動車組以太網控車的設計與應用*

黃志平，齊延輝，趙紅衛，李永恒，李元軒

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081；2 中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；3 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；4 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

網絡控制系統作為現代列車的關鍵技術，已在世界各國高速動車組上得到了廣泛的應用。早在1999年，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，簡稱IEC）為面向機車控制系統而設計的列車通信網絡（Train Communication Network，簡稱TCN）制定與發布了IEC 61375-1列車通信網絡基本層次結構標準［1］，定義了列車通信網絡的列車級與車輛級兩級架構，并分別發布了絞線式列車總線（Wire Train Bus，簡稱WTB）和多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，簡稱MVB）的通信與測試標準。

2014年，IEC組織將以太網技術正式引入列車控制領域，先后研究制定了IEC 61375-2-3（TCN通信 規 約）［2］、IEC 61375-2-4（TCN應 用 規 約）［3］、IEC 61375-2-5（以 太 網 骨 干 網）［4］、IEC 61375-3-4（以太網編組網）［5］等以太網控車相關標準。

我國牽引電氣設備與系統標準化技術委員會（簡稱牽標委）、國內科研院所和動車組制造企業已聯合開展以太網控車相關標準起草和技術研究工作，以太網在動車組的應用成為列車通信網絡技術發展趨勢。

1 以太網控車的必要性與可行性

1.1 必要性

1.1.1 現場總線技術發展的需要

信息系統伴隨著工業系統的發展，陸續出現了RS485、CAN、LonWorks、WorldFIP等 現 場 總 線技術，因各類現場總線技術傳輸介質、通信速率等大多方面都存在根本性差異，難以形成統一的互聯、互通、互操作標準，少數情況下跨總線之間需要使用專用的網關轉換，限制了通信效率和可靠性，同時不同總線技術會使得工業控制場景下的維修維護成本升高，成為了工業系統信息化發展的瓶頸。

以太網技術因其標準化、統一性、維修維護成本低等特點成為了工業控制領域發展的重要趨勢，經過多年的發展形成了適用于工業領域的以太網技術體系。如Profinet、Ethernet/IP等相關技術，在工業控制領域已形成取代現場總線的趨勢。智能化工廠使用以太網將控制中心與機器生產線的信息融合，實現了生產的自動化，并匹配物流及倉儲管理，實現了智能產能調配，提高了生產效率降低企業成本。自動化樓宇中利用工業以太網技術開發各類控制系統及傳感器，各種傳感器信息匯集到一個控制網絡中，通過網絡對樓宇內如空調、照明、滅火設施、電梯、視頻監控等設備進行統一控制，有利于樓宇在節能減排、防火、安防等方面的效率提升。電力系統使用Ethernet/IP，可實現對供電系統的監控和管理，有利于業務管理人員對電網的使用情況監控，對采集到的數據進行計算分析，實現電網的統籌管理。

列車網絡控制技術來源于工業控制領域，在普速客車的安全監控系統中，使用了LonWorks技術，在和諧號機車與動車組網絡控制系統中，主要使用了基于WTB/MVB的TCN技術和ArcNet技術，在350 km/h復興號動車組維護中，使用了以太網作為終端設備的標準維護接口。隨著列車信息化水平的提升，統一的通信接口有利于智能化子系統的開發與實現，使用以太網作為列車控制網絡將進一步支撐列車網絡控制系統的長遠發展。

1.1.2 動車組智能化發展的需要

列車通信網絡是列車的神經中樞，肩負著整列車各個部分重要信息的采集與傳遞功能，并為乘客提供信息服務、實現列車控制的功能。傳統的列車通信網絡，由于存在帶寬低、數據吞吐能力有限、組網靈活性差等缺陷，無法滿足大量數據的傳輸需求。例如，WTB網絡最多僅支持32個節點數量，列車級傳輸最大速率僅為1 Mbit/s，最小通信周期為25 ms，通信周期內最多支持8個節點向上完成128字節的數據傳輸。

高速動車組向智能化、舒適化等方向發展，網絡控制系統在滿足高壓、牽引、制動、輔助等系統的控制功能同時，需要對空調、車門、照明、軸溫、火警、輸入輸出模塊等控制，動車組智能化要求進一步實現部件狀態的全面監控、數據的實時采集傳輸、列車健康狀態的綜合診斷，對網絡的性能、帶寬提出了更高的要求，傳統的WTB/MVB網絡的帶寬低、靈活性不足，已不能適應動車組發展的新需要，列車通信網絡采用以太網技術，是動車組全面推進智能化的必要條件。

1.2 可行性

1.2.1 工業以太網的實時性不斷提高

近年來，以太網技術已經被工業自動化系統廣泛接受。以太網底層硬件技術如交換機、網卡方面，隨著工業信息化產業的發展不斷成熟，傳輸帶寬不斷增大、時延不斷縮短，抗線路損耗、抗電子干擾的能力進一步增強。

為了滿足高實時性能應用的需要，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業以太網實時性的技術解決方案，以太網的實時響應時間可以提高到低于1 ms，最大抖動低于10 ms。按照國際電工委員會IEC 61375-3-4的明確定義，實時以太網是建立在IEEE 802.3標準的基礎上，通過對其和相關標準的實時擴展提高實時性，并且做到與標準以太網完全無縫連接的工業以太網。

1.2.2 工業以太網在動車組上的成功實踐

以太網技術迅速應用到包括高速鐵路在內的工業自動化各領域，基于實時以太網的列車網絡比傳統的列車網絡具有較大的優勢，在滿足列車實時監測與控制功能正常運行的前提下，為更高帶寬與性能的網絡服務提供了可能。

國外主要鐵路機車車輛供應商已經著手在新一代列車中使用實時以太網技術。西門子公司在其Velaro Novo動車組中，對動車組的網絡系統進行了重新設計，取消了WTB/MVB列車總線結構，使用基于以太網的Sibas PN架構進行列車控制數據的傳輸，驗證了以太網控車的可行性；龐巴迪公司在速度350 km/h動車組的列車網絡通信架構設計了基于以太網結構設計的MITRAC TCMS系統，使得車載系統和地面無線傳輸系統能夠互聯互通，各列車子系統部件實現快速升級，提升了列車運行監控水平。

我國鐵路350 km/h復興號動車組上，已經將以太網進行了設計與部署，作為維護網實現軟件升級、數據下載等功能，為維護作業提供了極大的便利，雖然沒有達成以太網技術對列車進行實時控制的效果，但在一定程度上，對以太網產品的硬件可靠性、交換機性能、實時通信協議的選擇等多個方面進行了論證與考核。

2 以太網控車技術方案設計

2.1 系統拓撲設計

以太網控車的動車組網絡控制系統采用符合IEC 61375要求的以太網技術。兩級網絡拓撲包括列車級網絡和車輛級網絡如圖1所示，列車級網絡具有動態編組能力，車輛級網絡采用固定網絡配置，以動力單元劃分網段，允許車輛級各子系統的控制設備通過網絡通信接口直接連接至車輛級網絡，列車級和車輛級之間通過網關進行數據交換。列車級總線具有冗余功能，重要的網絡設備冗余配置，冗余設備分布在獨立的通道上。

圖1 以太網網絡控制系統拓撲示意圖

2.2 設備與線路冗余

列車級網絡由列車級網關ETBN（Ethernet Train Backbone Node）和列車級以太網中繼器組成，在每個網段配置2個冗余的ETBN，負責跨單元數據轉發、域名解析以及路由相關服務等，當單一ETBN故障時，可由冗余的ETBN接替其工作提升網絡關鍵節點的可用性。

車輛級網絡由車輛級交換機ECNN（Ethernet Consist Network Node）和終端設備組成，在每個網段配置2個冗余的ECNN，提供終端設備數據獲取與發布的冗余通道，核心終端設備如中央控制單元、部分重要數據采集和輸入輸出控制模塊，可考慮冗余配置，保證單臺設備故障時，動車組運行基本不受影響。

在列車級網關之間、車輛級交換機之間，均采用雙通道線路冗余設計，雙通道線路設置為鏈路聚合模式，單一線路故障時，不影響數據轉發；子系統與交換機之間為星形拓撲，子系統之間的工作在拓撲結構上各自獨立，提升了網絡拓撲的穩定性，子系統在每個車廂接入冗余工作的ECNN交換機，單個交換機故障、單條線路故障均不影響控制功能。而且，ETBN、ECNN均設計掉電旁路功能，當某臺設備故障時，基本不影響整體網絡的連通性能。

2.3 拓撲可靠性分析

針對列車以太網控制網在運行過程中可能出現的故障，可分為線路故障和設備故障，見表1，列舉各種故障工況，分析結果表明，冗余設計后的列車以太網控制網具有更好的網絡可用性和運行可靠性。

表1 列車以太網控車與TCN控車冗余性分析

3 以太網控車的關鍵技術

3.1 實時通信協議

為保證控制數據實時傳輸，依據IEC 61375-2-3標準，使用TRDP過程數據的方式進行通信，即周期性地發送控制數據。選擇基于UDP的17224端口作為TRDP數據傳輸方式，TRDP數據的基本格式包括序號、協議版本、消息類型、通信數據標識、列車級拓撲計數、列車級操作初運行拓撲計數、數據包長度、數據內容和校驗等。

遵循規范的TRDP包格式，可實現不同設備間數據連續性的校驗、通信功能的識別、拓撲環境的校驗以及數據包完整性的校驗等，保障數據在傳輸過程中實現實時性校驗，用于列車控制。

通常的以太網通信大多基于單播通信，其優點是點對點傳輸，兩點間通信不影響不相關的第三方。但在列車控制網絡應用場景中，存在許多系統共用一份數據的情況，單播點對點的傳輸方式將造成網絡帶寬浪費和終端子系統發送負載的增大，因此在列車以太網控制網數據傳輸的規劃中采用了組播的通信方式，實現點對多點的數據發送。

3.2 列車級以太網網關

列車以太網網關可實現列車跨單元、跨編組（與其他列車重聯）的通信功能，在列車級拓撲（因重聯或故障）動態變化時，對車輛級的通信保持不變，響應因拓撲變化帶來的列車級通信變化。由網關遵循IEC 61375-2-5規定的列車拓撲發現協議（Train Topology Discovery Protocol，簡稱TTDP）完成復雜拓撲變化的計算，如圖2所示，避免由各子系統計算拓撲可能帶來的計算錯誤，節約了子系統的運算資源、在一定程度上降低能耗，降低子系統處理性能要求，節約成本。

圖2 TTDP拓撲發現過程

列車以太網網關實現的數據交換工作流程如圖3所示，主要實現以下功能：

圖3 列車級以太網網數據交換流程

（1）將車輛級側收到的所有子系統的報文通過映射規則和組包協議編排成列車級傳輸報文發送至列車級側。

（2）將列車級側收到的所有列車級傳輸報文解包并重新打包成不同的車輛級傳輸報文發送至車輛級側。

（3）對于未定義的通信協議、通信方式進行識別和丟棄。

3.3 車輛級交換機

車輛級以太網交換機ECNN用于實現車輛級以太網數據轉發，接收車輛級以太網數據流量，實時響應列車通信數據，形成車輛級以太網。以太網接口使用M12-D圓形連接器接口，連接子系統設備端口支持直連—交叉線自翻轉。

交換機硬件主要由交換機ASIC芯片、處理器CPU、存儲RAM、接口物理層PHY芯片、供電模塊組成，如圖4所示。數據的轉發由硬件通過ASIC實現高速可靠的轉發，接口間使用高速背板總線連接吞吐量在3 Gbps以上，接口之間可達到100 Mbps滿速率轉發，提升轉發實時性。由CPU控制交換機配置實現對每個接口速率、優先級以及通過的數據特征值進行控制。通過對入向、出向的分別配置，例如最大允許速率、不同接口優先級配置策略定義、針對網絡風暴的特征抑制和針對拒絕服務攻擊進行控制設計，實現安全性和可靠性的整體提升。

圖4 交換機硬件結構

3.4 實時以太網卡

所有終端設備通過以太網線接入到車輛級網絡，要求采用符合IEC 61375-2-3標準的TRDP實時通信協議。部分設備通信內容不多，可將TRDP實時協議開源庫集成到主處理器板卡，部分關鍵控制設備如牽引制動控制單元，有更高的傳輸要求，配置獨立的TRDP實時以太網卡進行控制數據的發送與接收，確保實時性與可靠性。

實時以太網卡如圖5所示，通過并行總線接口與子系統主處理器接口，使用FPGA保證網絡數據收發的實時性，在TRDP過程數據收發的過程中，收發數據的進程由網卡完成，而控制邏輯及軟件處理部分由子系統主處理器完成，減少了其資源占用。實測TRDP周期性抖動符合標準要求的小于10 ms限值，滿足實時通信要求。

圖5 TRDP網卡設計

3.5 信息安全與診斷

根據《中華人民共和國網絡安全法》和《信息系統安全等級保護實施指南》，要求工業控制系統應自行組織實施安全保護措施，在以太網控車系統設計的過程中充分考慮技術可行性和信息安全性，在網絡邊界位置安裝網絡防火墻，終端設備操作系統應僅開放應用軟件工作必須的系統服務；在運營期間禁止遠程訪問終端設備等措施加強信息防護。

在動車組運行過程中通過通信診斷的方法，及時定位設備及線路故障位置，為現場處理和后續故障維修提供依據。中央控制單元根據收到子系統冗余通道發送的TRDP數據，實時監測2條線路的通信連續性，當出現某一路通信超過超時周期未收到有效報文數據時，則判定該子系統在網絡中的通道連接情況異常，將診斷結果發送給顯示屏、遠程無線傳輸裝置等進行顯示、記錄和分析。

4 以太網控車應用與驗證

在中國國家鐵路集團有限公司主管業務部門的大力支持下，制訂250 km/h復興號動車組技術條件時，總體項目組提出進行以太網列車通信網絡技術的研究與實踐要求，形成基于實時以太網的動車組網絡控制體系架構和試驗測試標準，研制一批具備實時以太網接口的控制單元、網關、交換機等，進一步推動我國高速動車組的核心技術發展。

根據250 km/h復興號動車組總體技術要求，各科研院所、主機制造企業、配套子系統供應商等全面啟動以太網控車在復興號動車組的應用與驗證工作，經過不斷研討與優化，最終形成統一的以太網控車技術方案，并研制出符合技術方案要求的網絡控制系統及子系統控制單元。

按照科學嚴謹的試驗與考核過程，對技術方案與系統進行了驗證，如圖6所示。在2018年2月～2018年5月期間，完成以太網控車通信協議測試，互聯互通功能測試，同步策劃準備裝車調試工作；在2018年5月～2018年10月 完 成 裝 車 各 項 調試，完成以太網控制網的各子系統廠內試驗，現車對整車網絡傳輸功能、通訊質量進行了測試，驗證各系統控制邏輯、故障診斷及保護響應的準確性、穩 定性；在2018年10月～2019年2月，搭 載以太 網控車的首列動車組完成整車型式試驗60項、科學研究試驗8項、互聯互通功能驗證試驗38項（以太網19項）、以太網控車研究試驗26項、以太網控車模式下ATP接口型式試驗1項，共計133項試驗；在2019年2月～2019年7月，運行里程累計達到30萬km以上，完成全部運行考核試驗內容，期間最高速度275 km/h并完成了世界上首次商業運行線路中的以太網控車高速重聯動態試驗。

圖6 列車型式試驗與運行考核

運行考核期間，使用以太網數據采集設備，對以太網控車性能進行了數據采集與跟蹤分析，與TCN控車進行對比，通信實時性基本持平，冗余可靠性有所提升，通信帶寬與維護易用性全面占優，動車組運行狀態良好，基于以太網控車技術方案的網絡控制系統與子系統能夠滿足動車組運用、檢修與維護的需要，利用搭建的以太網高速數據傳輸通道，將有利于動車組的智能化、健康管理平臺搭建及修程修制優化。

5 結論

動車組以太網控車是列車網絡控制系統發展的重要方向，通過250 m/h復興號動車組的應用驗證，證明了以太網控車的可行性，成功實現網絡控制系統的突破與升級換代。全面采用以太網控車，為列車運行控制提供了高速網絡通道，為列車數據應用奠定了通信基礎，未來還需要在各項關鍵技術方面進一步優化完善，并逐步實現多應用融合、智能運維、智能診斷、接入5G網絡等技術升級，進一步提高列車控制的信息化、智能化水平。