薛树坤

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 山东 青岛 266011)

0 引言

目前，列车网络控制系统主要采用绞线式列车总线/多功能车辆总线(WTB/MVB)通信网络，进行列车控制数据的传输。由于带宽限制，无法及时传输列车信息服务数据以及列车状态、诊断、维护等信息，无法满足列车控制与信息服务一体化的业务需求，影响列车的可维护性和可用性。

工业以太网具有大带宽、高实时性、高可靠性等优点，使其成为列车网络控制系统的发展方向。基于工业以太网的新型列车网络控制系统,实现列车控制网络与信息服务网络的有机融合，确保满足列车控制系统的功能、性能以及安全需求，可更好地支持后续智能化业务发展。在基于工业以太网的列车网络控制系统中，以太网列车骨干网节点(ETBN)能够替代WTB/MVB网络网关，快速地建立起一个可靠的列车通信网络，是下一代列车网络的研究重点。当前，国内外公司均在开发遵循IEC 61375标准的ETBN。因IEC 61375-2-5标准和IEC 61375-2-3标准在近年完成制订，故各厂家开发的ETBN尚未大规模应用于以太网控车。国外的公司中，Unicontrol公司推出了基于IEC 61375标准的ETBN设备；国内的铁科院和中国中车均已完成ETBN的研制[1]。目前，ETBN已在时速250 km 的CR300复兴号动车组项目中装车应用。

1 ETBN功能简介

1.1 以太网列车骨干网初运行

以太网列车骨干网(ETB)网络初运行生成列车网络索引，完成以太网动态配置，并根据相应列车级以太网拓扑变化，给每个ETBN分配列车级以太网地址，建立ETB数据通信。

在以太网网络初始化的过程中，所有接入ETB的ETBN设备，通过列车拓扑发现协议(TTDP)报文确定在整个列车以太网中接入的编组网数量及子网数量，以此形成列车级IP映射、列车路由配置、网络地址转换规则和终端命名等信息；通过列车实时数据通信协议(TRDP)在ETBN间交互编组信息；控制端通过TRDP协议控制以太网初始化过程。

ETB初运行主要通过TTDP来实现。在初始化阶段进行ETBN的初始化配置、链路聚合、禁止路由、启动TTDP协议等。进入未初运行阶段，开始进行HELLO帧和拓扑帧的收发，并建立物理拓扑和逻辑拓扑，同时管理链路状态。当ETB拓扑计数器有效或者节点恢复，进入到准备初运行阶段，否则继续处于未初运行阶段处理报文。在准备初运行阶段，通告列车应用，继续建立物理拓扑和逻辑拓扑，如果没有禁止初运行，则进入到已初运行状态，设置ETB拓扑计数器，设置IP映射和服务，启动路由功能，启动TCN初运行并通告列车应用。在此状态下，如果发生了新的初运行，会导致ETB拓扑计数器无效，则进入到未初运行状态，并且禁止路由、停止IP映射和服务、通告列车应用[2]。

1.2 应用初始化

ETB网络初运行完成后， ETB控制服务提供者(ECSP)进行应用初始化。 应用初始化基于以太网网络初始化的结果， 收集编组信息， 进行列车索引和列车操作索引计算， 并将计算结果存入列车拓扑数据库。 ECSP识别主控操作指令， 进行以太网应用初始化。 应用初始化包括节点排序、 方向识别、 主控车识别等， 应用初始化完成后建立列车拓扑数据库。

列车拓扑数据库(TTDB)由编组信息、列车网络索引、列车操作索引、列车索引组成，如图1所示，存放了与实际列车组成和实际ETB状态相关的所有信息。编组信息包括每个编组的详细描述，ETB初运行之后在编组信息(CSTINFO)报文中发送，包括编组提供的功能列表和列车通信网络-域名服务器(TCN-DNS)，以及为实现列车通信网络-统一资源标识符(TCN-URI)地址解析所需的所有编组信息。列车网络索引是ETB列车初运行结果，包括网络拓扑描述，ETB拓扑计数器(etbTopoCnt)是列车网络索引的唯一标识。列车索引包括在ETB上已发现的所有编组的有序列表。列车操作索引在列车索引的基础上，增加了主控车和校正信息。当列车索引发生改变，或用户请求设置/取消主控车时，列车操作索引会重新计算。ETB完成初运行后，ECSP收集ETB列车网络索引，编组信息及主控、校正等信息，通过列车索引计算、列车操作索引计算等操作初运行过程后得到列车拓扑数据库，并提供ETB控制服务[3]。

图1 列车拓扑数据库组成

1.3 智能寻址

列车以太网经初始化后，形成列车级网络地址分配。进行跨ETBN通信时，终端需要通过地址解析服务DNS完成IP地址的获取，然后进行通信，即智能寻址功能。域名服务(DNS)接口定义了终端与DNS之间的交互方式，由终端发送DNS请求，DNS服务器返回的DNS应答反馈IP地址，终端设备用反馈的列车级IP地址进行通信。

ETBN的列车通信网络-域名服务器(TCN-DNS)进程可以将符合标准的TCN-URI解析为相应的IP地址。如果没有TTDB，在查询过程如示例a所示。TTDB查询过程如示例b所示。

例如：客户端输入了“grpHMI.veh02.lCst”的URI进行DNS查询，DNS服务器收到请求进行解析，是本地编组的2车的所有显示屏的IP，DNS服务器将编组信息、车厢号等作为TTDB请求发送给ECSP，ECSP查询TTDB得到子网号、设备号等信息，并根据IEC 61375-2-5标准计算IP地址返回给DNS服务器。最后，DNS服务器将此IP作为应答发送给客户端。

图2 DNS工作流程(a例无TTDB查询，b例有TTDB查询)

2 CR300复兴号网络控制系统

时速250 km CR300复兴号动车组是国内首个采用以太网控车技术的具有重联功能的动车组项目。该项目的网络控制系统基于IEC 61375-2-3、IEC 61375-2-5、IEC 61375-3-4等标准，采用以太网列车通信技术，网络分为列车控制级、车辆控制级网络结构。列车网络控制设备主要包括列车级以太网节点、车辆级以太网交换机、中央控制单元、以太网中继器、人机接口显示屏等。

在该动车组项目中，列车级网络为双线性结构拓扑，使用物理链路如以太网线缆和连接器，沿着列车将ETBN、中继器等网络设备连接起来。ETBN采用冗余配置，这种网络拓扑结构适合采用TTDP协议实现ETB网络初运行，车辆级网络则可以采用线形、环形等拓扑。ETB初运行发生于列车初上电、列车重联或者解编以及中间位置非冗余节点丢失等情况下。

3 ETBN应用结果

在CR300复兴号动车组以太网网络拓扑中，列车网络由两个编组组成。其中，ETBN1和ETBN2为同一编组的互为冗余ETBN，ETBN3和ETBN4为另一编组的互为冗余ETBN。ETB初运行完成后，在ETBN的网页查询界面获得的初运行结果如图3所示。显示初运行完成后有两个编组，同时显示了IP信息、主从信息及所有节点的状态、方向等信息。

图3 ETB初运行结果

ETB初运行完成后，进行ECSP的控制服务初始化。ETB控制服务客户端(ECSC)设置1车为主控车。在1车ETBN查看操作列车信息，显示当前状态为islead，操作车辆节点从1车顺序开始排序。

将计算机接入ETBN1，通过ping命令输入URI地址，ETBN的TCN-DNS服务器将URI解析为正确的IP地址，解析分为本地URI解析和跨编组URI解析。

4 结束语

ETBN是实现以太网控车的关键网络设备，具有自动重联、智能寻址、跨编组数据转发等功能。目前，该ETBN已经在时速250 kmCR300复兴号动车组等项目中装车应用，应用反馈效果良好。