中國標準動車組以太網控車重聯模式研究

羅昭強 金 沖 韓東寧

(中國中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組制造中心， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

1 中國標準動車組以太網拓撲結構

中國標準動車組通過處理整車邏輯控制、狀態監視、故障診斷等信息,以及處理遠程數據傳輸等復雜的車載信息，在單組及重聯模式下，可保證不同列車或車輛之間的信息傳輸更精準、快捷。以太網控車作為動車組的關鍵技術之一，能夠對上述信息進行統一管理和判斷，使信息穩定、安全、快速地在整個列車網絡中進行傳輸。動車組網絡主要負責中央控制與牽引控制、輔助控制、制動控制、旅客信息、空調、車門及遠程控制等系統之間的整車邏輯控制、狀態監視和故障診斷數據的傳輸，以及自身信息的診斷；然后將這些信息顯示在人機顯示界面，同時將運行環境信息與故障信息保存在本地設備中；通過遠程控制單元將車輛運行狀態信息及故障信息發送到地面控制中心，從而保證列車的安全性、穩定性和舒適性。

中國標準動車組列車主干網由ETBN(列車級以太網交換機)與REP(中繼器)組成。當列車重聯時，列車與列車之間通過電氣車鉤實現列車級以太網的連接，以實現列車間通信；列車以太網內部通過背板總線與ECNN(以太網交換機)進行通信，具體是以4輛車為1個單元，且單元內交換機通過車輛級以太網線連接到本車內部的設備，如CCU(中央控制單元)、HMI(人機顯示界面)、IOM(輸入輸出模塊)及其他子系統設備。中國標準動車組以太網拓撲結構見圖1。

2 中國標準動車組以太網控車重聯模式

2.1 重聯方式和位置映射

2列列車進行重聯時，有2種重聯方式(見圖2)：

1) 重聯方式1：編組1的8車和編組2的1車進行重聯。其特征為編組1的2端ETB(以太網列車骨干網)節點和編組2的1端ETB節點有重聯信號。

2) 重聯方式2：編組1的8車和編組2的1車進行重聯。其特征為編組1的2端ETB節點和編組2的1端ETB節點有重聯信號。

注：CIOM為司機室輸入輸出模塊；WTD為無線傳輸裝置。圖1 中國標準動車組以太網拓撲結構圖Fig.1 Diagram of China standard EMU Ethernet topology structure

a) 重聯方式1

列車接收到ETB節點的過程數據后，通過該過程數據的位置信息，將所有ETB過程數據端口映射到車輛的實際位置[1]。2種重聯方式的位置映射方式一致；在完成節點索引和節點識別后，網關可根據節點索引、節點地址及列車編組編號正確地判斷所有網關的順序和位置。

2.2 重聯列車以太網應用初始化

重聯信號的判斷依據為網關在重聯端時為有效信號，重聯端的重聯信號為高電平信號，非重聯端的重連信號為低電平信號。重聯信號采用布爾類型變量，并作為過程數據中的一部分進行通信。前編組和后編組的判斷原則為：列車占用的編組為前編組，列車非占用的編組為后編組。如果列車由占用狀態轉為非占用狀態，編組位置保持不變；如果列車未被占用，則按照節點索引序列進行判斷，索引為1的節點所在編組為前編組。

當列車重聯時，占用司機室的列車向前，方向是該單元的方向1；占用司機室列車向后，方向是該單元的方向2。占用司機室所在編組中，非占用司機室單元的列車向前，方向是該編組的方向2；占用司機室所在編組中，非占用司機室單元的列車向后，方向是該單元的方向1。非占用司機室所在編組中，聯掛單元的列車向前，方向是該單元的方向1；非占用司機室所在編組中，聯掛單元的列車向后，方向是該單元的方向2。非占用司機室所在編組中，非聯掛單元的列車向前，方向是該單元的方向2；非占用司機室所在編組中，非聯掛單元的列車向后，方向是該單元的方向1。

2.3 TTDP拓撲協議

列車級以太網傳送TTDP(列車實時數據傳輸協議)報文并不斷實時刷新列車車輛拓撲信息，按照報文功能分為TTDP Hello報文和TTDP Topology報文。其中，TTDP Hello報文主要負責為列車級網絡的底層建立連接信息；TTDP Topology報文增加了含有車輛級網絡拓撲的信息，主要功能是用來實現全部列車的拓撲結構，通過TTDP拓撲協議映射出完整的列車拓撲結構。

2.3.1 TTDP Hello報文

在標準的LLDP協議(鏈路層發現協議)中，附加了對應TLV(類型-長度-數值)的列車級拓撲發現信息，形成了TTDP Hello報文，主要用來實現列車級底層信息交換。在標準LLDP發現協議的基礎上對其進行改造，改造的優點在于提高該協議的兼容性，使其在普通交換機上亦可傳送，提高了通信信息的可靠性。將設備的配置能力、地址分配、整體標記、接口標記等信息存儲在LLDPDU(鏈路層發現協議數據單元)中，從而產生TTDP Hello TLV，通過重組其他標準LLDP字段后組成了TTDP Hello報文。TTDP Hello報文僅在相鄰設備間進行報文傳輸，由于協議的設定原則上限定了報文的傳送范圍，導致相鄰設備接收報文后不發送此報文給其他設備。列車級以太網拓撲結構屬于線性拓撲，其在端節點僅有1個相鄰設備，在中間節點均有2個相鄰設備。因此，列車級以太網網關可依靠TTDP Hello報文取得相鄰拓撲關系的列車級以太網網關的地址，從而形成關系列表。TTDP Hello報文格式見圖3。

注：HDR為頭部結構；ID為標志符；LLDPDU為鏈路層發現協議數據單元；CRC為循環冗余碼校驗。圖3 TTDP Hello報文格式示意圖Fig.3 Diagram of TTDP Hello Message format

TTDP Hello報文按傳送時序分為正常模式和快速恢復模式。在正常模式時，相鄰設備之間報文傳送的模式為正常模式，傳送周期為100 ms。當出現線路故障或設備故障等非正常模式時，若超過130 ms未收到相鄰對應設備傳送的Hello報文，此時觸發快速恢復模式[2]；此時列車級以太網設備將以周期為15 ms的頻率發送報文，相鄰列車級以太網網關接收相鄰設備發送的快速恢復模式的Hello報文后，優先以最高優先級向相鄰設備發送Hello報文，保證列車級信息連接的可靠性。

2.3.2 TTDP Topology報文

TTDP Topology報文是在LLDPDU報文的基礎格式上進行了大范圍修改，增加了ETB TLV和CN(車輛網絡) TLV兩個關鍵字段，作用是為了傳輸列車級拓撲信息和車輛級拓撲信息，且需刪除原有報文中必須含有的底層ID TLV、端口ID TLV、TTL(生存時間)TLV等字段信息。與TTDP Hello報文相比，TTDP Topology報文在整個列車級網絡中進行傳輸時，處在列車級以太網上的所有以太網網關均會接收信息且相互之間共享列車級拓撲信息。正常狀態下，TTDP Topology報文發送數據的周期為100 ms，以太網網關接收報文信息的有效時間為400 ms，若超過有效時間則判斷為超時信息內容無效。若以太網網關從接收到上一個TTDP Topology報文的時刻算起，在有效時間內未收到TTDP Topology報文，則認為列車級以太網中的網關故障失效或設備離線。列車級以太網網關若超過1 s未收到TTDP Topology報文，則判斷設備自身處于單機運行狀態，即列車級以太網中只含有本地網關。

3 結語

隨著工業以太網的不斷發展和創新，以太網在軌道交通列車上的應用已成為一種發展趨勢[3]。本文主要從重聯模式狀態下對中國標準動車組以太網控車進行研究。基于中國標準動車組的重聯方式，根據列車級骨干網過程數據映射出車輛的位置，通過司機室的占用確認編組位置及方向信息。TTDP Hello報文附加了TLV功能，實現了列車底層的信息交換；TTDP Topology報文刪減了相關報文信息，增加了含有車輛級網絡拓撲的信息，從而實現整體列車拓撲結構；TTDP Hello報文和TTDP Topolog報文均設有故障診斷功能，其可對網關故障及其離線狀態進行診斷，且無論是在單組或重聯模式下都可以快速、安全、可靠地保證列車網絡數據的傳輸和診斷。