基于以太网的城轨列车网络系统设计

刘 超，张红星，李如石，王吉松

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

目前列车网络控制系统TCMS 中大多采用WTB/MVB 总线实现网络控制、监视和诊断功能，并单独设置以太网实现各系统应用软件上载、故障数据下载等维护功能。以太网通信技术具有数据传输速率高、可靠性强、易于扩展及开发成本低的 优 点［1-4］。随 着IEC 61375-3-4、IEC 61375-2-5和IEC 61375-2-3 标准的发布［5-7］，同时为了引领列车网络控制技术发展，国内各主机厂和科研院所都非常注重列车以太网通信技术的研究，但其主要集中在列车实时数据协议、列车冗余结构和性能的研究。文中主要从标准中梯形拓扑结构出发，设计了集大数据量信息传输、智能诊断、旅客娱乐信息服务等功能为一体的多网融合列车网络架构，这对于列车网络系统的发展具有重要意义。

1 以太网列车控制系统架构

以某6 辆编组地铁为例，进行以太网列车网络系统的研究。基于以太网的列车网络拓扑如图1所示。本拓扑中列车级网络和车辆级网络均采用ECN，每辆车中配备多个以太网交换机形成车辆内子网，每车内的子网串行连接到主干链路，且在子网的另一侧编组交换机之间使用本地链路互连形成各自编组网节点对。这种设计在2 条主干链路的子网互为冗余，同时在单网络部件失效时继续ECN 上的通信，提高了网络冗余可靠性和数据传输速度，满足了目前车辆运行时数据实时传输和维护时数据量大的需求。

图1 以太网网络拓扑示意图

2 设计架构分析

列车网络中通过交换机端口可同时连接车辆的终端设备（火警/空调/车门等系统控制单元）进行车辆通信。列车网络设计采用梯形以太网冗余结构，并将网络系统TCMS、旅客信息系统PIS、火警系统FAS 和维护网进行多网融合，通过划分虚拟局域网VLAN 将不同系统的设备在逻辑上进行区分，使各子网间通信隔离，提高网络安全性。

2.1 主要技术路线

2.1.1 梯形拓扑特点

基于以太网的梯形网络，采用环协议管理整个网络，根据IEC 61375 标准，具有以下特点：

（1）列车交换机数量通常不做限制。

（2）每个交换机在网络中有唯一的名称标识，且名称长度不超过16 个字符。

（3）车内环有单独的环标识（Ring ID）。

（4）交换机上每个接口最多划分到2 个车内环中，并且连接2 个环的接口需要在2 个环中分别配置。

（5）允许多个互连环组成更复杂拓扑。

（6）当环中的一个链路被禁用或故障，可通过另一侧链路进行数据传输，避免单一线路故障情况下丢失数据，提高数据传输的可靠性。

2.1.2 环协议配置实现

在本梯形拓扑结构中［5］，环协议在交换机中的配置实现是关键。环链拓扑结构如图2 所示，图中环1（Ring 1）代表车辆1 中网络，环3（Ring 3）代表车辆2 中网络。环2（Ring 2）代表车辆1 和车辆2之间通信网络，实现环1 和环3 之间的通信。以交换机B1 为例，交换机B1 被划分到Ring2 和Ring3 中。

图2 环链拓扑结构

其B1 的配置实现过程如下：

；环协议设置

SW_NAME = ETX_201_B1；交换机名称

UCRING_VLAN = 2257；交换机自身VLAN

；环2 设置

RING1_ENABLE = 1；环使能

RING1_ID = 2；环标识

RING1_PRIO = 10；交换机中环优先级

RING1_PORTS = 3 1；在环中被使用的端口，该端口的STP（生成树协议）不可用

；环3 设置

RING2_ENABLE = 1；环使能

RING2_ID = 3；环标识

RING2_PRIO = 100；交换机中环优先级

RING2_PORTS = 1 2；在环中被使用的端口，该端口的STP（生成树协议）不可用

；端口1 设置

PORT1_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配

；端口2 设置

PORT2_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配

；端口3 设置

PORT3_VLANS = 1 2257；端口VLAN 分配。

2.2 基于VLAN 的多网融合设计

在图1 中，PIS 系统的摄像头和客室控制单元SCU 通过以太网接口均连接到交换机上，通过SCU 和显示屏之间的通信，实现摄像头中相关调用命令和视频流信息传输。另外，FAS 系统中各车厢火警探测器通过以太网连接到列车网络系统交换机，火警探测器采集本车火警探头状态后，经骨干以太网将信息传输到火警主机，减少了以往FAS 火警探测器与火警主机之间的CAN/RS485 总线连接。最后，通过骨干以太网还可实现全列车网络设备的远程维护和接口标准化，相比传统的控制网（WTB/MVB 总线）和维护网（以太网）独立网络，降低了网络结构复杂度。可见，网络控制系统、PIS 系统子网、火警系统子网和维护网，通过共用骨干以太网传输通道，实现了列车各系统子网的多网融合，这不仅提高了列车调试效率，而且极大地节省了列车布线空间，降低了布线难度。

本 设 计 中TCMS 子 网、PIS 子 网、FAS 子 网 和维护网共享1 个物理网络，通过划分VLAN，使得PIS、FAS 和维护计算机设备无法随意访问TCMS网络，解决了广播域扩大带来的性能和安全性降低问题。

2.2.1 子网VLAN 划分原则

VLAN 技术能够在逻辑上把一个物理局域网分隔为多个广播域，每个广播域称为一个虚拟局域网。VLAN 划分常见的方法有：基于源端口划分、基于源MAC 地址划分和基于源IP 地址划分。文中的设计主要基于源端口划分VLAN，具体划分原则如下：

TCMS 子网VLAN ID =10；

PIS 子网VLAN ID =20；

FAS 子网VLAN ID =30；

维护子网VLAN ID =40。

2.2.2 子网VLAN 实现方法

默认情况下，VLAN 标识符2257 专用于交换机Ring 协议。考虑网络安全性，应在交换机每个环形端口上配置VLAN 标识符2257。为满足终端设备不同子网的使用需要，需要将骨干以太网交换机上的端口配置为所有子网的VLAN ID 值。

如图2 中ETX_201_B1 中端口1 作为环形端口，其端口中VLAN 配置如下：

；端 口1 的VLAN 设 置

PORT1_STPST = disabled；STP 不可用

PORT1_AUTONEG = enable；默认使能

PORT1_SPEED = auto；端口传输速度［10，100，1 000 | auto］

PORT1_VLANS = 1 2257 10 20 30 40；基于端口的VLAN 标识符，因PORT1 在列车级骨干网总线上，作为列车级级联口，需将所有VLAN 数据进行传输

PORT1_DEFVLAN = disable；默 认 的VLAN- 允许/禁止未标记的帧［enable | disable］

PORT1_8021Q = secure；端口802.1Q 检查。

2.2.3 子网优先级设计

在列车网络中，为保证不同业务的子网之间通信正常，防止总线拥塞，按照列车中控制网数据优先，其次是火警信息、视频信息、维护信息的重要性原则，进行传输数据优先级设计。在802.1Q VLAN 报头中包含一个3 位优先级码点（PCP）字段，该字段引用一个帧服务类（QoS），即一个介于0 和7 之间的优先级值。QoS 默认情况下按照IEC 61375-3-4 标准均匀映射到队列优先级，映射表可以在交换机配置文件中修改。其映射表见表1：

表1 映射表

具体在端口中配置如下：

；端口1 的QoS 设置

PORT1_QOS_VLAN = enable；基 于802.1Q header［enable | disable］的优先级

PORT1_DEFCOS = 7；入口帧默认的服务优先级别，7 代表TCMS 子网这个VLAN 的优先级最高。

2.2.4 子网终端设备要求

列车网络所划分为TCMS 子网、PIS 子网、FAS 子网和维护子网，这些子网中终端设备（如火警/空调/车门等）通过不同的网段进行区分，网络结构中的每一个终端设备具有唯一的IP 地址。其分配原则如下：

TCMS 子网网段IP：10.1.X.Y；

PIS 子网网段IP：10.2.X.Y；

FAS 子网网段IP：10.3.X.Y；

维护子网网段IP：10.4.X.Y；

其 中X 代 表 车 辆 号（1～6 车），Y 代 表 设 备（1～254）。

子网掩码设置为255.255.0.0。

3 数据通信应用设计

3.1 TRDP 通信

列车实时数据协议TRDP（Train Real-time Data Protocol）由IEC 61375-2-3 定 义［7］。TRDP 协 议位于TCP/UDP 传输层之上，提供车辆内或车辆间应用的通信。TRDP 主要用于过程数据（Process Data）和消息数据（Message Data）的传输。过程数据主要用于列车控制，传递命令和状态消息，数据量大，要求高可靠性、实时性和确定性，一般周期性传送。消息数据主要用于故障和诊断信息，数据量长短不一，一般按需传送，并要求有一定的实时性。使用TRDP 协议，标准规定过程数据最小周期为20 ms，对于控制网中关键系统如牵引制动，其数据传输周期定义为20 ms，对于其他非关键系统数据，其传输周期是最小周期的整数倍。

3.2 ComId 设计

TRDP 定义了过程数据之间的通信，即过程数据单元PD-PDU 的数据结构。每个TRDP 通信都使用一个ComId，该ComId 在每个PDU 报头中传送。ComId、源IP 地址以及目的IP 地址组合形成列车内PDU 的唯一标识符。ComId 是应用相关的，在本设计中定义ComId 使用0xXYU 的组合方式。其中，X 代表发送设备的类型编码；Y 代表接收设备的类型编码，当有多个设备时使用00；U 表示数据端口周期的快慢，其中1 为快速。例如VCU 发给牵引的ComId 为01051，牵引发给VCU及HMI 的ComId 为05001。

3.3 组播地址

VCU 与终端设备之间通过组播通信完成数据传输。 ECN 组播组IP 地址为239.255.0.0/16。VCU 和终端设备之间通过组播实现数据传输，VCU 使用的组播地址239.255.0.001。ED 使用的组播地址，239.255.0.X，X 根据不同系统区分。

4 运用效果

4.1 控制功能实现

在列车以太网维护接口使用Wireshark 抓取6辆编组以太网的通信数据包，数据显示TCMS 能够与列车中牵引、制动等系统进行正常的过程数据传输，实现了司机室激活控制、牵引封锁控制、电空混合制动控制、保持制动控制等网络管理功能，保证了列车的正常运行。同时实现了各摄像头视频信息在列车显示屏中的正常显示。

4.2 系统带宽计算

本设计中列车骨干网采用1 000 Mbit/s 以太网总线，其传输数据类型主要分为4 种：TCMS 控制数据、PIS 视频数据、FAS 火警数据以及各系统维护数据。TCMS 控制数据和FAS 火警数据均采用TRDP 数据传输，根据抓包数据分析如图3 所示，其占用带约为2.251 Mbit/s。

图3 TRDP 通信数据包

PIS 视频数据采用H.264 格式和分辨率为720 p 的码流进行数据传输。正常运行时，其每路摄像头在总线上传输带宽约为0.757 Mbit/s，如图4 所示。司机显示屏调用视频流的极限情况为2 个显示屏同时调用各自的4 路监控，此时视频信息占用总线带宽约为0.757×2×4=6.056 Mbit/s。另外，按照理论设计最高2 M 的编码率，计算整个PIS 系 统 占 用 最 大 带 宽 约 为2 Mbit/s×3（3 路/车厢）×6（6 车厢/列）=36 Mbit/s。

图4 PIS 视频流传输

各系统维护数据，仅在列车静止并在库内检修时使用，与各系统数据传输量相关，不会与列车正常运行时传输数据抢占带宽。

可见，通过VLAN 划分、端口限速以及基于环协议的广播风暴抑制，实现了以太网总线带宽的合理分配，保证了列车网络通信的完整性和实时性。

4.3 过程数据延时和抖动

延时指在2 个终端设备之间链路层上帧的传输时间。IEC 61375-3-4 标准中规定，TRDP 协议的过程数据最大延时为10 ms。使用Wireshark 抓取数据包5 min，统计数据最大延时约为8.666 ms，如图5 所示。

抖动是指各帧传输时间的差异。在底层使用加扰线路状态测量峰值抖动，包括占空比失真和基线漂移影响在内的总发射抖动不得超过1.4 ns。IEC 61375-3-4 标准中规定过程数据的最大抖动为10 ms。根据图5 中最大延时与最小延时数据，粗略计算传输抖动为8.716 ms。

图5 过程数据延时分析

从抓包数据分析，本设计列车总线上对于控制列车运行的关键过程数据在传输性能上满足标准设计要求。

5 结束语

基于以太网通信的列车网络设计，通过列车梯形拓扑和划分VLAN，实现了多网融合，在很大程度上节省了列车布线空间。以太网总线技术的应用使得列车能够承载多种大数据量业务，并保证数据传输的实时性。此设计已经在新一代智能化B 型地铁样车研制中应用并验证，网络系统运行正常。