动车组以太网控车的设计与应用*

黄志平，齐延辉，赵红卫，李永恒，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 中国国家铁路集团有限公司，北京 100844；3 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；4 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京 100081）

网络控制系统作为现代列车的关键技术，已在世界各国高速动车组上得到了广泛的应用。早在1999年，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，简称IEC）为面向机车控制系统而设计的列车通信网络（Train Communication Network，简称TCN）制定与发布了IEC 61375-1列车通信网络基本层次结构标准［1］，定义了列车通信网络的列车级与车辆级两级架构，并分别发布了绞线式列车总线（Wire Train Bus，简称WTB）和多功能车辆总线（Multifunction Vehicle Bus，简称MVB）的通信与测试标准。

2014年，IEC组织将以太网技术正式引入列车控制领域，先后研究制定了IEC 61375-2-3（TCN通信 规 约）［2］、IEC 61375-2-4（TCN应 用 规 约）［3］、IEC 61375-2-5（以 太 网 骨 干 网）［4］、IEC 61375-3-4（以太网编组网）［5］等以太网控车相关标准。

我国牵引电气设备与系统标准化技术委员会（简称牵标委）、国内科研院所和动车组制造企业已联合开展以太网控车相关标准起草和技术研究工作，以太网在动车组的应用成为列车通信网络技术发展趋势。

1 以太网控车的必要性与可行性

1.1 必要性

1.1.1 现场总线技术发展的需要

信息系统伴随着工业系统的发展，陆续出现了RS485、CAN、LonWorks、WorldFIP等 现 场 总 线技术，因各类现场总线技术传输介质、通信速率等大多方面都存在根本性差异，难以形成统一的互联、互通、互操作标准，少数情况下跨总线之间需要使用专用的网关转换，限制了通信效率和可靠性，同时不同总线技术会使得工业控制场景下的维修维护成本升高，成为了工业系统信息化发展的瓶颈。

以太网技术因其标准化、统一性、维修维护成本低等特点成为了工业控制领域发展的重要趋势，经过多年的发展形成了适用于工业领域的以太网技术体系。如Profinet、Ethernet/IP等相关技术，在工业控制领域已形成取代现场总线的趋势。智能化工厂使用以太网将控制中心与机器生产线的信息融合，实现了生产的自动化，并匹配物流及仓储管理，实现了智能产能调配，提高了生产效率降低企业成本。自动化楼宇中利用工业以太网技术开发各类控制系统及传感器，各种传感器信息汇集到一个控制网络中，通过网络对楼宇内如空调、照明、灭火设施、电梯、视频监控等设备进行统一控制，有利于楼宇在节能减排、防火、安防等方面的效率提升。电力系统使用Ethernet/IP，可实现对供电系统的监控和管理，有利于业务管理人员对电网的使用情况监控，对采集到的数据进行计算分析，实现电网的统筹管理。

列车网络控制技术来源于工业控制领域，在普速客车的安全监控系统中，使用了LonWorks技术，在和谐号机车与动车组网络控制系统中，主要使用了基于WTB/MVB的TCN技术和ArcNet技术，在350 km/h复兴号动车组维护中，使用了以太网作为终端设备的标准维护接口。随着列车信息化水平的提升，统一的通信接口有利于智能化子系统的开发与实现，使用以太网作为列车控制网络将进一步支撑列车网络控制系统的长远发展。

1.1.2 动车组智能化发展的需要

列车通信网络是列车的神经中枢，肩负着整列车各个部分重要信息的采集与传递功能，并为乘客提供信息服务、实现列车控制的功能。传统的列车通信网络，由于存在带宽低、数据吞吐能力有限、组网灵活性差等缺陷，无法满足大量数据的传输需求。例如，WTB网络最多仅支持32个节点数量，列车级传输最大速率仅为1 Mbit/s，最小通信周期为25 ms，通信周期内最多支持8个节点向上完成128字节的数据传输。

高速动车组向智能化、舒适化等方向发展，网络控制系统在满足高压、牵引、制动、辅助等系统的控制功能同时，需要对空调、车门、照明、轴温、火警、输入输出模块等控制，动车组智能化要求进一步实现部件状态的全面监控、数据的实时采集传输、列车健康状态的综合诊断，对网络的性能、带宽提出了更高的要求，传统的WTB/MVB网络的带宽低、灵活性不足，已不能适应动车组发展的新需要，列车通信网络采用以太网技术，是动车组全面推进智能化的必要条件。

1.2 可行性

1.2.1 工业以太网的实时性不断提高

近年来，以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。以太网底层硬件技术如交换机、网卡方面，随着工业信息化产业的发展不断成熟，传输带宽不断增大、时延不断缩短，抗线路损耗、抗电子干扰的能力进一步增强。

为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案，以太网的实时响应时间可以提高到低于1 ms，最大抖动低于10 ms。按照国际电工委员会IEC 61375-3-4的明确定义，实时以太网是建立在IEEE 802.3标准的基础上，通过对其和相关标准的实时扩展提高实时性，并且做到与标准以太网完全无缝连接的工业以太网。

1.2.2 工业以太网在动车组上的成功实践

以太网技术迅速应用到包括高速铁路在内的工业自动化各领域，基于实时以太网的列车网络比传统的列车网络具有较大的优势，在满足列车实时监测与控制功能正常运行的前提下，为更高带宽与性能的网络服务提供了可能。

国外主要铁路机车车辆供应商已经着手在新一代列车中使用实时以太网技术。西门子公司在其Velaro Novo动车组中，对动车组的网络系统进行了重新设计，取消了WTB/MVB列车总线结构，使用基于以太网的Sibas PN架构进行列车控制数据的传输，验证了以太网控车的可行性；庞巴迪公司在速度350 km/h动车组的列车网络通信架构设计了基于以太网结构设计的MITRAC TCMS系统，使得车载系统和地面无线传输系统能够互联互通，各列车子系统部件实现快速升级，提升了列车运行监控水平。

我国铁路350 km/h复兴号动车组上，已经将以太网进行了设计与部署，作为维护网实现软件升级、数据下载等功能，为维护作业提供了极大的便利，虽然没有达成以太网技术对列车进行实时控制的效果，但在一定程度上，对以太网产品的硬件可靠性、交换机性能、实时通信协议的选择等多个方面进行了论证与考核。

2 以太网控车技术方案设计

2.1 系统拓扑设计

以太网控车的动车组网络控制系统采用符合IEC 61375要求的以太网技术。两级网络拓扑包括列车级网络和车辆级网络如图1所示，列车级网络具有动态编组能力，车辆级网络采用固定网络配置，以动力单元划分网段，允许车辆级各子系统的控制设备通过网络通信接口直接连接至车辆级网络，列车级和车辆级之间通过网关进行数据交换。列车级总线具有冗余功能，重要的网络设备冗余配置，冗余设备分布在独立的通道上。

图1 以太网网络控制系统拓扑示意图

2.2 设备与线路冗余

列车级网络由列车级网关ETBN（Ethernet Train Backbone Node）和列车级以太网中继器组成，在每个网段配置2个冗余的ETBN，负责跨单元数据转发、域名解析以及路由相关服务等，当单一ETBN故障时，可由冗余的ETBN接替其工作提升网络关键节点的可用性。

车辆级网络由车辆级交换机ECNN（Ethernet Consist Network Node）和终端设备组成，在每个网段配置2个冗余的ECNN，提供终端设备数据获取与发布的冗余通道，核心终端设备如中央控制单元、部分重要数据采集和输入输出控制模块，可考虑冗余配置，保证单台设备故障时，动车组运行基本不受影响。

在列车级网关之间、车辆级交换机之间，均采用双通道线路冗余设计，双通道线路设置为链路聚合模式，单一线路故障时，不影响数据转发；子系统与交换机之间为星形拓扑，子系统之间的工作在拓扑结构上各自独立，提升了网络拓扑的稳定性，子系统在每个车厢接入冗余工作的ECNN交换机，单个交换机故障、单条线路故障均不影响控制功能。而且，ETBN、ECNN均设计掉电旁路功能，当某台设备故障时，基本不影响整体网络的连通性能。

2.3 拓扑可靠性分析

针对列车以太网控制网在运行过程中可能出现的故障，可分为线路故障和设备故障，见表1，列举各种故障工况，分析结果表明，冗余设计后的列车以太网控制网具有更好的网络可用性和运行可靠性。

表1 列车以太网控车与TCN控车冗余性分析

3 以太网控车的关键技术

3.1 实时通信协议

为保证控制数据实时传输，依据IEC 61375-2-3标准，使用TRDP过程数据的方式进行通信，即周期性地发送控制数据。选择基于UDP的17224端口作为TRDP数据传输方式，TRDP数据的基本格式包括序号、协议版本、消息类型、通信数据标识、列车级拓扑计数、列车级操作初运行拓扑计数、数据包长度、数据内容和校验等。

遵循规范的TRDP包格式，可实现不同设备间数据连续性的校验、通信功能的识别、拓扑环境的校验以及数据包完整性的校验等，保障数据在传输过程中实现实时性校验，用于列车控制。

通常的以太网通信大多基于单播通信，其优点是点对点传输，两点间通信不影响不相关的第三方。但在列车控制网络应用场景中，存在许多系统共用一份数据的情况，单播点对点的传输方式将造成网络带宽浪费和终端子系统发送负载的增大，因此在列车以太网控制网数据传输的规划中采用了组播的通信方式，实现点对多点的数据发送。

3.2 列车级以太网网关

列车以太网网关可实现列车跨单元、跨编组（与其他列车重联）的通信功能，在列车级拓扑（因重联或故障）动态变化时，对车辆级的通信保持不变，响应因拓扑变化带来的列车级通信变化。由网关遵循IEC 61375-2-5规定的列车拓扑发现协议（Train Topology Discovery Protocol，简称TTDP）完成复杂拓扑变化的计算，如图2所示，避免由各子系统计算拓扑可能带来的计算错误，节约了子系统的运算资源、在一定程度上降低能耗，降低子系统处理性能要求，节约成本。

图2 TTDP拓扑发现过程

列车以太网网关实现的数据交换工作流程如图3所示，主要实现以下功能：

图3 列车级以太网网数据交换流程

（1）将车辆级侧收到的所有子系统的报文通过映射规则和组包协议编排成列车级传输报文发送至列车级侧。

（2）将列车级侧收到的所有列车级传输报文解包并重新打包成不同的车辆级传输报文发送至车辆级侧。

（3）对于未定义的通信协议、通信方式进行识别和丢弃。

3.3 车辆级交换机

车辆级以太网交换机ECNN用于实现车辆级以太网数据转发，接收车辆级以太网数据流量，实时响应列车通信数据，形成车辆级以太网。以太网接口使用M12-D圆形连接器接口，连接子系统设备端口支持直连—交叉线自翻转。

交换机硬件主要由交换机ASIC芯片、处理器CPU、存储RAM、接口物理层PHY芯片、供电模块组成，如图4所示。数据的转发由硬件通过ASIC实现高速可靠的转发，接口间使用高速背板总线连接吞吐量在3 Gbps以上，接口之间可达到100 Mbps满速率转发，提升转发实时性。由CPU控制交换机配置实现对每个接口速率、优先级以及通过的数据特征值进行控制。通过对入向、出向的分别配置，例如最大允许速率、不同接口优先级配置策略定义、针对网络风暴的特征抑制和针对拒绝服务攻击进行控制设计，实现安全性和可靠性的整体提升。

图4 交换机硬件结构

3.4 实时以太网卡

所有终端设备通过以太网线接入到车辆级网络，要求采用符合IEC 61375-2-3标准的TRDP实时通信协议。部分设备通信内容不多，可将TRDP实时协议开源库集成到主处理器板卡，部分关键控制设备如牵引制动控制单元，有更高的传输要求，配置独立的TRDP实时以太网卡进行控制数据的发送与接收，确保实时性与可靠性。

实时以太网卡如图5所示，通过并行总线接口与子系统主处理器接口，使用FPGA保证网络数据收发的实时性，在TRDP过程数据收发的过程中，收发数据的进程由网卡完成，而控制逻辑及软件处理部分由子系统主处理器完成，减少了其资源占用。实测TRDP周期性抖动符合标准要求的小于10 ms限值，满足实时通信要求。

图5 TRDP网卡设计

3.5 信息安全与诊断

根据《中华人民共和国网络安全法》和《信息系统安全等级保护实施指南》，要求工业控制系统应自行组织实施安全保护措施，在以太网控车系统设计的过程中充分考虑技术可行性和信息安全性，在网络边界位置安装网络防火墙，终端设备操作系统应仅开放应用软件工作必须的系统服务；在运营期间禁止远程访问终端设备等措施加强信息防护。

在动车组运行过程中通过通信诊断的方法，及时定位设备及线路故障位置，为现场处理和后续故障维修提供依据。中央控制单元根据收到子系统冗余通道发送的TRDP数据，实时监测2条线路的通信连续性，当出现某一路通信超过超时周期未收到有效报文数据时，则判定该子系统在网络中的通道连接情况异常，将诊断结果发送给显示屏、远程无线传输装置等进行显示、记录和分析。

4 以太网控车应用与验证

在中国国家铁路集团有限公司主管业务部门的大力支持下，制订250 km/h复兴号动车组技术条件时，总体项目组提出进行以太网列车通信网络技术的研究与实践要求，形成基于实时以太网的动车组网络控制体系架构和试验测试标准，研制一批具备实时以太网接口的控制单元、网关、交换机等，进一步推动我国高速动车组的核心技术发展。

根据250 km/h复兴号动车组总体技术要求，各科研院所、主机制造企业、配套子系统供应商等全面启动以太网控车在复兴号动车组的应用与验证工作，经过不断研讨与优化，最终形成统一的以太网控车技术方案，并研制出符合技术方案要求的网络控制系统及子系统控制单元。

按照科学严谨的试验与考核过程，对技术方案与系统进行了验证，如图6所示。在2018年2月～2018年5月期间，完成以太网控车通信协议测试，互联互通功能测试，同步策划准备装车调试工作；在2018年5月～2018年10月 完 成 装 车 各 项 调试，完成以太网控制网的各子系统厂内试验，现车对整车网络传输功能、通讯质量进行了测试，验证各系统控制逻辑、故障诊断及保护响应的准确性、稳 定性；在2018年10月～2019年2月，搭 载以太 网控车的首列动车组完成整车型式试验60项、科学研究试验8项、互联互通功能验证试验38项（以太网19项）、以太网控车研究试验26项、以太网控车模式下ATP接口型式试验1项，共计133项试验；在2019年2月～2019年7月，运行里程累计达到30万km以上，完成全部运行考核试验内容，期间最高速度275 km/h并完成了世界上首次商业运行线路中的以太网控车高速重联动态试验。

图6 列车型式试验与运行考核

运行考核期间，使用以太网数据采集设备，对以太网控车性能进行了数据采集与跟踪分析，与TCN控车进行对比，通信实时性基本持平，冗余可靠性有所提升，通信带宽与维护易用性全面占优，动车组运行状态良好，基于以太网控车技术方案的网络控制系统与子系统能够满足动车组运用、检修与维护的需要，利用搭建的以太网高速数据传输通道，将有利于动车组的智能化、健康管理平台搭建及修程修制优化。

5 结论

动车组以太网控车是列车网络控制系统发展的重要方向，通过250 m/h复兴号动车组的应用验证，证明了以太网控车的可行性，成功实现网络控制系统的突破与升级换代。全面采用以太网控车，为列车运行控制提供了高速网络通道，为列车数据应用奠定了通信基础，未来还需要在各项关键技术方面进一步优化完善，并逐步实现多应用融合、智能运维、智能诊断、接入5G网络等技术升级，进一步提高列车控制的信息化、智能化水平。