基于实时以太网的列车重联研究

魏涛

(株洲中车时代电气股份有限公司,湖南 株洲412000)

当前国内主流的TCN(列车控制网络)一般由MVB(多功能车辆总线)与WTB(绞线式列车总线)构成。MVB是车辆级总线，连接单个车辆单元内的终端设备，最大数据传输速率为1.5 Mbps；WTB是列车级总线，连接各动态编组车辆单元，最大数据传输速率为1Mbps。

随着铁路信息化、智能化建设推进，视频影音等对列车网络通信带宽、时延、灵活性等方面提出了更高要求[1]。传统TCN网络数据传输速率难以支撑多媒体音视频数据传输。在此背景下，列车以太网编组网络ECN和以太网骨干网络ETB结合的列车以太网通信技术应运而生[2]。对列车实时以太网重联技术进行研究，骨干网侧实现大流量数据传输、贯穿重联列车，能有力扩大载客量、提高运行效率。

1 列车实时以太网重联技术

列车重联是指列车间进行连挂运行，可扩大载客量、提高运行效率。两车之间采用车钩连接，车钩中电气电路完成电气信号的互相连通。重联列车采用以太网作为媒介，在骨干网侧传输重联相关信息，基于TTDP(列车拓扑发现协议)建立拓扑，在物理和逻辑上成为拓扑信息达成一致一体。实时以太网重联与传统TCN网络重联相比，速率更快、时延更小、组网更灵活[3]。

2 重联关键技术研究

2.1 跨编组寻址技术

终端设备跨编组通信时，要根据相关标准得出对方全局地址[4]。结合图1描述跨编组寻址过程，编组子网1终端设备A（本地子网地址10.0.1.200 ），要访问编组子网2终端设备D（本地子网 地 址 10.0.1.100 ）。 地 址 映 射 规 则[5]为00001010.1 bb00000.0000000 0.v0tttttt，解释如表1。得D全局地址10.12 8.12 9.100 ，通信报文源地址10.0.1.200 ，目的地址10.12 8.12 9.100 。经1编组ETBN将源地址转变为全局地址10.12 8.6 5.200 。

图1 ETBN跨编组寻址

表1 ETBN地址设定规则表

通过路由寻寻址，到达D所在2编组。2编组ETBN将目的地址转变为本地子网地址并传递给D。

2.2 列车拓扑建立

当列车拓扑发生变化，如重联、解联、上电等情形下，在获得应用层准许后，列车会进行初运行。在此过程中，TTDP用于物理拓扑、逻辑拓扑的建立及初运行的完成[6]。

列车在进行拓扑建立时，需要在ETB上选取一个参考方向，即ETB参考方向。该方向由端节点CstUUID(简称UUID)决定[7]。UUID是一种通用唯一标识码，可对列车编组进行唯一标识。多个编组重联时，根据两端节点所在编组UUID大小来确定骨干网ETB参考方向。编组UUID小的端节点所在侧为方向1；UUID大的端节点所在侧为方向2。编组号、子网号、ETBN id都随着方向2递增。

2.2.1 物理拓扑建立算法

Hello帧主要用于诊断链路、发现邻居设备。Topology帧通过组播方式发送，发送给其它ETBN节点共享拓扑信息。一般超过400ms没有收到某节点拓扑信息时，认为该节点拓扑信息失效、丢失。当某节点超过1s收不到其它任何节点Topology帧时，则认为该节点是孤立的。经过排序的节点MAC和节点朝向orientation汇总成的表格叫做Conn Table。从ETB顶节点开始排布，直到底节点。每接收到新的Topology帧，Conn Table就会进行重新计算一次。Conn Table CRC32是Conn Table的CRC32校验值，当所有节点Topology帧中Conn Table CRC32一致时，就证明列车物理拓扑已经建立完成[8]。物理拓扑建立计算流程如图2所示[9]。

图2 拓扑建立算法流程图

2.2.2 逻辑拓扑建立算法

当重联列车的逻辑拓扑建立完成时，才可统一进行列车IP地址配置，建立ETBN逻辑拓扑主要根据Topolgy帧中的连接矢量(Conn Vector)、ETBN矢量(ETBN Vector)、etbTopoCnt进行推算[10]。

Conn Vector包含自身节点及直接连接的邻居节点MAC地址，若没有邻居则MAC地址填充全0，由此可获知直接邻居节点信息；ETBN Vector则是本节点在某一方向上发现节点的无序排列表，在节点端口方向1和2上各有一个ETBN Vector，可综合得到本节点周围发现的所有节点；TNDir包含列车中的UUID、CN id、Subnet id、ETBN id、编组朝向等信息，用于表征列车拓扑逻辑连接方式[11]，etbTopoCnt是其CRC32校验值，当所有Topology帧中etbTopoCnt一致时，则列车逻辑拓扑建立完成。

3 列车ETBN交换机架构介绍

ETBN为列车以太网骨干网交换机，能够实现三层数据转发、数据跨网段通信功能[12]。ETBN系统架构如图3所示，主要由CPU单元、接口单元、电源单元以及金属外壳组成[13]。CPU单元是核心部件，其中CPU芯片用于完成协议处理，而交换芯片用于完成数据转发。CPU芯片外围连接有内存单元FLASH和DDR，用于断电保存和高速存取。CPU芯片一部分引脚直接引出串口和调试口到接口单元，另一部分引脚经过交换芯片引出交换口到接口单元。接口单元则提供列车通信相关接口，一同构成对外接口，电源单元负责为整个模块提供电源。

图3 ETBN系统架构图

ETBN上电后，首先要经过底层初始化，完成时钟配置、文件系统加载、ETBN端口号和网口初始化、等工作[14]。接着获得编组信息、IP映射关系以及连接表信息，获取端口连接的设备IP地址和MAC地址，管理Hello帧和Topology帧的发送周期及接收超时等，基于TRDP进行设备间通信。

4 实验结果

列车以太网重联的实验依托于公司级核心项目——洛杉矶地铁，整体实验环境如图4所示。

图4 洛杉矶地铁实验环境

在洛杉矶地铁实验台中，每1节车厢包含1个编组，编组内含有一对互为冗余的ETBN节点，最终完成6编组列车的重联。如图5所示，为其中3节车厢在显示器中的详细拓扑展示。由图可知，在ETBN的CN侧接有ECNN二层冗余环网，各种终端连接在环网交换机ECNN下，如HVAC(空调控制器)、IOM(输入输出模块)、EGWM(中央控制单元)等，负责列车运行中的温度控制、采集并输出指令以及监测处理数据等功能。

图5 显示器中的列车系统连接图

重联期间，通过记录ETBN节点初运行开始时刻及初运行完成时刻，可得到初运行完成所耗费时间，重复进行多次重联实验，获取结果如表2所示，通过计算可得，平均初运行完成时间为405.6 ms，而根据经验值，初运行时间一般需控制在600ms以内，可知该以太网重联过程，初运行时间较短、速度较快。传统TCN重联时间一般需要1s以上。相比之下，以太网重联时间更短、速度更快。

表2 列车以太网重联初运行时间

任取列车中某一编组，将ETBN主节点断电，备节点通过心跳线检测到主节点生命信号不再发生变化，超过一定时间后，备节点会切换为主节点。多次进行主节点断电，抓包读取原备节点ETBN角色字段，计算其节点状态由备节点切换为主节点所耗费的时间。实验结果如表3所示，计算平均切换时间为127ms，切换速度快，保证了链路可靠性。

表3 主备冗余切换时间

5 总结展望

本文对基于实时以太网的列车重联进行研究，分析跨编组通信寻址方法，探究初运行中的TTDP机制，对重联过程中列车物理拓扑和逻辑拓扑的建立进行算法实现。结合洛杉矶地铁实验台，通过实验模拟6编组列车的重联过程，获得测试结果。

由结果可知，基于实时以太网的列车重联，初运行时间短、时延小、链路可靠性高。由ECN和ETB相结合的列车以太网技术可实现更高的网络传输速率，相比于MVB和WTB结合的TCN技术的性能表现有很大提升空间。以太网技术使得列车组网方式更加灵活、可靠性更强，还能更好地与计算机网络技术相结合，更有利于实现多网融合。