单 正 辉

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心电气研发部，吉林 长春 130062)

列车网络控制系统作为地铁列车核心技术之一，在地铁列车的运行和控制方面具有不可替代的作用。列车网络控制系统的组网形式也在不断演进，在以太网日益成熟的今天，由以太网构成的列车网络控制系统逐渐取代了MVB加WTB所构成的列车网络控制系统。其不仅能够充分发挥以太网大数据量传输的优势，满足列车网络控制系统对带宽日益增长的需求，而且满足列车关键系统的控制功能对实时性的要求，促进时间敏感型网络的发展。

1 列车网络控制系统拓扑结构及系统冗余

1.1 列车网络控制系统拓扑结构

本项目中的美国地铁列车每2辆车为1个编组，2个或3个编组重联运营。列车网络控制系统采用100Base-TX以太网两级总线结构，即通过列车级以太网(ETB)和车辆级以太网(ECN)共同实现列车网络控制系统的所有功能。ETB符合IEC 61375-2-5：2014《铁路电子设备 列车通信网络(TCN) 第2-5部分: 以太网列车骨干网》要求，ECN符合IEC 61375-3-4：2014《铁路电子设备 列车通信网络(TCN) 第3-4部分: 以太网组成网(ECN)》要求。通过ETB可以实现12辆车(6个编组)的列车网络控制系统的重联功能。本项目美国地铁列车网络控制系统拓扑结构如图1所示。

1.1.1 ETB

IEC 61375-2-5：2014标准中，ETB采用线性冗余拓扑结构，每个ETB节点通过2根以太网电缆与相邻ETB节点相连接，每个ETB节点为1个TS,2个TS之间采用虚拟路由冗余协议来进行管理，如图2所示。

ED.终端设备；TS.列车级交换机；VMU.车辆控制单元；VS.车辆级交换机。

图2 ETB线性冗余拓扑结构

TS作为ETB节点可以实现以下功能：

(1) 轨道车辆网络地址转换(R-NAT)。TS通过使用R-NAT协议来实现ETB和ECN之间的地址映射。

(2) 可作为域名管理系统(DNS)服务器。根据IEC 61375-2-5：2014第10部分，TS将域名翻译和解析为相应的IP地址。

(3) 旁路功能。当某一个TS故障时，另一个TS能自动进入旁路状态，使其仅作为一个通路，而不影响整个网络的通信功能。

1.1.2 ECN

本项目中ECN采用双向环形结构，能够保障环路上任何单点故障不会导致通信中断。ECN环形拓扑结构如图3所示。环形拓扑结构中具有最小MAC地址的VS被定义为环路主交换机。环路主交换机被封堵1个端口以保证整个数据传输的树形结构。

图3 ECN环形拓扑结构

1.1.2.1线路中断

如果环路中某一段线路中断，那么环路主交换机会打开之前封闭的端口，同时激活如图4所示的备份线路来进行通信。整个网络通信的恢复时间在100 ms以内。

图4 线路中断工况下的网络传输

1.1.2.2非主交换机故障

如果环路中某一个非主交换机故障，那么环路主交换机会打开之前封闭的端口，同时激活如图5所示的备份线路来进行通信。整个网络通信的恢复时间在100 ms以内。

图5 非主交换机故障工况下的网络传输

1.1.2.3环路主交换机故障

当环路主交换机故障时，剩余正常工作的交换机中具有最小MAC地址的交换机将会成为新的环路主交换机，如图6所示。

图6 环路主交换机故障工况下的网络传输

1.1.3 VMU的冗余管理

每个编组中采用2个VMU实现网络管理和冗余功能，2个VMU具有完全相同的设计。在正常工况下，带司机室车的VMU将作为主VMU，不带司机室车的VMU作为从VMU，如图7所示。

图7 正常工况下VMU工作示意图

当主VMU不能完成正常工作时，从VMU将成为主VMU继续保障整个网络系统的正常工作，如图8所示。如果在这期间原来的主VMU恢复了功能，也不再进行主从切换，除非当前主VMU出现异常。

图8 VMU冗余切换示意图

1.2 数据传输类型

网络系统与子系统之间的通信基于IEC 61375-2-3：2014《铁路电子设备 列车通信网络(TCN) 第2-3部分：TCN通信简介》附录A的列车实时数据通信协议(TRDP)，每个编组内的通信协议结构如图9所示。

图9 各编组内通信协议结构

为了实现网络系统与子系统间的通信，ED必须基于TCNopen设计自己的TRDP软件，网络系统和所有子系统分包商必须使用统一的TRDP基线。

1.2.1 过程数据

采用UDP协议在网络系统和子系统之间定期传输过程数据(PD)。为了区分PD的传输方向，定义了状态数据请求(SDR)和状态数据(SD)。其中，SDR是将过程数据包从网络系统周期性发给子系统，SD是将过程数据包从子系统周期性发给网络系统。PD数据帧格式如图10所示。

图10 PD数据帧格式

1.2.2 消息数据

采用TCP/IP协议在网络系统和子系统之间不定期传输消息数据(MD)。为了区分MD数据的传输方向，定义了MD-PUT(消息数据推送)和MD-GET(消息数据接收)。其中，MD-PUT是将消息数据包从网络系统发送到子系统，MD-GET是将消息数据包从子系统发送到网络系统。

MD数据帧格式如图11所示。由于受以太网数据帧长度限制，如果MD数据帧的数据部分长度大于1 352 Byte，那么该数据帧将被进行拆分传输(图11(b))。

图11 MD数据帧格式

1.3 MAC地址

每个ED都有一个全球唯一的MAC地址，如果ED是双归属备(ED连接到2个不同的交换机)，那么每个网络接口卡(NIC)都要有一个唯一的MAC地址。

所有的以太网接口都需要满足以下要求：(1)满足IEEE 802.3系列标准要求；(2)采用100Base-TX标准；(3)双向传输；(4)满足IEC 61375-3-4：2014标准要求。

1.4 网络地址

IP地址和组播IP地址分配都基于IEC 61375-3-4：2014标准，采用静态IP地址分配。本项目在每个车辆编组内均使用A类私有IP地址。IP地址范围为10.0.0.0～10.255.255.255，组播IP地址范围为239.255.0.1～239.255.255.255，子网掩码为255.255.240.0/20。

网络系统将以静态配置为基础，但是对于无法提供静态IP地址的设备，比如某些摄像头，网络系统提供DHCP服务器的功能，通过以下2种方式实现IP地址的动态分配：

(1) 基于端口的DHCP。适用于无法提供唯一设备ID的设备，端口是专用的，即该设备只能使用指定的端口，不能使用交换机上的其他端口。

(2) 具有option code 61的DHCP。适用于无法提供静态IP地址但是具有唯一设备ID的设备。交换机可以通过ID来识别设备类型，因此只要是同类设备可以实现交换机端口互换。

1.5 PD和MD端口定义

PD和MD端口号如表1所示。

表1 PD和MD端口号

1.6 虚拟局域网

在一个编组内所有VS被连接成环形，ED连接到VS上。传统的共享介质的以太网和交换式的以太网中，所有的用户在同一个广播域中会引起网络性能的下降，浪费带宽，而且对广播风暴的控制和网络安全只能在第3层的路由器上实现。

虚拟局域网(VLAN)相当于OSI参考模型的第2层的广播域，能够将广播风暴控制在1个VLAN内部。划分VLAN后，由于广播域的缩小，网络中广播包消耗带宽所占的比例大大降低，网络的性能得到显著提高。VLAN分为基于端口的VLAN和TAG VLAN 2种。基于端口的VLAN(即属于同一个VLAN)的端口之间才能进行通信，可通过交换机设置。TAG VLAN主要用于跨交换机的相同VLAN内的主机之间的访问。标准以太网数据帧和具有VLAN TAG的以太网数据帧之间的对比如图12所示。

2 列车网络控制系统功能

2.1 列车配置

2.1.1 TTDP初运行

基于IEC 61375-2-5：2014标准的列车拓扑发现协议(TTDP)负责ETB初运行，期间所有ETB节点都要执行TTDP,通过其定义的TTDP HELLO 和TTDP TOPOLOGY两类数据帧进行数据包交换[1]。

TTDP HELLO数据帧根据链路层发现协议(LLDP)定义，周期性地通过静态配置的物理线路发现所有的ETB节点。TTDP TOPOLOGY是基于生成树协议IEEE 802.1D定义的多播帧，被周期性地发送到所有ETB节点的逻辑链路，用于检测ETB的其他节点编号，建立物理拓扑和逻辑拓扑。按照IEC 61375-2-3：2014标准使用CSTINFO帧在ETB节点之间交换编组信息。

2.1.2 TTDP初运行触发条件

当检测到以下条件之一时，开始TTDP初运行：(1)车辆上电；(2)车辆从中间车变为端车；(3)车辆从端车变为中间车。

2.1.3 离线编组检测

在正常情况下，TTDP初运行之后，当某一个或多个ETB节点离线或离线又恢复之后，列车网络可以根据ETB节点的离线和恢复情况采取相应的显示和控制策略。但在TTDP初运行之前，如果某一节点发生故障而无法参与TTDP初运行，那么列车网络将不能发现该节点。为了保证在上述工况下列车网络控制系统仍能够发现该节点，采用专用电路通过检测节点电压的方式进行节点检测。每个编组检测2个电压值U1和U2，针对离线编组在整列车中的位置给出3组数据，如表2所示。

表2 列车配置识别(TCR)电压值 V

如表2所示，在3个编组重联工况下，每个编组的U1和U2由列车控制单元负责采集，并通过ETB实现列车级共享。如果某一个编组的U1和U2不能被检测到，那么列车网络控制系统据此可以判断该编组已经离线。

2.1.4 时间同步

列车网络控制系统通过GPS提供的时间和日期来实现时间同步，或通过显示屏手动来实现时间的同步功能。当列车网络控制系统发送给子系统的时间同步标志位为“1”时，所有子系统使用列车网络控制系统提供的时钟来实现时间同步。具体步骤如下：

(1) 列车网络主控制单元通过GPS或手动设置自身的时钟；

(2) 列车网络主控制单元将调整后的时钟和时钟同步标志位一起发送给所有从控制单元；

(3) 所有从控制单元将时钟和时钟同步标志位通过SDR数据发送给所有子系统；

(4) 所有子系统根据收到的时钟和时钟同步标志位来同步自己的时钟。

列车网络控制系统和所有子系统使用同步后的时钟来作为故障和时间记录的时间戳。

2.1.5 HMI显示界面

HMI用来显示车辆状态、编组信息、故障诊断和时间同步等。整个显示屏界面分为3种类型：状态显示界面、帮助界面和维修界面。

状态显示界面如图13所示。状态显示界面主要显示时钟、车辆编组信息和当前故障信息，并且可以通过下方的按钮来显示广播、车门、制动和空调系统的温度信息。当选中某一个故障时，可点击“HELP SCREEN”按钮进入帮助界面来查询故障处理提示，通过点击“MAINTENANCE SCREEN”按钮进入维修界面。

图13 状态显示界面

帮助界面如图14所示。帮助界面显示详细的故障信息和所需要采取的措施(如隔离、切除或复位有问题的设备或系统等)，可帮助司乘人员快速地处理故障。

图14 帮助界面

维修界面如图15所示。点击状态栏下“MAINTENANCE SCREEN”按钮并输入密码可以进入维修界面。点击屏幕上的相应按钮可进入不同的界面以完成与维修和调试相关的各类任务，如状态查询、时钟设定及系统自检等。也可以通过点击“STATUS SCREEN”按钮返回到状态显示界面。

图15 维修界面

2.1.6 故障管理

2.1.6.1事件

列车网络控制系统和各子系统需要按照事先定义的故障模板来填写故障事件的相关信息，如故障事件的采样频率、采样周期、故障等级、故障属性和其他相关的描述性信息等。故障模板如图16所示。

图16 故障模板示意图

用户可以根据自己的需要对故障代码、故障等级和故障属性以及相关的故障描述进行修改，这可以使故障修改变得更加方便灵活。通过故障模板可以生成相应的事件描述文件(EDF)，使用便携式测试单元(PTU)上传至列车网络控制系统和各子系统，之后列车网络控制系统和各子系统将根据EDF文件里定义的相关故障信息进行故障显示和记录。当前故障通过过程数据传输，而故障记录则通过消息数据来传输。

使用PTU或HMI软件从列车网络控制系统和各子系统下载所记录的故障，可以进行相应的故障分析。

2.1.6.2Snapshot

当故障的属性“Snapshot”定义为“Y”,那么当该故障发生时需要记录相应的环境变量。例如故障发生前5 s和故障发生后5 s的网压、列车速度、牵引或制动工况等信息，并打包成一个Snapshot文件存储在子系统内，可以通过PTU来下载，所记录的环境变量可以用来帮助分析故障的成因。用户不需修改任何程序，只需通过使用故障模板中的信号列表(Signal list)来定义所需要记录的环境变量。修改之后生成信号描述文件(SDF)下载到子系统中。当故障发生时，子系统把SDF中定义的所有变量打包记录在本系统中。Snapshot和SDF通过消息数据来传输。

3 系统集成测试

为了验证列车网络控制系统和子系统能够正常通信和工作，搭建了系统集成测试试验台。硬件设备包括6个编组的所有列车网络控制系统实车设备和1个编组的所有子系统的实车控制单元，以实际电缆长度进行布线，并按照网络系统拓扑连接在一起，最大程度地模拟真实车辆状态，其他5个编组的子系统设备采用微机系统进行模拟。主要测试项点如下：

(1) ECN通信测试。检查网络系统和子系统的通信质量。

(2) SDR/SD传输测试。检查网络系统和子系统是否能够正常收发过程数据。

(3) 时间同步测试。检查子系统是否能够根据网络系统提供的校准指令和时间来同步自己的时钟。

(4) 安全自检测试。检查子系统是否可以根据网络系统发送的自检请求进行相应的自检，并将自检结果发送给网络系统。

(5) EDF上传测试。检查通过PTU软件是否可以将EDF文件上传至网络系统和子系统。

(6) 故障和Snapshot下载测试。检查通过PTU软件是否能够正确地从子系统和网络系统下载所需要的信息。

(7) 冗余功能测试。检查网络系统和子系统的各项冗余措施是否能够正常工作。

(8) 牵引/制动力分配、空压机启动顺序、轮径校准等控制功能测试是否正确。

(9) 显示屏功能测试。验证所有状态数据是否正确显示，显示屏发出的指令是否被相关系统所接收。

通过装车调试之前的系统集成测试工作，可以尽早地发现网络系统或子系统在硬件和软件方面存在的各种问题，大大节省了装车调试所需要的人力和时间。

4 结束语

本文通过网络拓扑、通信协议架构、冗余措施、功能描述及试验验证等几个方面对应用在美国地铁列车上的基于全以太网的列车网络控制系统项目进行了详细分析和阐述。以太网技术的实时性需要不断提高和完善，时间敏感型网络正处在研发阶段，相信不久的将来会得以应用，而传统的有线列车网络控制系统最终会被飞速发展的无线网络技术所取代。