基于列車靈活編組的車載 PIS 系統(tǒng)重聯(lián)網(wǎng)絡技術研究

趙川宇，張榮華

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.蘇州華啟智能科技有限公司，江蘇蘇州 215163）

1 引言

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，城市軌道交通因其大運量、快捷、舒適、安全、環(huán)保等優(yōu)勢已經(jīng)成為解決城市居民大規(guī)模出行最重要的交通方式之一。我國眾多大中型城市已經(jīng)建立以城市軌道交通為骨干的公共交通體系。在全天不同運營時段，城市軌道交通客流分布不均勻，早晚高峰或臨時性時段客流量大，其余時段客流相對不飽和，客流呈潮汐分布態(tài)勢。城市軌道交通大客流情況下運力不足，小客流情況下能源浪費大、運營服務水平低（運營間隔大），這一矛盾越來越明顯[1-3]。

靈活編組運營組織方式是一種通過在車輛段或車站靈活改變列車編組長度來實現(xiàn)客流需求和運力最佳協(xié)同的運營組織技術。同時，隨著城市軌道交通全自動駕駛技術的興起，靈活編組結合全自動駕駛可以很好地適應城市軌道交通的潮汐客流特性，大大提升運營效率。

靈活編組技術要求通過對列車進行快速重聯(lián)和解編作業(yè)來靈活調(diào)整列車編組長度，這對列車控制網(wǎng)絡和車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）網(wǎng)絡提出了更高的要求。列車重聯(lián)和解編過程中如何對列車的編組數(shù)量快速識別并進行網(wǎng)絡配置成為了列車靈活編組技術的一個重要課題。

2 靈活編組網(wǎng)絡技術研究

傳統(tǒng)的絞線式列車總線（WTB）與多功能車輛總線（MVB）網(wǎng)絡不能滿足大數(shù)據(jù)傳輸及靈活編組技術的需求。以太網(wǎng)以其帶寬高、成本低、通用性強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的列車網(wǎng)絡總線應用在城市軌道交通列車的通信網(wǎng)絡中。針對列車靈活編組的應用需求，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)重聯(lián)通信有多種方案。文章首先對行業(yè)內(nèi)經(jīng)典的基于IEC 61375 標準的拓撲發(fā)現(xiàn)架構進行分析和研究，并在此基礎上結合全自動駕駛的應用場景，設計了一種新的適用于車載PIS 系統(tǒng)的重聯(lián)網(wǎng)絡技術方案。

2.1 基于 IEC 61375 標準的以太網(wǎng)重聯(lián)方案

國際電工委員會于2014 年發(fā)布了正式版IEC 61375-2-5 協(xié)議標準，該標準定義了列車以太骨干網(wǎng)協(xié)議，其將整個列車網(wǎng)絡劃分成多個車輛級子網(wǎng)（ECN）和一個列車級骨干網(wǎng)（ETB），通過列車級以太網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議（TTDP）將不同車組進行動態(tài)編組組成一列車，自動完成通信網(wǎng)絡的搭建[1]。該以太網(wǎng)方案目前已經(jīng)成為列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）網(wǎng)絡實現(xiàn)靈活編組的主要方案。

ETB 貫穿整個列車，主要用于實現(xiàn)列車級網(wǎng)絡管理與控制、動態(tài)組網(wǎng)等功能。ECN 包括單節(jié)、兩節(jié)或更多車輛組成固定編組時車輛內(nèi)部及跨車組網(wǎng)，負責本節(jié)或本組車輛的網(wǎng)絡管理[4]。ETB 網(wǎng)絡使用線型拓撲結構，網(wǎng)絡中各個節(jié)點依次進行連接，其拓撲結構如圖1 所示[1]。

圖1 ETB 分層拓撲結構

當列車增加、減少車輛或列車剛上電運行時，都會引發(fā)列車網(wǎng)絡的初運行和拓撲快速建立。此時ETB 網(wǎng)絡通過TTDP 協(xié)議對列車網(wǎng)絡進行重新配置，確定列車上網(wǎng)絡的拓撲結構和所有設備的地址信息。網(wǎng)絡初運行時需要每一個ECN 子網(wǎng)的標識號（Subnet id）和每一個ETBN 的標識號（ETBN id），利用這些信息來建立列車IP 地址映射、路由配置、網(wǎng)絡地址轉換（R-NAT）規(guī)則、ED 命名等[2]。由圖2 可知，當2 號編組與1 號編組組建新的編組時，TTDP 幫助每個ETBN 更新拓撲信息并完成IP 地址的自動配置，新編組的列車骨干網(wǎng)不會產(chǎn)生IP 地址沖突和混亂。

圖2 TTDP 列車拓撲自動發(fā)現(xiàn)之地址變換圖

基于IEC 61375 標準的以太網(wǎng)方案是在傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎上進行調(diào)整而來，以滿足列車通信網(wǎng)絡的需求，其繼承了以太網(wǎng)的高帶寬特性，同時又具備低延時、對不同類型組網(wǎng)兼容性強等優(yōu)勢，且適用于列車靈活編組的應用場景，是下一代城市軌道交通列車控制網(wǎng)絡發(fā)展的主流趨勢。但就其中的交換動作進行探究可發(fā)現(xiàn)其復雜的交互邏輯。此外，該方案要求其中ETB 網(wǎng)絡交換機、ECN 交換機都需要遵循IEC 61375標準規(guī)定的相關協(xié)議，這對交換機產(chǎn)品技術要求復雜，成本也較高。

車載PIS 系統(tǒng)作為列車上面向乘客的一個重要系統(tǒng)，其通信數(shù)據(jù)主要包括媒體視頻數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）監(jiān)控數(shù)據(jù)、廣播音頻數(shù)據(jù)及其他控制數(shù)據(jù)等。車載PIS系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的特點是占用帶寬大、組播數(shù)據(jù)多。車載PIS 系統(tǒng)作為一個低安全等級的系統(tǒng)，不建議與列車控制網(wǎng)絡共用同一個網(wǎng)絡。但是，在列車靈活編組應用場景下，如果列車控制網(wǎng)絡和PIS 系統(tǒng)網(wǎng)絡都采用基于IEC 61375 標準的網(wǎng)絡方案，整體成本將會很高且組網(wǎng)復雜。基于這個現(xiàn)實情況，提出了以下具備低成本、高可用性特點的以太網(wǎng)重聯(lián)方案。

2.2 適用于車載 PIS 系統(tǒng)的以太網(wǎng)重聯(lián)技術方案

目前，國內(nèi)靈活編組運營模式普遍以2 列3 編組或4 編組車輛聯(lián)掛后進行運營，比較有代表性的線路為：北京地鐵12 號線、廣州地鐵3 號線、上海地鐵16 號線等。本文研究討論“4+4”聯(lián)掛方式的車載PIS 系統(tǒng)以太網(wǎng)重聯(lián)方案。

2.2.1 系統(tǒng)拓撲

車載PIS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲如圖3 所示，列車的每個司機室配置1 臺三層以太網(wǎng)交換機，用于兩車的網(wǎng)絡重聯(lián)以及與地面系統(tǒng)的通信。每個客室內(nèi)配置1 臺二層以太網(wǎng)交換機用于連接網(wǎng)絡終端設備。全車司機室交換機和客室交換機之間通過2 根千兆網(wǎng)線依次連成一個線型網(wǎng)絡。2 根千兆網(wǎng)線采用鏈路聚合的方式，既可以提高網(wǎng)絡的可靠性又可以增加干線網(wǎng)絡的帶寬。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.2.2 重聯(lián)通信

為實現(xiàn)任意編組情況下重聯(lián)兩車之間的正常通信，司機室三層交換機需具備以下功能。

（1）網(wǎng)絡地址轉換（NAT）功能。重聯(lián)兩車內(nèi)部相同位置對應終端設備的IP 地址相同，聯(lián)掛時為避免以太網(wǎng)設備IP 地址沖突，兩車的以太網(wǎng)終端設備需通過司機室三層交換機做NAT 后進行相互通信。網(wǎng)絡地址轉換通常有3 種實現(xiàn)方式：靜態(tài)轉換（Static NAT）、動態(tài)轉換（Dynamic NAT）和端口地址轉換（Port Address Translations）。本方案采用的是端口地址轉換，端口地址轉換可將多個內(nèi)部網(wǎng)絡地址映射為一個外網(wǎng)地址，以不同的協(xié)議端口號與不同的內(nèi)部地址相對應，也就是〈 內(nèi)部地址+內(nèi)部端口號＞與〈外部地址+外部端口號 ＞之間的轉換。為避免IP 地址沖突，每列車映射到外網(wǎng)的IP 地址不同，可以根據(jù)列車號規(guī)劃外網(wǎng)IP 地址，每列車對應一個外網(wǎng)IP 地址，如圖4 所示。兩車重聯(lián)情況下需相互通信的設備都要提前在司機室三層交換機上做端口映射配置，端口映射示例如表1 所示。兩車重聯(lián)通信時通過交換機映射后的〈外網(wǎng)IP 地址+端口號＞的方式訪問重聯(lián)車的對應設備。如需要調(diào)看1 號車TC1 司機室全景攝像機的監(jiān)控畫面就可以通過RTSP 協(xié)議（rtsp://10.12.1.1:10000/0）實現(xiàn)。

表1 端口映射示例列表

圖4 外網(wǎng)IP 地址規(guī)則

（2）虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）功能。為實現(xiàn)列車靈活編組運營，重聯(lián)網(wǎng)絡需滿足“車頭+車頭”“車頭+車尾”“車尾+車尾”多種聯(lián)掛情況下的通信，需要司機室交換機具備VRRP 功能。VRRP 是一種路由容錯協(xié)議，也可稱為備份路由協(xié)議。VRRP 使用選舉機制來確定路由器的狀態(tài)：主用狀態(tài)（Master）、備用狀態(tài)（Backup）。運行VRRP 的一組路由器對外組成了一個虛擬路由器，其中一臺路由器處于Master狀態(tài)，其他的處于Backup 狀態(tài)。本方案主要使用VRRP 協(xié)議的虛擬路由功能。為實現(xiàn)兩車任意聯(lián)掛情況下的通信，每列車2 個司機室交換機需啟用VRRP 協(xié)議。列 車內(nèi)部終端設備的缺省網(wǎng)關地址設為192.168.1.1，列車兩端司機室交換機作為兩個路由器虛擬出同一個網(wǎng)關地址192.168.1.1。路由器的主備根據(jù)重聯(lián)端進行切換：當車頭端聯(lián)掛時，車頭司機室交換機作為主用路由器，列車內(nèi)部設備的通信數(shù)據(jù)通過該交換機與重聯(lián)車進行通信；當車尾端聯(lián)掛時，車尾司機室交換機作為主用路由器，列車內(nèi)部設備的通信數(shù)據(jù)通過該交換機與重聯(lián)車進行通信。司機室交換機的VRRP 主備設置如圖5所示。

圖5 VRRP 主備設置

2.2.3 靈活編組功能實現(xiàn)

靈活編組運營中，車載PIS 系統(tǒng)的解編和聯(lián)掛過程具體如下。

（1）聯(lián)掛過程。將2 列4 編組列車通過全自動電氣車鉤進行重聯(lián)，擴編為8 節(jié)編組（4+4）列車。列車TCMS 系統(tǒng)先完成網(wǎng)絡重聯(lián)，然后兩車的TCMS 系統(tǒng)分別將重聯(lián)信號、本車車號、重聯(lián)車車號、本車重聯(lián)端、重聯(lián)車的重聯(lián)端、司機室激活端等相關信息發(fā)送給車載PIS 系統(tǒng)。車載PIS 系統(tǒng)根據(jù)重聯(lián)端信息通過協(xié)議控制對應司機室交換機設為VRRP 主用路由器，本車的以太網(wǎng)設備通過該司機室交換機與重聯(lián)車進行通信。通過重聯(lián)端信息和激活端信息確認重聯(lián)后8 編組列車的車廂排列順序和運行方向。另外，通過重聯(lián)車的車號信息可以明確重聯(lián)車的外網(wǎng)IP 地址，結合端口號便可訪問重聯(lián)車的以太網(wǎng)終端設備，從而實現(xiàn)重聯(lián)兩車的相互通信，進入重聯(lián)模式。重聯(lián)兩車建立通信后就可以實現(xiàn)車載PIS 系統(tǒng)的所有功能。

（2）解編過程。解編是聯(lián)掛的逆向過程，“4+4”編組列車通過全自動電氣車鉤進行脫鉤解編，分離為2列獨立的4 節(jié)編組列車。解編時TCMS 系統(tǒng)會向車載PIS 系統(tǒng)下發(fā)解編指令，車載PIS 系統(tǒng)收到解編指令后自動恢復為單車模式。

3 結束語

本文主要研究了適用于列車靈活編組的以太網(wǎng)重聯(lián)方案，在分析TCMS 系統(tǒng)常用的基于IEC 61375 標準的以太網(wǎng)方案后，提出了另一種新的適用于車載PIS 系統(tǒng)的以太網(wǎng)重聯(lián)方案。該方案對交換機的技術要求低、整體成本低、通用性強、組網(wǎng)簡單，不但適用于新建線路設計，也適用于既有項目的靈活編組改造。靈活編組結合全自動駕駛將成為城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢，因此本文對后續(xù)有靈活編組需求的城市軌道交通建設與改造項目有較大的參考價值，并且可將本文所提出的技術應用在與其相近的其他工業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)領域。