基于以太网的灵活编组列车的网络控制系统研究

王翔 吴士林

摘要：灵活编组功能是在列车应用需求基础上发展起来的网络技术，以响应复杂变化的运维条件，提高轨道交通装备网络配置的效率。本文介绍了利用实时以太网技术开发灵活编组动车组网络控制系统的方法，以适应未来列车网络系统的发展趋势。基于以太网的灵活编组技术通过列车拓扑发现协议来实现，自动完成列车在联挂、解编过程中的网络配置和拓扑结构变化。本文所阐述的基于以太网的列车灵活编组方法对于解决列车网络控制系统的应用问题具有较高的参考意义。

关键词：以太网;列车控制;灵活编组;轨道交通;通信技术

中图分类号：TP311      文献标识码：A   文章编号：1009-3044（2019）03-0059-02

1 引言

随着列车控制网络对传输速率的需求的不断提高，既有通信协议由于速率限制逐渐无法适应大流量的通信传输。目前在列车控制网络上较为广泛使用的通讯协议有WTB、MVB、CAN等总线，但以上这些列车控制网络在带宽上都有所限制，如WTB仅为1.5Mbit/S。以太网络作为列车控制标准正式被推出以来，凭借其传输速率高、适应性强、易于维护与系统集成等优点，迅速被广泛应用。随着以太网络技术的发展，利用以太网为基础的列车控制标准相继被推出，其中，由国际电工委员会IEC订制的列车骨干网（ETB）通信协议IEC 61375-2-5和编组网（ECN）通信协议IEC 61375-3-4以太网控车标准，被正式的列为国际标准，大大推动了列车实时以太网的发展。相较于既有的通讯协议，列车以太网总线具有高数据传输速率、灵活编组、应用广泛、易于维护与系统集成等优点。

灵活编组列车是对应编组形式相对固定的列车而提出的。针对城市轨道交通线路客流在全天不同时段或不同区段的差异性，灵活编组技术能够通过列车快速地进行联挂和拆解作业来灵活调整列车编组长度。

网络控制系统作为列车的大脑和神经，如何对列车的编组数量快速识别并进行配置，成为列车灵活编组技术的一个基础性课题。随着IEC61375标准中基于骨干以太网ETB的列车发现协议（TTDP）的发布，采用ETB交换机实现列车的灵活编组具有较高的可行性。因此，本文重点研究采用实时以太网技术实现灵活编组动车组的网络控制系统方案。

2 列车以太网通信网络

列车网络系统分列车控制级和车辆控制级两级。列车控制级总线由列车骨干网ETB构成，传输速率达100Mbps。车辆控制级总线由编组以太网的ECN车辆网构成，传输速率达100Mbps。

2.1列车骨干以太网

列车骨干以太网（ETB）于2011年1月正式公布，在工业以太网协议上做了适量修改，以满足列车通信网络的需求。ETB网络继承了以太网的高带宽优势，既能保证实时性，又对不同类型的组网有很强的兼容性，是下一代高速列车控制网络发展的主流趋势。

传统以太网常使用总线型和星型拓扑结构，但以太列车骨干网中规定使用线性拓扑结构。所谓线型拓扑结构是指网络中各个节点依次进行连接，除了首尾两个节点外，每个节点的左右都会有相邻节点，只有相邻的节点间才可以直接进行数据传递。如图1所示，要将节点1的数据发送到节点4中，则数据必须要经过节点2和节点3之后才能到达。

以太列车骨干网中还规定，列车的每个节点有两个参考方向，从车尾指向车头的方向为方向l，从车头指向车尾的方向为方向2。车辆的物理连线使节点的方向1与车辆的方向l相同，即如果列车上有几个节点，每个节点的方向1应是相同的，这样能保证列车通信按照相同的方向进行。列车的首节点（顶节点）地址是01，其余节点按总线方向2从02开始依次递增编号，最后命名的节点为尾节点（底节点）。以太列车骨干网的参考方向总是指向首节点的方向，如果列车只包括了一个节点，则该节点被静态指定为首节点。

2.2列车网络初运行

列车网络配置的全部过程通过列车初运行来完成，该过程一般发生在列车上电或者列车长度发生变化（节点增加或者减少）的时候。列车网络初运行必须建立在主干网为线性拓扑结构的基础之上，而不能出现环形或树形等拓扑结构。在进行网络初运行时，每个节点首先运行TTDP协议，发现一个带方向的有序表，计算出每个子网的标识号和每个节点的标识号，通过这些标识号来建立列车IP映射、列车路由定义、NAT规则并对终端设备进行命名。

3 灵活编组的实现方法

当车辆编组时，在实际的解联再重联之后， ETBN通过执行TTDP的协议，让ETBN之间互相沟通，使列车级网络能自动执行初运行，完成ETB自动编组的功能。首先，ETBN 会定时发送TTDP Hello数据包， 以侦测是否有新编组连上或是原编组解连。当发现有上述状况发生， 会通知整台列车重新进行“初运行”的动作。“初运行”会比较列车两个终端ETBN， 拥有较小的Consist UUID （universal unique identifier） 者就会成为 ETBN Top Node， 而被赋予 ETBN ID 1， 并依序递增连接其后的 ETBN ID， 例如 ETBN ID 2， 3， 4 …， 以此类推。这些 ETBN ID 决定了 ETBN 的 IP 地址， 例如 ETBN ID 1 的 IP 地址为10.128.0.1， ID 2 为10.128.0.2， 依此类推。

“初运行”同时也会依前述的顺序， 分配ECN子网的IP网段。其方式是先依序给予 ETBN 下ECN的 CN ID （consist network identifier）， 例如CN ID 1， 2， 3 …， 以此类推。每一个ECN会根据被分配到的 CN ID 以及标准所定义的相对应子网网段， 分配子网的IP地址。例如 CN ID 1的子网网段为10.128.64.X/18， CN ID2的子网网段为20.128.128.X/18，以此类推。

以8编组列车为例，灵活编组动车组的列车编组形式最小为2编組，最大为8编组。列车每车设有一个ETB板卡，ETB板卡可根据连接的节点数量，判断出列车是几编组，将编组信息发给VCU进行控制，列车可在2-8编组之间实现灵活编组。编组形式如下：

4 结论

以太网技术是未来列车网络控制系统发展的主流趋势，本文首先介绍了列车以太网技术及其架构，结合列车网络控制系统对灵活编组的实际需求描述了网络初运行过程。在初运行过程中， ETBN 之间会自行侦测重联与解编， 并完成 IP 地址的分配， 进而实现灵活编组。最后，以最常见8编组列车为例，论文给出了不同编组形式的网络拓扑实现方式。

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【通联编辑：梁书】