列车信息服务网络交换设备的研究与开发

刘旗扬

（广西大学科技处，广西南宁530004）

绿色装备技术

列车信息服务网络交换设备的研究与开发

刘旗扬

（广西大学科技处，广西南宁530004）

针对轨道交通车辆具有强电磁干扰、强震动、温差大等恶劣的运行环境，设计了列车信息服务网络交换设备，具有通信速率高、容量大、延时低、全双工通信、支持QoS和VPN、可靠性高等优点，为以太网通信技术在轨道交通列车通信网络中的应用提供了参考。

列车；信息服务网络；以太网；交换设备

轨道交通列车的发展核心是互联和智能化，通过车载和车地智能设备的相互连接，实现车载智能子系统、智能车厢、再到智能列车，从而把车载设备和子系统、乘务员、乘客、设备和整车供应商、机务段、铁路局、中国铁路总公司信息中心紧密地连接在一起。现有轨道交通列车车载机械、电气和辅助设备众多，车内安装有大量的分布式传感器和智能节点，节点之间的耦合关系也越来越复杂，以及各种安全检测和信息服务系统对列车网络系统性能要求的提高，这些都需要列车通信网络具有高的带宽、较高的实时性和可靠性、较好的可维护性和扩展性、良好的互操作性等，并且需要具有分布式任务处理和数据融合功能[1，2]。因此研发适应大容量数据传输的列车信息服务网络成为其发展方向。

列车车载环境恶劣，车辆之间经常需要解编和重联，常用的民用以太网，在可靠性、实时性和稳定性等方面与列车通信网络需求并不相适应；同时机车车辆环境的复杂性，也要求在现有以太网的基础上进一步改进。加拿大庞巴迪于2011年在德国和荷兰的区域型列车上配备了列车以太网设备，列车上同时存在车载环型以太网和TCN系统，这是国际上第一次列车以太网的商业化应用。日本日立公司提出了基于以太网的B-System的构架，B-System网络可以传输控制信息、诊断信息、视频监控、旅客信息，并实现车地无缝连接，实现列车与列车控制、维修基地大量数据交换。德国西门子正在研究把工业以太网PROFINET作为列车通信网。法国阿尔斯通正在研究列车级和编组级以太网，并已开始与法国铁路运营商SNCF合作在全部TGV高速铁路列车内测试车载以太网性能[3-5]。

交换设备是列车信息服务网络的关键设备，普通交换机难以在现代化列车强电磁干扰、强震动、温差大等恶劣的运行环境下正常工作。针对以上现状，本文开发了一种列车车载信息服务网络交换设备。

1 列车信息服务网络交换设备的设计要求

针对列车恶劣的运行环境，以及列车安全运行对网络的通信质量、安全性、可靠性的苛刻要求，车载列车信息服务网络交换设备有以下几方面的要求。

1.1 电磁干扰

列车信息服务网络交换设备通常和车载控制监测设备一起固定安装在机箱内部，处在极为复杂而恶劣的电磁环境中。当遭受电磁干扰时，交换设备可能会发生通信数据延时增加、丢包率提高、网络堵塞，严重时发生自动重启、死机等现象，将会严重影响列车信息服务网络的安全性与可靠性。所以在电磁干扰方面要求，既防止外界信号对交换设备造成干扰，又要避免交换设备产生的电磁辐射影响周围设备的正常工作。

1.2 冗余电源设计

为了增加交换设备的可靠性，交换设备需采用冗余外置直流电源供电，可以在较宽范围的电压下正常工作。当其中一个电源出现故障时，备用电源会立即投入工作，同时主板的蜂鸣器会发出报警提醒。在更换新的电源后，两个电源继续协同工作。

1.3 加固网络接口

交换设备之间、交换设备与接入设备之间的连接采用IEC 62076-2-101标准规定的D型连接器，如Phoenix公司的D型编码4针M12接口，与传统的RJ45网络接口相比，M12接口具有IP67防护等级以及机械卡锁结构，可以在列车长期震动的环境下保证接口的稳固连接。

1.4 结构设计

交换设备与列车监控设备的布置主要有两种形式：（1）与列车控制监测设备一起安装在同一个机箱内部，如采用DIN（德国工业标准）导轨安装；（2）独立使用，通过螺丝固定在面板上。两种使用方式的外观界面如图1、图2所示。

图1 插入机箱内部的外观简图

图2 独立使用的外观简图

2 硬件设计

列车信息服务网络交换设备采用MICREL公司的KSZ8999I工业级以太网交换芯片作为核心芯片，协调控制与其连接的各个模块的工作。系统框图如图3所示。

图3 交换设备硬件系统框图

KSZ8999I是一款高性能的二层可管理QoS交换芯片，包括三个不同的QoS优先级方案、双MII接口、软件与硬件省电模式、MDC/MDIO自动翻转等功能，完全满足列车信息服务网络的需求。KSZ8999I包含9个采用混合信号低功率技术的10/100收发器、8个MAC介质访问控制单元、1个高速无阻塞交换结构、1个专用地址查询引擎和1个片上缓冲存储器。PHY单元均支持10Base-T和100BaseTX.

电源模块选择通用的直流110V供电，隔离电源模块采用星原丰泰DC110V输入DC-DC转换模块TL10/110S12，输入电压范围为72-144VDC；由MICREL公司的低压差线性电源芯片MIC39100-3.3BS和MIC39150-1.8BT，以及整流二极管1N4004和相关外围电路，分别为整个交换设备提供+3.3 V、+1.8 V、+2.5 V电源，其中两片MIC39100组成双冗余电路。

网络变压器分别采用Pulse H1164和Pulse H1102连接交换设备Port1～Port8和Port9以太网接口。网络变压器有两个功能：可以增加信号强度，增加传输距离。由于芯片与外部被网络变压器隔开，抗干扰能力大大提升，对芯片起到了很好的保护作用。

EEPROM是一个2 K位串行CMOS，内部含一个16字节页写缓冲器，具有写保护功能。EEPROM用于存储交换机的配置信息，如虚拟局域网、端口速率限制、端口的优先级选项等等[2]。在交换设备上电或复位时检测到EEPROM后，从中读取配置数据，实现对交换设备的管理和配置。

列车信息服务网络交换设备的机构结构采用如图2所示的独立外观；对外网络接口采用Phoenix公司的D型编码M12接口。

3 软件设计

列车信息服务网络交换设备软件设计主要是对核心交换芯片KSZ8999I内部的寄存器进行配置，实现虚拟局域网划分、端口速率限制、QoS等功能。根据设计要求，本方案交换机的软件设计主要分以下两部分。

3.1 IIC总线配置程序

交换芯片KSZ8999I通过读取EEPROM，可以执行更高级的功能，例如广播风暴抑制和速率控制等功能。上电或者复位后，交换芯片从EEPROM中读取所有寄存器配置信息，配置访问时间小于15 ms.通过调用IIC总线配置程序将配置信息写入EEPROM，或者读取EEPROM的配置信息来了解交换设备的工作状态。

3.2 SPI总线配置程序

SPI（Serial Peripheral Interface-串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使交换芯片与各种外围设备以串行方式进行通信来交换信息。可以使用该串行总线连接交换设备和外部控制计算机，通过交换设备的SPI总线配置程序访问交换设备，来配置其参数。此外可以通过该总线来读写EEPROM中的信息。

4 不同网络拓扑结构下的性能仿真

借助OPNET网络仿真软件，以通用动车组（编组方式是4节动车配4节拖车）构建列车信息服务网络模型，研究交换设备在总线型网络拓扑结构和环型网络拓扑结构下，网络的延迟、链路负载、链路吞吐量的对比情况。

4.1 基于OPNET的列车信息服务网络建模

一般动车的编组方式是4节动车配4节拖车，每节车厢设置一台交换设备。列车信息服务网络模型由8台交换设备组成。如图4所示，总线型网络拓扑结构是将相邻车厢的交换设备首尾相连；如图5所示，环型网络拓扑结构是将间隔车厢上的交换设备相连组成一个封闭环网。

图4 总线型网络拓扑结构

图5 环型网络拓扑结构

4.2 不同网络拓扑结构下的网络性能比较

对应于总线型网络拓扑结构和环型网络拓扑结构，分别设置bus和ring两个网络场景。这两个网络场景的带宽均为100 Mbps.添加一个Ftp应用业务模拟随机性信息的传输，再添加一个Video Conferencing应用业务模拟车载监测信息传输[6]。这两种不同网络拓扑结构下以太网延时、链路负载和链路吞吐量仿真结果如图6、图7和图8所示。

图6 以太网延迟对比

图7 链路负载对比

图8 链路吞吐量对比

4.3 仿真结果分析

从图6中可以看出，当网络稳定后，总线型网络的网络延迟高于环型网络，图7中显示两种网络拓扑结构的链路负载基本相同，环型网络略高于总线型网络，而从图8中可以看出环型网络的链路吞吐量要高于总线型网络。各项指标都表示环型网络要优于总线型网络，这是由于环型网络中的每一台交换设备都有两条路径选择，这样的冗余设计提高了网络的通信质量和可靠性。

5 结束语

针对列车特殊的工作环境（强电磁干扰、强震动、温差大等），设计了列车信息服务网络交换设备，该设备支持IEEE 802.3u快速以太网协议，适用于轨道交通列车通信系统、车载视频监控系统、乘客信息系统、大容量状态监测与故障诊断系统等智能列车信息服务系统。

[1]李蔚，陈特放，陈春阳，等.列车电气系统分布式多传感器异常检测理论研究[J].铁道学报，2010，32（5）：70-76.

[2]李蔚，陈特放.基于通信网络机车分布式系统实时控制的分析与研究[J].计算机测量与控制，2011，19（10）：2444 -2447，2477.

[3]Rodriguez MC，Alexandres S，Munoz JD.Broadband system to increase bitrate in train communication networks[J].Com puter Standards&Interfaces，2009，31（2）：261-271.

[4]Stijn V，Femke O，Leanneke L，etc..Efficient data integra tion in the railway domain through an ontology based method ology[J].Transportation Research Part C：Emerging Technolo gies，2010，18（11）：1-27.

[5]Lee Chengwei，Chen Mengchang，Sun Yeali S..A novel network mobility management scheme supporting seamless han dover for high-speed trains[J].Computer Communications，2014，37（1）：53-63.

[6]张军，贺德强，苗剑.基于以太网的列车通信网络及交换机开发[J].铁道学报，2014，22（6）：1890-1895.

Research and Development of Train Information Service Network Switch

LIU Qi-yang
（Department of Science and Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China）

As rail transit vehicles with strong electromagnetic interference，strong vibration，temperature difference，such as bad operation environment，the train information service network switch is designed，which has the characteristics of high communication rate，large capacity，low latency，full-duplex communication，supportingthe QoS and VPNprotocol，and high reliability.It provides reference for the Ethernet technology using as train communication network.

train；information service network；ethernet；switch

TP391；U266

：A

：1672-545X（2017）01-0143-04

2016-10-03

广西科技攻关项目（桂科攻1598009-6）；南宁市科技攻关项目（20151021）

刘旗扬（1974-），女，广西宁乡人，硕士，助理研究员，研究方向：轨道交通信息化与智能化。