列车车辆级以太网拓扑可靠性分析研究*

李元轩

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

列车网络控制系统承担着列车各类控制指令的发送、接收和处理的重要功能。近年来，网络控制系统在各类高速动车组、城轨车辆和机车车辆的应用中普遍使用以太网作为信息承载的平台进行控制数据的传输［1］。合理的网络拓扑设计可以提升列车以太网信息传输的可靠性和可用性。

国内外的列车以太网拓扑的设计中普遍参考国际电工技术标准化组织IEC（International Electro⁃technical Commission）发 布 的IEC 61375-2-5［2］、IEC 61375-3-4［3］标准设计列车网络控制系统拓扑结构，列车级交换机间统一使用线形拓扑结构，而在车辆级交换机间网络采用线形拓扑、环形拓扑或具有冗余设计的网络拓扑，未形成统一的解决方案，车辆级交换机与子系统终端间为星形拓扑，但是否有冗余线路各个实际项目在部署中也不尽相同。造成车辆级不统一的可能原因可以归纳为如下几点：（1）可靠性要求不同；（2）成本要求不同；（3）施工难易程度接受能力不同；（4）安全性要求不同。除去与技术相关性不大的两个因素，可靠性要求应进行更为详细的研究与分析。列车控制网络作为工业通信网络的重要技术分支，可靠性计算可参考基于IEC 62439-1［4］的高可用性自动化网络计算标准分析列车以太网的相关特性。文中针对列车车辆级以太网网络设计中的各类网络拓扑，讨论了网络可靠性的分级规则，针对主要拓扑结构定量分析相关可靠性，给出在工程应用中车辆级拓扑的设计建议。

1 列车网络拓扑的分层结构

铁路线路与铁路车辆在空间上都为线形结构，在运用过程中因列车重联或解编组，列车控制网的空间拓扑结构相应进行改变。列车级网络与列车物理拓扑采用线形拓扑设计。车辆级网络拓扑不随重联或解编过程变化，网络结构为静态。如图1所示，IEC 61375-2-5标准中，列车级网络ETB（Ethernet Train Backbone）为线形网络拓扑，列车级以太网交换机（ETBN）之间为线形连接。车辆级网络（Ethernet Consist Network，ECN）的拓扑范围与列车牵引单元范围一致，在车辆级网络子系统之间遵循通信协议完成通信控制功能，相同的拓扑结构才能保证同类型的多个牵引单元内数据通信参数和协议的统一性，便于各类控制逻辑的编制，并得到相同的通信时延、通信带宽等传输性能表现。

图1 列车网络拓扑分层结构

2 常见车辆级网络拓扑结构

车辆级网络在实际工程应用中随项目不同大致分为如下8种：

（1）单线形拓扑

单线形拓扑指在空间上车辆级以太网交换机之间使用一条网线相连，在空间上呈现线形结构，是最简单的网络拓扑机构。如图2所示，交换机之间的连接为相邻车辆，所有节点的空间排布在同一直线上，首尾节点间的通信依赖于中间节点的数据转发。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，以太网线缆总长度为3，总体长度最短，布线成本低。使用优点包括：布线施工简单，整车电气图设计简易；线缆长度短且不同位置的线缆长度差异不大，故障排查简单。由于这些优点，在列车车辆间以太网部署有广泛应用，可以满足大多数领域的应用要求，但是随着以太网用于控车数据传输，单线形拓扑的缺点逐渐显现，比如：如果节点数较多，存在单点故障会影响网络传输情况。

图2 车辆级单线形拓扑结构

（2）单环形拓扑

环形拓扑指在空间上车辆级以太网交换机之间相连后，在空间上呈现环形结构，首尾节点相比线形拓扑增加一条环回线路。如图3a和图3b所示，交换机之间的连接为相邻车辆或横跨多个车辆，所有节点的空间排布在环形网络拓扑上，首尾节点间有2条链路可以通信，一般使用生成树STP（Spanning Tree Protocol）协议实现环形网络构建。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，以太网线缆总长度为6。使用优点包括：整个网络存在2个独立的物理通信线路，当一路故障，可自动切换为另一路通信，可靠性增强；单线路故障后，不需要外界人为干预或配置，若采用标准的环网协议实现，网络自愈时间一般小于30 s。由于这些优点，在以太网用于控制网使用的场景，可采用环网结构。但是，环形网络拓扑的部署相比单线形拓扑，因存在独立的通信链路，随车辆级范围扩大，设计复杂性会增大，以4辆编组牵引单元的拓扑为例，设计过程中需考虑2种结构的比较，如图3a和3b所示，图3a环形拓扑结构1因最长的线缆为2，优于图3b最长线缆为3的结构。以中国标准动车组为例，单节长度接近25 m，若度量长度为3，线缆长度接近75 m，与以太网规范最大传输距离100 m相比实际部署中距离余量小，不利于通信信号的稳定传输。若出现4辆以上构成的牵引单元的情况，环网结构需详细比选各种可能拓扑，选取最优结构，设计难度较高。环网的工作依赖于环网协议，环网节点的身份并不是完全对等的，存在环网根节点和环网子节点的区别，两类节点的离线，环网自愈的时间不同。若网络中存在1个以上的故障节点或线路故障点，不在环网的自愈性考虑范围内。若网络中出现线路虚接，将有可能导致频繁的环网组网过程，数据可能丢失。

图3 车辆级单环形拓扑结构

（3）双线形拓扑

双线形拓扑指在空间上车辆级以太网交换机之间使用双线相连，在空间上呈现双线线形结构，单独线路故障不影响整个网络的通信。如图4所示，交换机之间的连接为相邻车辆，所有节点的空间排布在直线型网络拓扑上，一般使用IEEE 802.1AX规定的链路汇聚技术（Link Aggregation）实现。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，以太网线缆总长度为6。使用优点包括：相邻车辆级交换机间存在2个独立的通信线路，初始状态下，2条链路负载均衡，各传输50%的数据，形成一条逻辑链路；当一路故障，剩余未故障的另一路将自动调整为传输全部数据，可靠性增强；单线路故障后，同样不需要外界人为干预或配置，切换时间小于20 ms；若同时结合采用掉电旁路导通（bypass），可进一步解决节点故障的链路中断问题，支持多个节点旁路导通；布线施工简单，整车电气图设计简易；线缆长度短且不同位置的线缆长度差异不大，故障排查简单。由于这些优点，在列车车辆间用于以太网控车数据传输的拓扑中存在案例，但是，若网络中出现线路虚接情况，将出现频繁的链路聚合过程，这有可能将部分数据转移至失效线路，极端情况下可导致50%的数据丢失。

图4 车辆级双线形拓扑结构

（4）单环形子系统双归属拓扑

单环形子系统双归属拓扑指在空间上部署单线环形拓扑，子系统在接入交换机时采用独立的2套物理连线接入网络，网络的单线故障、子系统的单线故障都不会导致通信的丢失。如图5所示，交换机之间的连接为相邻车辆或本车车辆（端车），所有节点的空间排布在环形网络拓扑上，使用环网协议组网工作。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，以太网线缆总长度为8。使用优点包括：具备环网的全部优点，且因子系统与交换机间为双归属连接，网络拓扑方案归一化，不再存在多种跨车连接方式，便于设计，同时提升了子系统间的通信可用性。但是，同样环网的工作依赖于环网协议，环网节点变多，增加了交换机之间的故障概率，网络层面故障的可能性有所增加。

图5 车辆级单环形子系统双归属结构

（5）单线平行线子系统双归属拓扑

单线平行线子系统双归属拓扑指在空间上部署物理独立的2套单线形拓扑，子系统在接入交换机时采用独立的2条物理连线接入网络，网络的单线故障、单一交换机故障、子系统的单线故障都不会导致通信的丢失。如图6所示，交换机之间的连接为相邻车辆，所有节点的空间排布在2条直线形网络拓扑上。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，以太网线缆总长度为6。使用优点包括：相邻车辆有2套独立的交换机，交换机之间配套具备2个独立的通信线路，两路同时发送/接收全部数据，当一路故障，剩余未故障的另一路仍保持传输全部数据，不会造成数据丢失，无网络切换时间；若同时结合采用掉电旁路导通（bypass），某一单路内节点故障不会出现链路中断，支持多个节点旁路导通，仍可保证非故障节点的数据传输；在双归属方案中，整车网络部署后线路长度最短。但是，若极端情况下，网络中在2条独立链路中同时出现线路故障，将导致数据丢失。

图6 车辆级单线平行线子系统双归属结构

（6）双环形子系统双归属拓扑

双环形子系统双归属拓扑指在空间上部署2套独立的单线环形拓扑，子系统在接入交换机时采用独立的2条物理连线接入网络，网络的单线故障、单一交换机故障、子系统的单线故障都不会导致通信的丢失。如图7所示，交换机之间的连接为相邻车辆或横跨多个车辆，所有节点的空间排布在2个独立的环形网络拓扑上，使用环网协议组网工作。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，以太网线缆总长度为12。使用优点包括：具备环网的全部优点，改善了单线环网双归属结构共用交换机节点的限制，任意交换机故障不会导致数据中断或同一通道内所有交换机全部瘫痪，不影响子系统通信。若出现两通道各损坏一个交换机节点后（非相同车辆），子系统之间在网络中全部通信可达。但是，环网部署的线路仍存在较长和方案多的设计限制。

图7 车辆级双环形子系统双归属结构

（7）双线平行线子系统双归属拓扑

双线平行线子系统双归属拓扑指在空间上部署2套独立的双线形拓扑网络，子系统在接入交换机时采用独立的2条物理连线接入网络，网络的单线故障、单一交换机故障、两条线路中同时出现单线故障、子系统的单线故障都不会导致通信的丢失。如图8所示，交换机之间使用2条独立线路连接相邻车辆，所有的节点的空间排布在2个独立的双线形拓扑上，使用链路聚合技术工作。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，2套独立物理线路使得以太网线缆总长度为12。使用优点包括：单通道内具备双线形拓扑的优点，改善了双路断开造成网络中断的故障，任意交换机故障，或任意交换机线路全部故障，均不影响子系统通信；结合旁路技术（by⁃pass）的使用，若出现两通道各损坏一个交换机节点后（非相同车辆），子系统之间在网络中全部通信可达。

图8 车辆级双线平行线子系统双归属结构

（8）梯形子系统双归属拓扑

梯形子系统双归属拓扑指在空间上交换机之间形成梯形形状的拓扑网络，子系统在接入交换机时采用独立的2条物理连线接入不同的交换机，网络的单线故障、交换机单点故障、梯形两臂两条线路中同时出现单线故障，子系统的单线故障都不会导致通信的丢失。如图9所示，交换机之间使用2条独立线路连接相邻车辆，相同车辆内部2个交换机之间线路相连。布线角度上看：以4辆编组牵引单元为例，跨1辆车作为长度度量单位1，则部署4辆编组车辆，车辆与车辆之间长度均为1，2套独立物理线路和包括车内2交换机互联使得以太网线缆总长度为12。使用优点包括：在单环形拓扑的基础上通过增加交换机网络内部的接线形成梯形结构，进一步增强了网络整体的连通性，任意交换机故障，或任意2台交换机故障，均不影响子系统通信；结合旁路技术（bypass）的使用，可进一步增强可靠性。但是，若网络中出现线路虚接情况，将有概率导致拓扑频繁切换，可导致50%的数据丢失；梯形拓扑协议目前无成熟应用案例，软件实现复杂。

图9 车辆级梯形子系统双归属结构

3 车辆级网络拓扑结构的可靠性分析

车辆级网络在不考虑子系统本身故障或子系统冗余的情况下，故障大致分为3种：交换机故障（含硬件核心故障、软件故障、电源故障）、交换机至交换机之间线路故障（含线缆破损、线缆连接器连接故障、接口故障）、交换机与子系统之间线路故障（含线缆破损、线缆连接器连接故障、接口故障）。

从网络拓扑冗余性的角度可大致分为4级：

（1）无冗余。拓扑案例：单线形拓扑；

（2）单点故障不会导致网络崩溃，但损失部分子系统间通信功能。拓扑案例：单环形拓扑、双线形拓扑；

（3）单点故障不会导致网络崩溃，也不会损失通信功能。拓扑案例：单环形子系统双归属拓扑、单线平行线子系统双归属拓扑；

（4）同类型两点故障（非同一车辆的2个交换机或2条线路）不会损失通信功能。拓扑案例：双环形子系统双归属拓扑、双线平行线子系统双归属拓扑、梯形子系统双归属拓扑。

平均故障间隔时间MTBF（Mean operation Time Between Failure）是相邻2次故障间隔所需时间的数学期望，它是衡量网络可靠性的重要指标，其单位为“h”。从测算的角度看，MTBF的数值越大则代表可靠性越高。

根据IEC 62439-1标准进行网络可靠性计算，考虑参数如下：

N：交换机数量；

λs：交换机核心故障概率；

λsl：交换机与交换机之间线路故障概率；

λel：交换机与子系统之间线路故障概率；

μ：故障恢复速率；

不考虑冗余部件间的故障相关性。网络平均故障间隔时间MTBF和子系统间通信平均故障间隔时间MTBF，计算方法见表1。

表1 网络平均故障间隔时间MTBF与子系统间平均故障间隔时间MTBF计算

假设交换机无故障运行时间为20万h，线路无故障运行时间为300万h，故障平均修复时间20 h（μ=0.05）。

从列车应用角度上看，子系统间通信的MTBF是最关键的系统评价标准，子系统间通信的MTBF越高，可靠性越好。车辆及交换机数量为4台、6台、10台情况下各类型拓扑的MTBF的计算结果见表2~表4。进一步对交换机数量、对各类型拓扑的MTBF计算结果进行研究，可得到如图10a、图10b所示关系，子系统间通信的MTBF随着交换机节点增多逐渐降低，在列车网络拓扑的设计中应优先考虑使用更少的交换机节点完成整个网络部署；具有双归属设计的网络拓扑可靠性等级明显提升3至4个数量级，推荐应用于列车控制信号的传输。子系统具有双归属设计的拓扑方案中，伴随在交换机节点增多中，不同拓扑方案呈现了不同的特性，双环形子系统双归属拓扑、双平行线子系统双归属拓扑在交换机组数量小于6的情况下可靠性最高，高于6的情况下，梯形拓扑的优势逐步显现。

表2 交换机数量N=4，MTBF计算结果

表3 交换机数量N=6，MTBF计算结果

表4 交换机数量N=10，MTBF计算结果

图10 各类型拓扑的MTBF计算结果

4 总结

针对列车以太网应用场景的特点，研究了车辆级网络拓扑的可靠性问题，分别分析了单线形拓扑、单环形拓扑、双线形拓扑、单环形子系统双归属拓扑、单线平行线子系统双归属拓扑、双环形子系统双归属拓扑、双线平行线子系统双归属拓扑、梯形子系统双归属拓扑，共8种拓扑的设计特点，应用优点和限制。以MTBF为量化标准，考虑了交换机数量、交换机故障率、交换机间线路故障率、交换机与子系统间线路故障率和故障修复时间，比较了各类拓扑的可靠性。从分析结果上得出以下结论：

（1）子系统间通信的MTBF随着交换机节点增多逐渐降低，在车辆级拓扑设计中，交换机数量应设计的尽量少；

（2）如果使用以太网进行列车控制信号的传输建议使用子系统具有双归属设计的拓扑，可显著提升通信可靠性；

（3）交换机节点增加到一定程度后（大于6），子系统间通信的可靠性趋同；

（4）单线形拓扑最适合于可靠性要求不高的网络环境，如维护网。

在中国标准动车组（8辆编组其中4辆车为牵引单元）或城轨车辆（6辆编组其中3辆车为牵引单元）应用场景中交换机节点数小于6，若采用单环形子系统双归属和单线平行线子系统双归属方案与梯形拓扑可靠性低于双环形子系统双归属拓扑、双平行线子系统双归属拓扑可靠性，其中双线平行线子系统双归属拓扑可靠性最高，推荐使用双线平行线子系统双归属拓扑。