以太网络拓扑在轨道交通车辆中的应用分析*

张福景，张立斌，刘 佳

（中车大连电力牵引研发中心有限公司， 辽宁大连116052）

随着计算机技术和列车控制网络应用的不断发展，目前轨道交通列车上普遍使用的MVB、CAN 等总线技术。由于总线网络拓扑单一、信息传播速度低、组网灵活性差、吞吐能力有限等原因，已经越来越不能满足未来列车网络控制系统的需求；而以太网具有设备成本低廉、开放性高、高通信带宽、技术成熟等优点，成为轨道交通列车网络的发展方向。2014 年左右，国际电工委员会制定 了IEC 61375-2-3 和IEC 61375-3-4 等 标 准［1-2］，进一步促进了以太网络在轨道交通列车网络控制中的应用。目前，加拿大庞巴迪公司开发的基于以太网的车辆网络已经应用在德国和荷兰开行的区域性列车上，用于管理车上所有的设备，并且和原有的TCN 网络系统共同存在；在国内动力集中动车组上采用了整车以太网络，并实现了通过以太网进行整车的控制。

1 常用以太网网络拓扑

1.1 线性网络拓扑

线性网络拓扑实现各交换机之间的线性连接，没有冗余措施，交换机之间的以太网线缆断开或者交换机故障均会导致整个网络的中断。线性网络拓扑连接简单，实际应用中多用在列车简单的维护网络中，交换机一般使用非网管型交换机，以方便整车各设备的维护为目的，网络的故障对整车的控制功能没有影响，如图1 所示。

图1 线性网络拓扑

1.2 环形网络拓扑

环形网络拓扑为各交换机之间相互连接并形成一个环形，这样当交换机之间的连接线缆出现任意一处断开时能够保证整个网络的完整性，从而实现网络连接的冗余，提高网络的稳定性。该连接方法在实际列车中应用较多，连接方式简单又能实现网络连接的冗余。采用该网络拓扑连接的交换机需要为管理型交换机，环形网络在物理上形成一个环形，为了避免出现网络传输风暴，在逻辑上不能形成环形通信，需要在环形网络中的一个交换机上进行逻辑配置，使得网络在逻辑上断开，当网络上其他地方产生物理线缆断开时能够自动恢复逻辑通信，如图2 所示。

图2 环形网络拓扑

1.3 梯形网络拓扑

梯形网络拓扑一般以车节为单位，每一车节内部的交换机之间进行环形拓扑连接，车节之间实现一节车的2 个交换机与下一节车的2 个交换机之间的互联，这2 组交换机的互连线为冗余关系，一个连接线为主用线，另一个为备用线，线缆主备关系在交换机配置中进行设定，当为主的线缆出现故障时，备用线缆会自动启用。梯形网络拓扑的优势体现在整个网络存在车辆内部交换机之间的环形冗余和车节之间的主备冗余，这样，当任意车节内部的任意线缆断开，同时任意车节之间的任意线缆断开，都不会影响整车网络的整体通信功能，只有当车节之间连接的2 根线缆全部断开或者是车节内部出现多个线缆断点时才会影响整车网络的完整性。梯形网络拓扑应用在对网络稳定性要求比较高的情况，需要交换机具有网络配置管理功能，如图3 所示。

图3 梯形网络拓扑

2 以太网网络拓扑发展趋势

2.1 双端口连接的网络拓扑

随着以太网的普及，现在很多车载设备控制器含有2 个以上独立的以太网接口，这就为今后向双端口连接的网络拓扑发展打下基础。双端口连接就是一个终端设备同时连接在2 个以太网交换机上，这样当其中一个交换机故障时不会导致连接在该交换机上的终端设备与网络断开，上面讨论的环形网络拓扑和梯形网络拓扑只是解决了当以太网线缆故障时保证整个网络的完整性，但是当交换机本身发生故障时，该交换机所连接的终端设备就与整个网络断开了，而双端口网络拓扑很好的解决了这个问题。

图4 双端口连接网络拓扑

在环形网络中，当一个交换机发生故障时，整个环形网络断开，但是不影响整个网络的完整性，同时，由于终端设备采用双端口网络，发生故障的交换机连接的终端设备可以通过另一个交换机与网络上的其他设备进行数据交互，而不影响网络整体通信性能，如图4 所示。

2.2 适应多网融合的网络拓扑

目前，在轨道交通车辆上，除了整车监控网络外，还存在着各子系统内部互联的网络、整车维护网络以及视频传输网络等，为了降低整车布线的难度，减少不必要的重复布线，整车各网络之间的融合是今后的发展趋势。 相比传统的MVB、CAN、RS485 等网络，以太网的传输速度有了显著的提升，千兆以太网已经在工业以太网上普遍应用，为整车过程数据、视频数据及突发性的维护数据等在同一个以太网络上传输提供了条件。整车骨干网采用千兆以太网交换机形成列车级千兆以太网环网，在整车骨干网交换机的基础上，每节车各功能子网的交换机分别接入相应车节的骨干网交换机上，各功能子网内部以及功能子网之间的数据交互全部通过整车骨干环网实现，如图5所示。

图5 适应多网融合的网络拓扑

3 以太网网络拓扑应用实例

某一4 辆编组的列车网络拓扑图如图6 所示，整车网络分为列车级和车辆级2 级网络，整体网络结构采用了适应多网融合的网络拓扑，针对特定的设备采用了双端口连接的网络拓扑。

列车级网络由CS1～CS4 这4 个交换机组成，4个交换机之间采用环形拓扑连接，保证交换机之间任意连接线缆断开时不影响整车以太网通信，组成列车级网络的交换机均为网管型交换机，为了实现特定的跨子网访问功能，其中CS2 和CS3 配置为3 层带路由功能的交换机，为了保证数据传输的带宽，列车级网络采用千兆以太网。

车辆级网络均连接在各车节的列车级以太网交换机上，车辆级网络根据功能不同，划分为以下4 个子网：控制功能子网、维护功能子网、视频传输子网和车地无线传输子网，子网的划分保证不同的数据只在子网内部传输，避免了对其他设备的干扰，提高数据的传输效率。控制功能子网的设备尽可能多的直接连接到每一车辆的列车级交换机上，减少过程数据在交换机之间传输的延时，提高过程数据的实时性。视频数据子网的数据主要来自车辆广播系统，包括摄像头及广播信息等，这些设备首先连接到每节车广播系统的交换机（PIS-CS）上，然后通过广播系统的交换机连接到每节车的列车交换机上；维护功能子网的设备首先连接到每节车的维护交换机（MTC-CS）上，这样连接能够有效的减少每节车列车交换机的接点数，也便于设备就近连接，减少车辆布线。车地无线传输子网主要由T1和T2车的无线传输模块（WDM）组成，2 个WDM 模块为冗余关系，分别连接在不同的列车级交换机上，减少列车级交换机故障时对车地无线通信的影响；WDM 模块需要从过程数据子网和视频数据子网获取过程和视频等数据，需要WDM 模块连接的列车级交换机具有路由功能。

在该列车网络拓扑中，设备的子网掩码为18位（255.255.192.0），其中第3 个字节掩码192 所代表的高两位用于子网划分。高两位全为0 代表过程数据子网；高位为0，低位为1 代表视频数据子网；高位为1，低位为0 代表维护数据子网；高位为1，低位为1 代表车地无线传输子网。过程数据子网的起始IP 地址设定为：10.0.0.0/18，视频数据子网的起始IP 地址设定为：10.0.64.0/18，维护数据子网的起始IP 地址设定为：10.0.128.0/18，车地无线传输子网的起始IP 地址设定为：10.0.192.0/18。根据上述子网IP 地址定义，给网络拓扑中所有设备定义具体的IP 地址，根据图6 的整车网络拓扑图搭建网络测试平台，过程数据子网按照IEC 61375-2-3 标准规定的TRDP 协议进行过程数据通信，通信周期采用20 ms；视频数据子网传输4 节车共14 路摄像头实时视频信息、流媒体信息及语音信息等；维护数据子网进行设备诊断数据的实时下载测试；车地无线传输子网进行车辆运行实时数据通过4G 或者WiFi 向地面服务器实时传输数据的测试。测试结果表明：在所有子网同时进行最大负载数据传输的情况下，过程数据通信功能正常，过程数据的最大延时小于10 ms；视频数据的实时显示及存储功能正常；子设备的维护及车地无线传输功能正常。

图6 网络拓扑应用实例

4 结束语

从应用的角度描述了现在轨道交通车辆上应用的不同类型的以太网拓扑，并分析各种网络拓扑的优缺点，结合实际工程应用的实例，阐述了以太网拓扑的配置及工作原理，实际测试表明该网络拓扑能够很好的满足车辆过程控制数据的实时性要求，满足视频数据、车地无线传输数据及维护数据等的数据通信带宽要求。