实时以太网的地铁车辆通信网络组网方案
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摘要:介绍了地铁车辆常见的列车通信网络组网方案，设计了基于实时以太网的新方案，并针对不同车载系统的特征，完善了各类入网系统的组网方案。
1地铁车辆通信网络设计简介
地铁车辆通常采用符合IEC－61375系列标准的WTB总线、MVB总线及符合ISO11898标准的CAN总线来构建列车通信网络(以下简称TCN)的骨干网络，各类车载系统可以接入骨干网络来实现与列车中央控制单元之间的通信和交互。TCN核心设备有列车中央控制单元(VCM/VCU)，数字量输入输出模块(I/O)，模拟量输入输出模块(AI/O)，事件记录装置(ERM/EDRM)、人机交互设备(HMI)及中继和网管设备。1．1骨干网根据各类地铁列车实际需求的不同，骨干网常见设计有:1．1．1WTB+MVB两级或多级网络WTB总线实现不同列车之间微机设备的自动配置，实现两列车网络的互联互通，MVB总线用于构建列车内部网络。这类网络设计方法通常用于有多车重联运营及灵活编组需求的列车。1．1．2两级MVB总线对于固定编组单列运营的车辆，通常采用两级MVB总线设计结构，车辆级MVB总线用于构建单节车厢内部网络，而列车级MVB总线用于实现多节车厢网络的互联互通。1．1．3基于CANOpen协议的CAN总线对于尺寸较小，各类微机系统较为简单的列车，可以采用CAN总线来简化列车通信网络。CAN总线最先应用于汽车领域，而在轨道交通领域，通常应用于有轨电车、通勤车等车辆。1．2子系统网络通常子系统控制主机可以直接接入列车骨干网中的车辆级总线，与列车通信网络进行控制和信息交互。根据厂家和系统设备的不同，子系统通信接口一般采用MVB、RS422/RS485、以太网和CAN等接口型式，若子系统通信接口协议与骨干网不同，则需配置通信协议转换模块来辅助该系统与骨干网设备通信。
2实时以太网通信网络
2．1实时以太网与其他网络总线结合的设计在实时以太网运用于轨道交通车辆的初期，面临部分子系统设备无法满足轨道实时以太网通信标准的难题。在这个特定时期，网络控制总线采用实时以太网与其他网络总线相结合的设计。，TCMS与牵引控制系统、辅助电源及制动系统也采用实时以太网通信，但诸如信号系统、车门控制系统等子系统仍使用MVB通信与TCMS交互(借助协议转换设备)。该网络构建方案即验证了实时以太网在轨道车辆上的可行性、可靠性，又能适应其他系统设备现状。2．2完全实时以太网的设计该网络设计精简了各子系统的内部网络，原存在于各系统内部的CAN总线内网、RS485内网及以太网等都可以取消。TCMS与车载各子系统均直接采用实时以太网进行数据通信。。图3实时以太网系统关系图2．2．1网络拓扑以6节编组城轨车辆为例。列车控制网络采用环网结构的实时以太网以提高冗余度与可靠性，且每列车配置两台工业级两层交换机，单台关键子系统设备可以同时接入两台交换机与以太网交互数据，子系统设备需具备两路独立的以太网接口。接入网络的子系统取消各自的交换型内网，若网络中存在其他子网且需与骨干网数据交互时，可对两层交换机划分物理VLan或使用三层交换机。2．2．2关键子系统入网方案对于车辆安全相关的子系统和对行车影响较大的子系统，其设备使用两路独立的以太网接口分别接入所在车厢的两台交换机。即其中一路故障时，另一路仍可以与骨干网进行数据交互。且单台交换机故障或交换机所处的线路故障是，该关键设备仍然可通过另一台交换机接入骨干网中，提高了该系统的通信可靠性。452．2．3非关键子系统入网方案部分子系统仅需向TCN上报状态与故障，且其系统故障不会影响车辆运营，则此类系统的设备通常单路接入骨干网，2．2．4车门系统入网方案车门的打开与关闭与运营密切相关，单个车门故障不会影响本次列车下线，但发生同侧车门故障时，列车将无法继续运营。因此，一节车厢的所有车门接入骨干网时应考虑容错性更高的方案同为左侧门的1#、3#、5#和7#门分别连接在两台交换机上，同为右侧门的2#、4#、6#和8#门也分别连接在两台交换机上，当单台交换机发生故障时，仅会造成左右两侧各2个门无法开关，左右侧仍然有车门可以正常动作，避免由于该故障而导致车辆无法上下客，尤其在单程运营即将结束时，司机可以继续驾驶车辆完成后续站点的运营任务并返回车辆段处理故障。
3结语
相较于MVB、WTB及CAN总线的通信网络，实时以太网通信网络具有更大的数据吞吐量和更高的传输实时性。使用一套以太网取代车载设备间纷繁复杂的各种内网，简化了车辆布线结构和网络架构，也节约了设计成本。目前，车辆对实时流媒体信息传输、车辆健康管理及大数据分析的需求日益扩大，而常规总线受自身带宽限制无法满足上述功能，实时以太网势必将以新型骨干网络的姿态登上轨道交通网络控制的舞台。
参考文献:
［1］翟雅萌．基于列车实时以太网过程数据通信研究的设计［J］．工业控制计算机，2017(2)．
［2］赵冬，杨奇科，叶彪．基于以太网的第2代分布式列车网络控制系统(DTECS－2)［J］．城市轨道交通研究，2016(1)．
［3］张军．基于以太网的列车通信网络及交换机开发［J］．计算机测量与控制，2014(6)．
作者:张杨 刘博 单位:中车株洲电力机车有限公司产品研发中心