列车重联实时以太网标准

唐柳

（中车株洲电力机车研究所有限公司 湖南省株洲市 412001）

1 列车通信网络发展概述

列车通信网络（Train Communication Networks, TCN）被誉为列车的“神经系统”，主要包括列车控制、车载设备之间的数据传输以及故障诊断等功能。我国轨道交通列车的通信网络主要采用多功能车辆总线（Multi-function Vehicle Bus, MVB）和绞式列车总线（Wire Train Bus, WTB）作为通信技术[1,2]。虽然这两种总线有着较好的实时性和可靠性，但是受其通信带宽的约束，已经不能承载更多的列车相关业务数据传输。随着轨道交通列车智能化的发展，加入网络的设备不断增加，传输的数据越来越多。旅客信息服务、视频监控/CCTV、视频广播、障碍物识别等业务需要在列车中铺设更多的通信网络进行数据传输[3]。为了解决上述问题，需要研究新的具备确定性、实时性和大带宽的列车通信网络技术。工业实时以太网虽然能满足大带宽、实时性等基本要求，但是无法解决不同国家、不同厂家列车重联运营时的网络自动重联、智能寻址以及互联互通问题[4]。

中车株洲电力机车研究所有限公司（以下简称中车株洲所）等公司从2008开始研究轨道交通列车实时以太网技术[6,7,8]，通过对网络体系架构、智能组网与重构等关键技术的研究，研制出了完全具有自主知识产权的可规模化应用的产品平台系列。在产品研制过程中，中车株洲所还全程参与国际电工委员会IEC 61375标准的制定，并根据我国轨道交通实际的发展情况，联合中国铁道科学研究院集团有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、中车株洲电力机车有限公司等公司制定了GB/T 28029国家标准。标准涵盖了基于实时以太网的列车通信网络架构、骨干网络、编组网络、通信协议等完整的标准体系。

本论文对基于实时以太网的列车通信网络体系架构进行介绍，并对该架构中最难的列车重联初运行部分进行了重点分析，为我国轨道交通企业开发以及应用基于实时以太网技术的控制系统提供参考。

2 列车通信网络架构

IEC 61375是全球应用最广泛的列车通信网络标准[9]。标准定义了列车通信网络的架构，如图1所示。其中，编组单元是指一个或者多个车辆形成一个固定组成，在中国国家铁路集团有限公司或者地铁公司运营过程中，编组单元不能被拆解成更小的单元独立运行。列车通信网络由骨干网、编组网两个层次的网络组成。编组网是编组单元内部的通信网络，一个编组单元可以有一个或者多个编组网。列车骨干网是编组网络之间的通信网络，编组单元之间可以有一个或者多个骨干网络。

图1：列车通信网络架构

图2：两个编组单元构建新的重联列车示意图

3 列车重联与网络初运行

我国轨道交通的运输流量变化很大，特别在春节等节日期间。运营公司在满足运量需求时，还需要节约能耗，降低成本。列车重联是将固定的编组单元通过车钩连挂在一起，动态地组成一列新的列车，从而灵活地提高运营公司资源调度能力。在重联过程中，编组网通过车钩连接器连接在一起。由于编组网在列车制造出厂时往往采用相同的配置参数，连接在一起之后将由于地址冲突等原因无法通信。因此，列车重联时，编组网需要根据编组在新列车中的位置，重新计算配置参数，这个过程称为网络初运行。基于实时以太网的网络初运行通过各个编组网的骨干网节点(Ethernet Train Backbone Node，ETBN)进行。

如图2所示，编组X和编组Y是可以独立运行的两个编组单元，需要通过图中的重联连接器进行重联运行。编组X有三个ETBN节点，分别为节点A、节点B和节点C。编组X和编组Y的前进方向都是DIR1，反向为DIR2。

编组X和编组Y的重联初运行主要过程包括拓扑发现以及统一资源标识寻址阶段。

3.1 拓扑发现

图3：骨干网的TOPOLOGY帧结构

图4：连接矢量

图5：ETBN矢量

骨干网节点C和D通过重联连接器的以太网线缆连接在一起，以组播方式周期性地发送列车拓扑发现协议(Train Topology Discovery Protocol, TTDP)拓扑帧(TOPOLOGY)，将自身以及邻居ETBN节点信息通知给所有其他ETBN节点。TOPOLOGY帧的结构如图3所示。

TOPOLOGY帧中的ETB类型/长度/值(LTV)中包含了骨干网中所有节点的相关信息，并构建出连接矢量和ETBN矢量，分别如图4和图5所示。

ETBN节点通过TOPOLOGY帧的编组网(Consist Network, CN)的LTV计算出列车网络索引，如图6所示。

根据ETBN拓扑发现的计算结果，图2编组X和编组Y的初运行结果如图7所示。其中，编组X的ETBN节点A、B、C组成了子网2个编组网，节点A和B作为热备冗余节点连接在子网id为1的同一个子网内；节点C连接在子网id为2的子网内。假设列车重联后的运行方向为DIR1(可以由驾驶台钥匙等决定)，对比编组X重联之前的DIR1和DIR2两个方向，编组方向与重联列车的运行方向一致。编组Y的ETBN节点D和E分别构成2个编组网。对比编组Y的DIR1和DIR2两个方向，编组方向与重联列车的运行方向相反。

另一方面，初运行根据端节点A和端节点D的地址大小关系，确定A节点为重联列车的顶节点，并根据其他节点与A节点的连接位置关系依次编号1~5。

3.2 统一资源标识寻址

如图8所示，两个独立编组通过重联构建了新的列车。ETBN编号为2的编组中有一个主控设备和显示器，出厂时配置的编组网内地址分别为10.0.1.1和10.0.1.2。ETBN编号为3的编组也有主控设备和显示器，出厂时配置的IP地址和另一个编组相同。

在拓扑发现阶段，ETBN节点通过计算，为每个编组子网分配全列车唯一的id，并为编组内各个设备分配列车级的通信地址，譬如编号为2的ETBN节点为主控设备分配的列车级地址为10.2.1.1。编号为3的ETBN节点则为编组内的主控设备分配列车级地址为10.3.1.1，显示器设备分配列车级地址为10.3.1.2。

假设地址为10.3.1.2的显示器要和地址为10.2.1.1的主控设备进行跨编组通信，即使显示器得到了主控设备的列车级地址，但是显示器的应用功能并不知道10.2.1.1这个设备就是需要进行通信的目标设备。为了解决这个问题，需要采用统一资源标识(Universal Resource Identification, URI)进行智能寻址。

图6：列车网络索引

图7：两个编组列车重联结果示意图

图8：编组网ID和通信地址关系

图9：URI与IP地址映射

在拓扑发现结束以后，需要进行跨编组通信的设备从编组内ETBN获取列车拓扑信息，包括编组id等，然后根据id等信息，构建出自身的URI。资源标识的统一形式如：devLabel.vehLabel.cstLabel。其中，devLabel为设备标签，vehLabel表示设备所处车辆标签，这两个标签已经固定配置在编组内。cstLabel表示设备所处编组标签，这与初运行的拓扑计算强相关。如图9所示，ETBN编号为2的编组的主控模块(Vehicle Control Module, VCM)设备，其设备标签可命名为devVCM，假设该设备被安装在1号车辆内，车辆标签为veh01。而根据初运行拓扑计算结果，设备所处编组标签命名为cst02，表示列车网络方向第二个编组。由此可知，该设备的URI为devVCM.veh01.cst02。

需要跨编组通信的设备在生成URI以后，将URI信息发送给ETBN，构建跨编组通信智能寻址数据库。

当列车级地址为10.3.1.2的显示器需要与列车级地址为10.2.1.1的主控设备进行通信时，显示器项ETBN #3发送地址解释申请，要求获得devVCM.veh01.cst02这个URI对应的列车级通信地址。ETBN #3在智能寻址数据库中将devVCM.veh01.cst02对应的列车级通信地址10.2.1.1反馈给显示器。

显示器将10.2.1.1作为目标地址进行数据通信，数据在到达ETBN #2以后，将目标地址进行变换，更改为编组内的地址10.0.1.1，从而实现跨编组实时通信。

4 总结

网络初运行是列车重联运行的重要环节，也是列车通信网络需要攻克的技术难点。本文着重分析了基于实时以太网的列车重联网络初运行标准规范，包括网络拓扑建立、设备URI智能寻址规范。基于实时以太网的列车重联标准将规范不同厂商ETBN节点之间的初运行一致性，保证了列车重联运行的互联互通和通信的实时性。