基于绞线式列车总线-以太网网关的网络通信冗余的应用

刘巍 潘宇波 邵忠俊

【摘要】    WTB总线是目前轨道交通行业使用较为普遍的现场总线协议，WTB-ETH网关设备作为机车互联互通的关键设备，每台机车上均需要两台互为热备的WTB-ETH网关设备，该设备主要是进行机车间控制、操作、实时状态信息的传输，考虑到机车互联互通的安全性、可靠性，需要将每台机车上互为热备的两台WTB-ETH网关设备设计成互为冗余的状态，因此本论文设计了一种设备网络通信冗余的方法，重点阐述了该方法的网络通信冗余的机制。应用结果表明，设计能够充分的满足轨道领域的各项功能指标的技术要求。

【关键词】    WTB    冗余    热备    网络通信

目前国内的轨道交通领域使用的高速铁路列车现象总线普遍使用WTB、MVB总线，WTB总线为绞线是列车总线每秒最大传输速率为1Mbps，可以实现机车间过程数据和消息数据的传输，其最大的特点就是具备列车初运行功能，满足列车随机动态编组的需求;而MVB总线为多功能车辆总线，每秒最大传输速率为1.5Mbps，被用来作为车辆内互联设备之间的串行数据通信，对于目前的机车网络系统的需求，WTB、MVB总线能够满足当前需求;

一、机车微机网络系统基础

针对当前的国内轨道交通市场，由于其特殊性对机车上使用的设备有着不同的需求，与国际市场上的机车存在着区别，但是对于国内的轨道交通领域的机车使用的用于通信的现场总线均是采用的国际标准，在机车通信网络中普遍使用WTB总线、MVB总线、CAN总线、RS485总线以及以太网等，对于本设备使用WTB总线以及以太网，WTB总线做为列车级通信总线，其主要实现过程数据和消息数据的传输，其最大特点是具有列车初运行功能（列车初运行功能即当列车车辆的组成发生变化后，可以自动地对各车辆进行重新编组，最后形成新的车辆拓扑结构，在这个过程中的操作均为自动，不需要人为的介入），WTB总线使用周期性的传输过程数据，其传输数据的基本周期为25ms的整数倍，一次传输数据的最大长度为128字节，其中总线上的过程数据采用广播的方式进行传输，在编组中的每个节点除了能收到本节点的过程数据还能收到其他节点的过程数据，因此就能更全面的将编组中其它车辆的信息展示在本车显示屏，而WTB总线传输的消息数据就采用的是非周期的传输方式，一般为触发性传输，微机系统拓扑见图2;以太网部分遵循国际标准化组织（ISO）在1979年建立一个分委员会专门研究一种用于开放系统互联的体系结构，一个系统可以和位于全球任何地方的且也遵循OSI标准的系统进行连接。国际标准中的OSI模型从底到上分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层及应用层，在TCP/IP模型中则分为四层，分别包括网络访问层、互联网层、传输层、应用层，其中传输层和互联网层与OSI模型的传输层与网络层一一对应，具体模型对比见图1。

在TCP/IP协议栈中出栈数据均进行封装和标识，从而传递给下一层，当接收方接收到封装的数据后检查标识并去掉各层协议的封装获取传输的数据。

二、IEC 61375-1-2007协议

在IEC 61375-1-2007协议中，介绍了当前列车主要使用的绞线式列车总线在列车间的相互连挂与解连的应用，其中编组连挂与解连涉及到设备间的主权分配与节点命名（初运行机制），每一个节点设备都是一个独立的个体，在进行连挂的过程中节点之前通过向两个方向发送检测请求及应答帧判断两个方向是否有待加入的节点，通过检测应答帧进行节点确认，而后对各个已识别的节点设备按照一定的逻辑进行编组命名，反之亦然，通过该方式完成编组的连挂与解连，在协议中具体规定了通过初运行机制发送的各类帧，帧长度，以及帧的定义与频率，在整个编组中中间设备出现故障时将不会影响当前编组，当末端节点设备出现故障时将导致再次初运行，从而形成新的编组，该重新编组的过程持续不到10s，通过协议中规定的机制进行节点设备冗余机制的实现。

三、当前网关冗余设备的实现机制

对于轨道交通领域的特殊性，设备的可靠性是该行业的重中之重，而对于已经过该领域要求测试的设备也不可避免的会出现故障，特别是为了保证重要数据的实时传输，完成实时数据的无缝节切换，因此设备冗余能够更好的完成列车对可靠性的要求，在列车间通信中，WTB-ETH网关占据重要角色，他主要担负两车之间重要数据的传输，因此其可靠性至关重要，在此对于可靠性的需求我们将WTB-ETH网关设备中实现冗余处理，具体实现方法：每台列车上安装两台互为冗余的WTB-ETH网关设备，其设备IP分别设备为192.168.1.4与192.168.1.5，同一节车的两个设备均连接在车载交换机上，并且均以广播的通信方式与TCU进行以太网通信，在网关程序内部使用单播通信仅发送WTB初运行后分配的节点索引以及设备心跳到互为冗余的设备，互为冗余的两个网关接收到对方的数据后按照定制的主选/备选设备的协议将节点索引小的设备定义为首选网关并在发送给TCU数据的UIC报头中将首选标志位置1，反之备选网关将该位置0，此时TCU虽然接收到两个网关的数据，但是只是处理首选网关的数据;同时，互为冗余的两个网关设备时刻通过单播通信监控着对方，一旦之前确定的首选网关出现故障或者脱离局域网，备选网关无法继续接收到监控数据，此时备选网关将自己发送的UIC报文中的首选网关标志位置1，该标志位被封装在WTB数据中进行传输，根据WTB协议规定每个设备均对应一个端口号，无论是设备是否发生故障，还是脱离局域网，只要是整个WTB编组中未发生初运行，则端口号与设备均形成对应关系，并且均可以从设备对应的端口号中读取数据，此时其他网关设备将从出现故障或者脱离局域网的设备端口中读取的数据的首选网关标志位置0，整个过程就完成了首选网关与备选网关的切换，该套机制解决了如下几种情况：首选网关出现故障、首选网关脱离局域网、首选网关出现故障后又自动恢复、首选网关又重新加入网络、首选网关电源被切除、首选网关电源恢复等。详细逻辑见图3。

四、结束语

本文针对列车车载设备的通信可靠性要求，保障车载设备通信的稳定性，设计一款车辆间通信WTB-ETH网关的冗余的方法，重点阐述了冗余机制的切换以及冗余设备之间的监控，防止WTB-ETH网关设备出现故障后影响到机车的正常运行，并搭建测试平台对该逻辑进行长时间测试，模拟出现故障的各种可能性，确保该逻辑的稳定可靠。

参  考  文  献

[1] IEC.IEC61375-1-2007.Part 1：Train Communication Network

[2] TJJW059-2015：交流傳动机车TCN网络互联互通暂行技术条件

[3]李洋涛.TCN列车网络技术现状与发展[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，12（1）：4-7

[4]曾陆洋.基于以太网的列车通讯网络节点设计与实现[D].北京：北京交通大学，2014