基于以太网的列车多网融合技术研究

屈雪刚，吴 君，钱兆勇

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100070）

随着轨道交通动车组列车的不断发展，全自动驾驶、健康管理、智能列车、大数据等新型技术也逐步在列车上实施，传统的MVB、WTB 等总线形式越来越满足不了高实时性、大数据量的要求，以太网以其优越的性能广泛地运用到列车控制技术中。但列车网络仍然是设备维护网、PIS 环网、走行部内网、列车控制网等多系统的独立集成，导致列车的网络总线种类多、结构复杂、不便于集中式统一管理。基于以太网列车多网融合技术是将维护网、PIS 环网、走行部内网、列车控制网等多系统的数据集中到一条干线以太网进行传输，提高了实时性、增强了大带宽、便于集中管理，保证列车的可靠性和安全性，是列车网络控制的发展趋势［1］，如图1 所示。

图1 各系统独立的网络总线形式

1 列车多网融合系统需求

实现TCMS 维护网、PIS 环网、走行部内网、控制网等子系统的多网融合，需要综合各个网络的全部功能，实现原有各个子系统网络的全部功能，子系统网络所需主要功能需求见表1。

表1 子系统网络传输需求

由系统需求可知、多网融合以太网技术需要满足如下要求：

（1）实时周期性传输要求，最小数据传输周期16 ms 以下。

（2）能完全支持ISO/OSI 的7 层开发结构，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

（3）满足各种数据带宽要求。

2 多网融合方案实现

随着近年来实时以太网概念的提出，相应的解决方案也逐步成熟，IEEE 802.1Q 也再次进入公众的视野。IEEE 802.1Q 以其独特的性能满足各种数据的传输。

2.1 MAC 帧结构的调整

符合IEEE 802.1Q 的MAC 帧在传统MAC 帧结构中增加了标黄部分Tag 的4 个字节的数据结构（后述中按照IEEE 802.1Q 规范的MAC 帧用Tag 表 示，其 他 的MAC 帧 用UnTag 表 示）［2］，如 图2 所示。4 个字节拆分成4 个不同的功能区，分别为标签协议识别区（TPID）、优先级代码区（PRI）、标准格式封装指示区（CFI）、Vlan 网络识别区（VID）。

图2 MAC 帧 结 构

标签协议识别区（TPID）：采用16 Bits，用于区分Tag 的MAC 帧和UnTag 的MAC 帧，如果该帧采用Tag 的帧结构形式，则该值可设置为0x8 100。

优先级代码区（PRI）：采用3 Bits，划分成了0~7 共8 个 数 据 传 输 优 先 级，0 为 最 低 优 先 级、7 为最高优先级。

标准格式封装指示区（CFI）：0 表示MAC 地址以标准格式进行封装，1 表示以非标准格式封装。在以太网中，CFI 的值为0。

Vlan 网络识别区（VID）：12 Bits 表示子网数量，即4 096 个数值，VID＝0 用于识别帧优先级，VID=4 095 为预留。最多可以划分4 094 个Vlan。

2.2 MAC 帧的兼容

由于对MAC 帧的调整，车辆的牵引、制动、车门等系统需要更新连接以太网的全部软件协议，这会导致开发周期长、成本高等问题，因此要求Tag 格式的MAC 帧与UnTag 格式的MAC 帧完全兼容。

我们将以太网分为接入链路和干线链路，如图3 所示，如果有接入链路设备不能满足Tag 格式的MAC 帧，在接入链路交换机后，交换机将其转换为Tag 格式的MAC 帧，使用Tag 格式的MAC 帧在干线链路中传输，在信号的接收侧再将其恢复到UnTag 的MAC 帧格式。

图3 多网融合网络拓扑架构

这样既保证了IEEE 802.1Q 的MAC 帧的数据传输，又保证了其他MAC 帧的数据传输，达到了兼容性要求。

2.3 竞争优先级方式进行实时周期性数据传输

同一以太网既传输实时周期性列车控制数据，又传输时效性不高的PIS 系统视频、音频数据，出现碰撞之后需采用优先级策略处理。

采用优先级代码PRI，将数据划分为基础、优先数据、快速数据、闪速语音控制数据、延时抖动小于100 ms 的视频、延时抖动小于10 ms 的音频、网间控制、网络控制7 个等级，传输时，PRI 先传优先级高的数据。保证周期性时效性高的列车控制、走行部数据，再传PIS 系统的视频音频数据。保证数据时效性和大数据流带宽。

应用层采用周期时间触发机制发送周期性数据。以太网上的每个节点都有统一的时间分配，该时间分配按照数据时效性紧要程度划分，时效性高的数据传输周期短，时效性低的数据传输周期长，时间由用户自定义，只有轮到某节点发送数据时，该节点的门控才会打开，并将数据发出。

因此，对于量不大、实时性、周期性要求高的数据采用优先级代码高和周期性触发机制保证。对于量大、实时性、周期性要求不高的PIS 视频音频数据由优先级代码低的数据格式传输。实现不同数据类型的综合承载。

2.4 Vlan 划分

在Tag 的MAC 帧中设置了Vlan 网络识别区，用于网络的虚拟分组，在优先级数据的保证下，对网络再次划分虚拟分组，使得应用层不同类型的数据相互不可见，减少不同数据类型的相互干扰［3］。

将PIS 网、列车维护网、走行部内网、控制网等划分为不同的Vlan，应用层的控制数据、维护数据、视频音频数据之间相互独立，尽管数据在同一总线上传输，相互之间不产生干扰。

如果不同Vlan 间有数据传输，则可在骨干网配置3 层交换机，使得Vlan 间数据能够可控交互，保证数据的集中管理。

2.5 时效性分析

由于控制数据要求最短传输时间16 ms 以下，以太网传输为级联方式，代表数据传输时每个交换机需要消费一定的处理时间。目前，用于实时周期性传输的交换机最小处理时间为11 μs。

列车目前最大编组为16 节编组，每节设置1台交换机，则以太网传输最小时间为176 μs，最大传输时间为352 μs，该时间足以满足周期性传输的要求。

2.6 重传机制

控制数据的可靠性要求较高，传输层采用TCP/IP 传输方式，每条以太网帧均配置了多个校验，在数据发送端设置了校验加密，数据传输到接收端后，接收设备按照逆向方式解密，接收设备获得实际数据和解密校验数据一致后，代表该数据有效可用，反之，数据不一致则代表该数据无效，通过TCP/IP 方式告知发送方进行重传。

2.7 带宽计算

考虑列车多网融合的通用性，按照当前最大编组运行列车的设备统计，以太网带宽见表2。

表2 以太网各设备带宽需求

通过对以太网带宽计算，千兆以太网传输217 M最大带宽数据，带宽有足够的余量，满足多网融合带宽要求。

2.8 安全保障

以太网多网融合对控制数据和视频音频数据进行了综合承载，由于控制数据对传输安全性要求较高，采用如下方式保证数据的安全可靠。

（1）采用应用层安全协议，在发送端和接收端分别进行安全协议的加密和解密，数据无误后再进行使用。

（2）通过划分Vlan、保证了数据之间相互隔离。

（3）通过MAC 优先级划分，优先传输优先级高的数据，避免发送数据碰撞产生丢帧。

（4）通过重传机制，保证数据接收不到或传输错误时再次传输。

（5）采用周期性传输机制，使数据能在最短的时间内快速更新。

（6）通过统一集中管理方式保证数据综合有效。

（7）采用冗余机制，使数据多份传送，接收设备根据不同的数据进行不同策略的使用。

3 试验测试

3.1 测试方案

为充分验证方案，在实验室环境搭建了试验平台，对不同的MAC 帧结构、不同Vlan、过程数据、视频数据进行传输。

实验室环境下按照最小拓扑架构进行测试，如图4 所示，骨干网采用千兆环形以太网交换机，按照Tag 格式的MAC 帧传输，连接设备中CCU、WTD 是UnTag 格式的设备，PIS、走行部是具有Tag 帧格式的设备。其中CCU 和WTD 设备划分为Vlan1、PIS，走行部设备划分为Vlan2。

图4 最小单元测试拓扑架构

3.2 试验步骤及测试结果

通 过CCU 发 送 数 据WTD 接 收、WTD 发 送 数据CCU 接收，PIS 发送数据走行部接收、走行部发送数据PIS 接收的测试，如图5 所示，UnTag 数据和Tag 数据都能在规定的时间内正常收发。

图5 设备之间通讯结果

为了验证Vlan 的区域防护特性，Vlan1 和Vlan2 之间互传数据，结果发现，数据不能收发，起到Vlan 隔离作用，满足设计要求，如图6 所示。

图6 Vlan 隔离状态下的访问

4 实车验证

在速度160 km/h 市域动车组列车上将多网融合技术进行了实际装车验证，该车为8 列固定编组列车，整车骨干网为环形以太网，设备较多，计算该车的带宽见表3，带宽合计197 M。

表3 160 km/h 市域车带宽设计

骨干网采用了千兆以太网，远远满足197 M 带宽的需求。该车实际运行中，数据传输畅通，收发自如，使用情况良好，满足设计要求。

5 结 论

经系统分析、方案论证、试验测试、实车验证等一系列环节，证明了多网融合技术真实可行，各系统运行稳定、安全、可靠、互不干扰。以太网多网络融合技术解决了传统列车子系统相互独立，列车的电缆数量多、种类多、总线结构复杂等问题。采用一套总线传输形式，将各系统的内部网络传输的内容通过一条以太网进行综合承载，形成多网络融合技术，该技术可推广应用。