以太列车骨干网在复兴号动车组中的应用

包殿英

摘 要：以太列车骨干网在进入日常工作之前已完成初始操作，从而将网络拓扑建立为动车设备可识别的唯一地址。分析了CR300AF动车组网络系统的以太列车骨干网，讨论了列车以太列车骨干网及其控制逻辑在复兴动车组中的应用，展示了复兴动车组智能和以太列车骨干网的应用优势。

关键词：以太列车骨干网;复兴号动车组;技术分析

中图分类号：U266 文献标识码：A

1 基于工业以太网的动车组列车网络技术分析

1.1 工业以太网应用于列车网络的优点

低廉的价格有利于降低列车网络系统的成本。以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术。许多制造商都生产以太网控制器，而且价格低廉。与Arcnet等现有列车网络相比，硬件价格要低得多。除此之外，易于与信息系统集成。

1.2 工业以太网在列车网络中应用的不足及解决方法

基于工业以太网的动车组列车网络技术，其空前的速度和安全性激发了各国铁路建设的新热情。 现在，世界上许多国家都采用了高速铁路。 作为一项重要的国家政策，交通运输的战略发展使高铁成为一个国家是否强大的标志，它也是促进国民经济发展的强大动力。

（1）国外列车网控系统的发展现状。目前，国外研究人员几乎模拟了世界上各种常见的列车网络协议，深入分析了网络性能，并在自己了解的基础上提出了改进方法。早在1994年，国外研究人员就成功地建立了CAN协议的通信模型，并首次采用了固定优先级理论。近年来，不同的学者在此模型的基础上改进了响应时间模型，修正了之前模型中的一些错误，并分析了网络在最坏情况下无法完成信息传递的概率。2003年，Kotzian和Srovnal在Matlab /Simulink中使用有限状态机（FSM）建立了CAN网络的模型，并将CAN网络的响应时间与CANoe网络的响应时间进行了比较。列车网络仿真技术在各大高速列车开发公司相继出现。以日本新干线为例，经过多次的网络仿真分析，促使他们将电弧网络应用到自己的高速列车设计中，因为电弧网络可以最大程度地匹配列车。

（2）国内列车网络仿真技术研究现状。虽然列车仿真技术的研究起步较晚，但我国从2005年开始逐步开展Ⅱ模型仿真平台的发展，使用O sunet ARCNET网络建模与仿真的综合统计数据反映了网络的性能参数，双重循環冗余和网络交换功能实现。与中国科学院软件研究所联合开发的基于iec613752-5协议Ⅲ汽车网络控制系统半实物仿真平台，完成了以太网列车骨干网络建模与仿真、训练以太网主干在列车网络的应用提供了理论支持。

2 以太网列车骨干网

（1）WLAN/GSM/GPS可以接收和发送数据。它可以发送实时信息、大容量信息和“心跳”数据。为以太网列车提供了一些参考。在国外的研究中，Tarek K. Regaat提出了一种交换以太网列车控制网络。该网络以两列火车为研究对象，每列火车包含两个专用开关，分别控制火车的控制数据和多媒体数据。 该网络提供DVD视频流和WiFi接入，并且研究了在不同负载下控制数据的不同时延。 火车融合网络宽带研究了多媒体传输的可靠性，并提出了一种动态VLAN以太网来装备火车。恢复时间为100.200 ms，具有较强的时延性。最后，国内外对列车网络的研究主要集中在OpenNet软件在列车网络中的应用上。在列车仿真和列车网络接口应用层面，对新的列车网络拓扑结构和新的列车骨干网的具体化研究较少。以太网列车骨干网是一种新的列车网络，用来替代TCN协议的骨干WTB网络。本文的意义在于进一步研究网络，为在火车上配置以太网火车骨干网提供参考。 无线CBTC是轨道交通信号系统的发展方向。 作为开放的技术标准，基于IEEE802.11的无线以太网技术和基于802.3的以太网技术已经成熟，先进且廉价，并且已经成功地应用于自动列车控制系统中。分析表明，基于802.11的无线以太网的性能可以满足城市轨道交通信号系统的应用和开发需求，具有广阔的应用前景。 作者的创新点：分析了基于开放标准（IEEE802.1）的无线以太网在城市轨道交通信号系统中的可用性，并提出了一种基于无线以太网的CBTC无线网络车对地通信容错方案。

（2）动车网络系统是动车的核心组件之一。其功能单元包括控制系统，车辆控制系统通信网络和信息交换。车列控制单元是一种具有诊断功能和控制功能的车列控制装置。系统随机选择一个作为主控制装置，另一个作为备用控制装置。备用设备不断地检查主设备的状态。当主要设备发生故障时，备用设备将取代主要设备，并执行列车中央控制单元的功能，以确保整个列车的正常运行。

（3）I/O单元。通过配置合适的数字输入输出模块和模拟输入输出模块，并安装在信号采集场合，完成信息采集和输出。

3 以太网列车骨干网体系结构

以太网是目前广泛应用于局域网的一种通信网络。以太网局域网中的所有计算机都连接到一条同轴电缆上，该电缆采用碰撞检测载波传感多路接入、以及一个多端口集线器、网桥或交换机。采用现代工业以太网代替传统的TCN网络组成列车网和车网定义了服务质量、数据结构和网络通信冗余的定义。列车通信网络最终由列车以太网骨干网连接，其稳定性和安全性直接决定列车能否正常运行。

（1）复兴号动车组网络拓扑结构。EMU的初始运行。EMU初始运行时，需要为每个组件节点（子网号）和每个以太网列车骨干节点配置一个识别号。T物理拓扑总是随着连接到以太网骨干的节点数量的变化而更新。EMU的初始操作过程遵循如下规则：1）在以最低UUID编组的过程中，ETBN的终端节点称为ETBN的顶部节点。2）与train应用程序声明并协商拓扑。没有应用程序的确认，不能添加任何行为。3）只能发送一个HELLO消息（IEEE802.3管理帧）（使用管理MAC地址）来找到期望的重连接。拓扑的稳定性基于CRC （cyclic redundancy check）计算。当所有crc（本地的和从其他etbn接收的）是一致的，所有etbn共享相同的拓扑。

（2）发现etbn成员。

（3）发现内部成员：这个框架称为TTDPTopology框架。在ETB的两个方向上，都使用链路聚合组发送TTDPTOPOLOGY帧。

（4）外部部件检测：例如，当列车重新连接/ETB扩展时，定期交换帧将检测新的外部ETB成员。这个消息被称为TTDPHELLO帧。当train应用程序允许新ETB最初运行时，新成员被添加到ETB拓扑中。帧非常小，它们将配置在更高的传输频率。

（5） ETB共享：ETB线路状态由TTDPTopology帧发送，并被所有ETB共享。每个ETBN根据从其端口接收到的TTDPHELLO帧计算其行状态。

4 结语

对CR300AF型动车组网络系统中的以太列车骨干网进行研究， 重点论述列车骨干网及其控制逻辑在复兴号动车组上的应用， 从而展示复兴车组的智能化和以太车骨干网的应用优势。

参考文献：

[1]樊高.基于OPNET的以太列车骨干网性能仿真及分析[J].自动化信息，2013（04）：44-45.

[2]丁超义，苗剑，贺德强，等.基于OPNET的列车工业以太网仿真研究[J].广西大学学报（自然科学版），2010，32（02）：269-272.