基于工业以太网的动车组列车网络技术研究

王沛东，孔 元

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

列车网络控制系统是动车组的核心组成部分，如同动车组的大脑和神经，负责对动车组牵引、制动、辅助供电、车门、空调等系统的控制、监视和诊断。传统的列车通信网络技术包括 TCN、Arcnet、World FIP、Lon-Works、CAN等，可以基本上满足列车上各种设备的监控需要，但这些总线的传输速率较低，当传输内容增多时，带宽将成为瓶颈［1］；而且组网拓扑结构单一。随着列车网络应用的不断扩展，例如视频监控和车厢级多媒体等业务的应用，以及诊断数据的不断增多，使得列车网络上需要传输的信息越来越多，传统列车网络已经不能支持如此大容量的数据传输要求。

工业以太网提供了针对控制网络数据传输的以太网标准，具有很高的通信速率，而且组网灵活方便。随着以太网技术的不断发展和完善，阻碍其用于工业控制现场的固有缺陷如通信实时性、总线供电等都已得到了很大程度的改善。以太网用于工业现场已成为控制网络的发展趋势，也是列车网络控制技术未来的发展方向。因此本文针对基于工业以太网的动车组列车网络技术进行了研究。

1 工业以太网技术介绍

以太网是当今局域网采用的最通用的通信协议标准，遵循IEEE 802.3标准，可以在光纤或者双绞线上传输。工业以太网技术是商用以太网技术在工业控制领域延伸的产物［2］，其在技术上与商用以太网兼容，但材质的选用、产品的强度和抗干扰性方面更能满足工业现场的需要。

以太网是标准的开放式网络，任何厂商都可以参与。不同厂家的产品很容易互联互通。以太网控制器生产厂家众多，价格便宜，使用广泛，有丰富的软硬件资源可供开发人员和用户利用和参考。以太网接口开放，容易与信息网络集成。

目前在工业控制领域，现场总线存在多种标准，不同网络之间通信困难，难以互相兼容。而以以太网为代表的网络通信技术却以其协议开放、兼容性、稳定性和可靠性好而获得了广泛的技术支持，得到了迅速发展，逐渐成为工业控制网络发展的主流技术。国际上各种现场总线组织纷纷加入到以太网的研究行列中来，将以太网技术补充到原有的现场控制体系中，推出了结合以太网的现场总线高速部分，例如现场总线基金会的HSE（High Speed Ethernet）；PI（Profibus International）的ProfiNet；CI（ControlNet International）的Ether Net／IP；P-NET用户组织的P-NET-on-Ethernet等。以太网在工业控制领域已得到规模型应用。

与现场总线相比，以太网因其所具有的价格低廉，通信速率高，应用广泛等优点，不仅垄断了办公自动化领域的网络通信，而且在工业控制领域的信息管理层和控制层等中上层网络通信中也得到了广泛应用。并有直接向下延伸应用于工业现场设备层通信的趋势。随着基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适度支持等新的用户需求的提出，以太网不仅可以成为列车网络中的高层信息网络，也极有可能上下贯通直接与下层车载控制设备相连，从而形成车辆控制与信息服务相结合的新型列车网络控制系统，实现控制网络与信息网络的有机融合。

2 基于工业以太网的动车组列车网络技术分析

2.1 工业以太网应用于列车网络的优势分析

与传统列车网络系统相比，以太网用于列车网络主要具有以下优势：

（1）数据传输速率高。以太网传输速率已经从10 Mb／s提高到现在的 100Mb／s、l 000Mb／s甚至 10 Gb／s，完全能够满足列车网络系统中大容量高速数据传输的需要。

（2）组网方便灵活。以太网支持多种物理传输介质和拓扑结构，组网灵活，管理简单。

（3）应用广泛。便于和其他设备进行接口，很容易在列车网络中扩展其他具有以太网接口的设备。

（4）价格低廉，有利于降低列车网络系统成本。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，以太网控制器生产厂家众多，价格便宜。相对于目前ARCNET等列车网络，硬件价格相对低廉得多。

（5）集成度高，占用空间小。随着以太网技术的不断发展和成熟，集成度日益提高，有利于列车网络系统中智能控制单元体积的减小和结构的精简。

（6）容易与信息系统集成。采用以太网，能够非常方便地接入信息系统，实现信息的共享，方便地面工作站通过以太网下载数据，获取列车运行过程中的实时信息。

基于工业以太网的迅速发展和诸多优势，国际电工委员会IEC也开始着手推出支持以太网的列车通信网络标准，旨在推动以太网技术在列车网络控制领域的全面应用，其中包括用于车辆总线——以太网的IEC 61375-3-4，和用于列车总线——以太网的IEC 61375-2-5。

2.2 工业以太网应用于列车网络的不足及相应解决方法

以太网具有比传统列车网络高得多的传输速率，但并不是真正的实时网络。这是因为标准的以太网协议是以 CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection，载波多路访问／冲突检测）技术为基础，如果两个节点同时试图发送数据，就会产生冲突。在这种情况下，访问机制首先确保节点停止传输数据，而后根据预定义的随机选择算法，节点再次尝试发送数据。这个过程一直重复直至冲突消失。上述机制保证了数据的安全发送，可是不能保证数据传输的实时性和确定性［3］。要想使以太网技术在不改变其现有标准的前提下更好地应用到列车网络控制系统，需要采用合适的策略加以解决。

针对以太网实时性和确定性的问题，主要有以下几种解决方案：

（1）提高网络传输速率：实际应用经验表明，对于共享式以太网，网络负载在30%以下时，高速以太网发生冲突碰撞的可能性极小，负载在10%以下时，以太网碰撞概率几乎为零［4］。数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负载的减轻，从而可以在一定程度上减小冲突发生的概率，提高网络的实时性和确定性。

（2）采用交换式以太网：采用交换式以太网技术，隔离各端口之间的信息流，使原来的共享式带宽变为独占式带宽，从而使工业以太网的实时性和确定性得到很大提高。

（3）修改媒体访问控制协议：位于以太网数据链路层的CSMA／CD协议是导致以太网通信不确定性的根本原因，因此修改以太网MAC层协议是改变以太网不确定性最直接的方法。典型代表有RT-CSMA／CD协议、CSMA／DCR协议等。

（4）增加实时通信控制层：在保留标准以太网接口的基础上，在MAC层上增加一个用于实施确定性调度的控制层。

2.3 工业以太网在动车组列车网络控制系统中的应用方案

工业以太网在动车组列车网络控制系统中的应用主要有以下两种方案：

（1）工业以太网与现有列车网络相结合。保持现有列车网络结构和主要功能不变，对于数据量较大、传输速率要求较高的任务，采用工业以太网设备。以太网与列车总线通过通信网关进行接口。目前已经有相应的网关用于以太网和传统列车网络之间的通信。例如意大利Far Systems公司推出的WTB-Ethernet转换网关RACSNET-WCN，可以将以太网连接到TCN列车通信网络的WTB总线上。其典型网络结构如图1所示。

图1 工业以太网与现有列车网络相结合的典型结构

（2）以工业以太网为主构成列车网络。整个列车网络全部采用工业以太网，以全双工交换式以太网作为整列车信息传输的通道，以解决以太网实时性的问题。国际电工委员会IEC着手推出的车辆总线——以太网标准IEC 61375-3-4和列车总线——以太网标准IEC 61375-2-5，即是为了推动以太网技术在列车网络控制领域的全面应用。在网络结构设计时，可以在每个车厢内设置一个交换机（见图2），将整个以太网列车网络划分为多个冲突域，以便使各个以太网节点获得更高的带宽。下面的仿真分析部分针对此种方案进行了建模仿真。

图2 以工业以太网为主的典型网络结构

3 仿真分析

采用网络仿真工具OPNET Modeler对以太网在列车通信网络中的应用进行了仿真验证。OPNET Modeler是一个网络仿真技术软件包，它能够准确的分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察、或者输出到第三方的软件包去。其产品结构有三个模块组成，能为用户提供一系列的仿真模型库，在电信、军事、航天航空、系统集成、咨询服务、大学、行政机关等方面得到了广泛应用。

图3 基于以太网的列车网络模型图

针对8辆编组的动车组进行基于工业以太网的列车网络仿真，每节车厢长度设为25m。其中每节车厢各设置一个16口的以太网交换机，以便将整个列车网络划分为8个冲突域。每个车厢内有8个以太网终端节点连接到交换机，设置数据库访问应用对业务流量进行模拟，在第3节车厢放置一个服务器对网络负载进行观察和分析。各节点与交换机、交换机与交换机之间的链路采用100BaseT全双工链路，整个网络模型如图3所示。

图4 基于以太网的列车网络负载

图5 基于以太网的列车网络延时

基于此模型，将仿真持续时间设为0.5h，进行仿真。图4为整个网络的负载图。可以看出当网络稳定后网络负载在2.5Mb／s左右，相对于100Mb／s的带宽，负载远低于10%，能够保证网络的实时性和确定性。

图5为仿真得出的网络延时，可以看出收敛后的延时平均值在1ms左右，具有较低的时延，传输性能良好，能够满足列车网络数据通信的要求。

4 结束语

对工业以太网在动车组列车网络中的应用进行了研究，对工业以太网应用于列车网络的优势进行了分析，并分析了工业以太网应用于列车网络的不足及相应的解决方案。提出了工业以太网在动车组列车网络控制系统中的应用方案，并利用网络仿真工具OPNET进行了建模和仿真分析，验证了工业以太网应用于列车网络的可行性。

随着工业以太网技术的日趋成熟，应用领域不断扩展，将吸引越来越多的生产厂商致力于开发符合铁路应用标准的高可靠性、高扩展性及高智能以太网系列产品和控制器，从而推动工业以太网技术在列车网络控制领域的全面应用。

［1］陈明可.以太网在城轨车辆上的应用前景［J］.铁道机车车辆，2010，30（04）：62-64.

［2］黄 轶，胡鹏飞.工业以太网在列车网络中的应用设计［J］.铁道运营技术，2011，17（1）：40-45.

［3］康葆荣.工业以太网实时性问题及解决方案［J］.电脑开发与应用，2006，19（7）：38-40.

［4］Erik V，Stefan R，Ulrich R.Measurements in switched Ethernet networks used for automation systems［A］.WPCS-2000［C］.Portugal：2000IEEE：231-238.