降低了布線難度。

本 設 計 中TCMS 子 網、PIS 子 網、FAS 子 網 和維護網共享1 個物理網絡，通過劃分VLAN，使得PIS、FAS 和維護計算機設備無法隨意訪問TCMS網絡，解決了廣播域擴大帶來的性能和安全性降低問題。

2.2.1 子網VLAN 劃分原則

VLAN 技術能夠在邏輯上把一個物理局域網分隔為多個廣播域，每個廣播域稱為一個虛擬局域網。VLAN 劃分常見的方法有：基于源端口劃分、基于源MAC 地址劃分和基于源IP 地址劃分。文中的設計主要基于源端口劃分VLAN，具體劃分原則如下：

TCMS 子網VLAN ID =10；

PIS 子網VLAN ID =20；

FAS 子網VLAN ID =30；

維護子網VLAN ID =40。

2.2.2 子網VLAN 實現方法

默認情況下，VLAN 標識符2257 專用于交換機Ring 協議。考慮網絡安全性，應在交換機每個環形端口上配置VLAN 標識符2257。為滿足終端設備不同子網的使用需要，需要將骨干以太網交換機上的端口配置為所有子網的VLAN ID 值。

如圖2 中ETX_201_B1 中端口1 作為環形端口，其端口中VLAN 配置如下：

；端 口1 的VLAN 設 置

PORT1_STPST = disabled；STP 不可用

PORT1_AUTONEG = enable；默認使能

PORT1_SPEED = auto；端口傳輸速度［10，100，1 000 | auto］

PORT1_VLANS = 1 2257 10 20 30 40；基于端口的VLAN 標識符，因PORT1 在列車級骨干網總線上，作為列車級級聯口，需將所有VLAN 數據進行傳輸

PORT1_DEFVLAN = disable；默 認 的VLAN- 允許/禁止未標記的幀［enable | disable］

PORT1_8021Q = secure；端口802.1Q 檢查。

2.2.3 子網優先級設計

在列車網絡中，為保證不同業務的子網之間通信正常，防止總線擁塞，按照列車中控制網數據優先，其次是火警信息、視頻信息、維護信息的重要性原則，進行傳輸數據優先級設計。在802.1Q VLAN 報頭中包含一個3 位優先級碼點（PCP）字段，該字段引用一個幀服務類（QoS），即一個介于0 和7 之間的優先級值。QoS 默認情況下按照IEC 61375-3-4 標準均勻映射到隊列優先級，映射表可以在交換機配置文件中修改。其映射表見表1：

表1 映射表

具體在端口中配置如下：

；端口1 的QoS 設置

PORT1_QOS_VLAN = enable；基 于802.1Q header［enable | disable］的優先級

PORT1_DEFCOS = 7；入口幀默認的服務優先級別，7 代表TCMS 子網這個VLAN 的優先級最高。

2.2.4 子網終端設備要求

列車網絡所劃分為TCMS 子網、PIS 子網、FAS 子網和維護子網，這些子網中終端設備（如火警/空調/車門等）通過不同的網段進行區分，網絡結構中的每一個終端設備具有唯一的IP 地址。其分配原則如下：

TCMS 子網網段IP：10.1.X.Y；

PIS 子網網段IP：10.2.X.Y；

FAS 子網網段IP：10.3.X.Y；

維護子網網段IP：10.4.X.Y；

其 中X 代 表 車 輛 號（1～6 車），Y 代 表 設 備（1～254）。

子網掩碼設置為255.255.0.0。

3 數據通信應用設計

3.1 TRDP 通信

列車實時數據協議TRDP（Train Real-time Data Protocol）由IEC 61375-2-3 定 義［7］。TRDP 協 議位于TCP/UDP 傳輸層之上，提供車輛內或車輛間應用的通信。TRDP 主要用于過程數據（Process Data）和消息數據（Message Data）的傳輸。過程數據主要用于列車控制，傳遞命令和狀態消息，數據量大，要求高可靠性、實時性和確定性，一般周期性傳送。消息數據主要用于故障和診斷信息，數據量長短不一，一般按需傳送，并要求有一定的實時性。使用TRDP 協議，標準規定過程數據最小周期為20 ms，對于控制網中關鍵系統如牽引制動，其數據傳輸周期定義為20 ms，對于其他非關鍵系統數據，其傳輸周期是最小周期的整數倍。

3.2 ComId 設計

TRDP 定義了過程數據之間的通信，即過程數據單元PD-PDU 的數據結構。每個TRDP 通信都使用一個ComId，該ComId 在每個PDU 報頭中傳送。ComId、源IP 地址以及目的IP 地址組合形成列車內PDU 的唯一標識符。ComId 是應用相關的，在本設計中定義ComId 使用0xXYU 的組合方式。其中，X 代表發送設備的類型編碼；Y 代表接收設備的類型編碼，當有多個設備時使用00；U 表示數據端口周期的快慢，其中1 為快速。例如VCU 發給牽引的ComId 為01051，牽引發給VCU及HMI 的ComId 為05001。

3.3 組播地址

VCU 與終端設備之間通過組播通信完成數據傳輸。 ECN 組播組IP 地址為239.255.0.0/16。VCU 和終端設備之間通過組播實現數據傳輸，VCU 使用的組播地址239.255.0.001。ED 使用的組播地址，239.255.0.X，X 根據不同系統區分。

4 運用效果

4.1 控制功能實現

在列車以太網維護接口使用Wireshark 抓取6輛編組以太網的通信數據包，數據顯示TCMS 能夠與列車中牽引、制動等系統進行正常的過程數據傳輸，實現了司機室激活控制、牽引封鎖控制、電空混合制動控制、保持制動控制等網絡管理功能，保證了列車的正常運行。同時實現了各攝像頭視頻信息在列車顯示屏中的正常顯示。

4.2 系統帶寬計算

本設計中列車骨干網采用1 000 Mbit/s 以太網總線，其傳輸數據類型主要分為4 種：TCMS 控制數據、PIS 視頻數據、FAS 火警數據以及各系統維護數據。TCMS 控制數據和FAS 火警數據均采用TRDP 數據傳輸，根據抓包數據分析如圖3 所示，其占用帶約為2.251 Mbit/s。

圖3 TRDP 通信數據包

PIS 視頻數據采用H.264 格式和分辨率為720 p 的碼流進行數據傳輸。正常運行時，其每路攝像頭在總線上傳輸帶寬約為0.757 Mbit/s，如圖4 所示。司機顯示屏調用視頻流的極限情況為2 個顯示屏同時調用各自的4 路監控，此時視頻信息占用總線帶寬約為0.757×2×4=6.056 Mbit/s。另外，按照理論設計最高2 M 的編碼率，計算整個PIS 系 統 占 用 最 大 帶 寬 約 為2 Mbit/s×3（3 路/車廂）×6（6 車廂/列）=36 Mbit/s。

圖4 PIS 視頻流傳輸

各系統維護數據，僅在列車靜止并在庫內檢修時使用，與各系統數據傳輸量相關，不會與列車正常運行時傳輸數據搶占帶寬。

可見，通過VLAN 劃分、端口限速以及基于環協議的廣播風暴抑制，實現了以太網總線帶寬的合理分配，保證了列車網絡通信的完整性和實時性。

4.3 過程數據延時和抖動

延時指在2 個終端設備之間鏈路層上幀的傳輸時間。IEC 61375-3-4 標準中規定，TRDP 協議的過程數據最大延時為10 ms。使用Wireshark 抓取數據包5 min，統計數據最大延時約為8.666 ms，如圖5 所示。

抖動是指各幀傳輸時間的差異。在底層使用加擾線路狀態測量峰值抖動，包括占空比失真和基線漂移影響在內的總發射抖動不得超過1.4 ns。IEC 61375-3-4 標準中規定過程數據的最大抖動為10 ms。根據圖5 中最大延時與最小延時數據，粗略計算傳輸抖動為8.716 ms。

圖5 過程數據延時分析

從抓包數據分析，本設計列車總線上對于控制列車運行的關鍵過程數據在傳輸性能上滿足標準設計要求。

5 結束語

基于以太網通信的列車網絡設計，通過列車梯形拓撲和劃分VLAN，實現了多網融合，在很大程度上節省了列車布線空間。以太網總線技術的應用使得列車能夠承載多種大數據量業務，并保證數據傳輸的實時性。此設計已經在新一代智能化B 型地鐵樣車研制中應用并驗證，網絡系統運行正常。