應用于列車門控系統(tǒng)的以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設計

摘 要：隨著當前時代發(fā)展，科學技術的不斷進步，無論是什么行業(yè)都無法離開互聯(lián)網(wǎng)，以太網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的基礎技術之一，已經(jīng)廣泛運用到各個領域當中，但是在軌道交通領域當中，其應用相對緩慢，這也阻礙了該領域的智慧化發(fā)展道路。文章探討了軌道交通現(xiàn)有門控系統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲存在的局限，設計全新的低成本且具備高可靠性的門控系統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

關鍵詞：列車門控系統(tǒng);以太網(wǎng);拓撲結(jié)構(gòu)

近年，國際電工委員會發(fā)布全新標準，增加IEC 61375列車以太網(wǎng)相關標準，隨著新標準發(fā)布，多個國內(nèi)外列車生產(chǎn)商，都將以太網(wǎng)作為車輛總線。IEC61375-2-5標準中定義了基于以太網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)，定義了列車網(wǎng)絡拓撲可由一層或多層列車骨干子網(wǎng)和一層或多層的編組子網(wǎng)絡組成。文章對終端設備（簡稱ED）即門控系統(tǒng)接入的ED級網(wǎng)絡拓撲進行討論。

一、 軌道列車門控系統(tǒng)現(xiàn)狀

軌道列車門控系統(tǒng)是控制高速列車（和諧號、復興號等）和城市地鐵的核心電氣設備之一。其系統(tǒng)設計、各個部件制造可靠性和軟件控制邏輯所實施的安全策略均對列車的運行安全和可靠產(chǎn)生重大影響，因此，在列車系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。在中國的軌道交通發(fā)展早期，軌道列車門控系統(tǒng)同眾多列車設備一樣以進口為主，無論是高速動車組還是地鐵列車，其門控系統(tǒng)均采購自IFE和FAIVELEY等國外廠商。步入21世紀后，國家提出軌道交通設備國產(chǎn)化的戰(zhàn)略，在此戰(zhàn)略下誕生諸如南京康尼機電這樣的具備自主知識產(chǎn)權(quán)的列車門控制系統(tǒng)民族品牌。隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，可以預見列車門控系統(tǒng)將往信息化、智能化方向發(fā)展。

二、 門控系統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

（一）星形以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有列車的以太網(wǎng)拓撲以星形結(jié)構(gòu)為主，這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的ED是采取點對點的方式接入列車的交換機。對于列車門控系統(tǒng)而言，其核心部件車門控制單元（DCU）接入列車交換機。星形拓撲結(jié)構(gòu)設計的缺點：

1. DCU是列車設備中數(shù)量最多的電氣設備，采用星形拓撲，需要購買更多的交換機來提供足夠網(wǎng)口接入DCU，而導致車輛制造成本的上升。并且，采用該拓撲結(jié)構(gòu)，每個DCU與交換機之間都需要通過網(wǎng)絡線纜連接，這將耗費大量網(wǎng)絡線纜，也增加車輛制造成本。

2. 星形拓撲結(jié)構(gòu)不具備冗余功能。一旦DCU與交換機之間的線纜斷開連接，DCU將無法與列車控制管理系統(tǒng)建立網(wǎng)絡通訊。這對于可靠性要求較高的列車網(wǎng)絡通訊來說是難以接受的。

（二）門控系統(tǒng)鏈式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

為了降低車輛制造成本，個別列車門控系統(tǒng)的以太網(wǎng)拓撲采用鏈式拓撲。鏈式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)連接方式為：車廂內(nèi)的一側(cè)DCU以鏈式連接的方式接入一個交換機網(wǎng)口，另一側(cè)的所有DCU同樣以鏈接方式接入交換機的另一網(wǎng)口。兩側(cè)網(wǎng)絡中間不能互相連接，因為一旦在物理上形成連接，就會造成路由環(huán)路，導致網(wǎng)絡癱瘓。鏈式拓撲雖可以節(jié)約網(wǎng)絡成本，但并沒有網(wǎng)絡冗余功能。一旦某一個DCU網(wǎng)線斷開，后續(xù)所有DCU都將和網(wǎng)絡斷開連接。

（三）IEC61375冗余以太網(wǎng)拓撲

IEC61375-3-4標準針對ED級網(wǎng)絡，推薦三種采用雙歸屬技術的冗余方案，分別為并行雙歸屬網(wǎng)絡拓撲、環(huán)形雙歸屬拓撲和梯形雙歸屬拓撲。為網(wǎng)絡設備提供雙獨立網(wǎng)口是雙歸屬的優(yōu)勢，使用網(wǎng)絡節(jié)點備份的網(wǎng)絡容災方法。以上幾種冗余網(wǎng)絡雖然擁有冗余功能的優(yōu)勢，但占用了很多的交換機網(wǎng)口，同星形拓撲一樣存在著成本過高的難題。

三、 雙主站鏈接冗余以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設計

通過借鑒雙歸屬技術，并充分結(jié)合鏈式拓撲，由此設計出來的雙主站鏈式冗余以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，不僅具備冗余功能，還具備制造成本低的優(yōu)勢（占用較少交換機的網(wǎng)口）。其設計步驟如下。

（一）通過虛擬局域網(wǎng)技術，將主車門控制單元（MDCU，主站）的兩個網(wǎng)口配置成雙物理地址模式，本地車門控制單元（LDCU）的兩個網(wǎng)口配置成交換機模式。MDCU的兩個網(wǎng)口物理信號相互隔離，分別擁有獨立的物理地址和網(wǎng)絡地址。LDCU的兩個網(wǎng)口物理信號相通，使用相同的物理地址和網(wǎng)絡地址。

（二）兩個MDCU即雙主站的其中一個網(wǎng)口分別接入編組以太網(wǎng)交換機網(wǎng)口，接入車輛級以太網(wǎng)網(wǎng)絡，另一個網(wǎng)口與首尾兩個LDCU相連接。車廂兩側(cè)的所有LDCU采用鏈式方式相互連接，共同組成一個雙主站鏈式ED級網(wǎng)絡拓撲，如圖1-9所示。MDCU的兩個相互隔離的網(wǎng)口，將車輛級網(wǎng)絡與ED級網(wǎng)絡完全隔離，因此該拓撲結(jié)構(gòu)不會發(fā)生因為路由回路而導致的網(wǎng)絡癱瘓。

以上新設計的雙主站鏈式以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)具備冗余功能。當任何一個MDCU與編組交換機之間出現(xiàn)斷線事故，未發(fā)生故障的MDCU將承擔與列車控制管理系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊功能。當相互連接的LDCU之間發(fā)生線纜斷開故障，兩個MDCU將分別承擔線纜斷點兩側(cè)所有DCU與列車控制管理系統(tǒng)間的網(wǎng)絡通訊工作。該設計相對于現(xiàn)有的網(wǎng)絡拓撲，實現(xiàn)方式簡單，且在最大限度保證門控系統(tǒng)與列車控制管理系統(tǒng)通訊的可靠性，又降低制造成本，擁有了極大優(yōu)勢。

四、 結(jié)語

文章對門控系統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進行深入探討，得出了三種網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)劣勢對比，設計出了全新的且更為優(yōu)秀的雙主站鏈式冗余以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在國內(nèi)多個軌道列車項目上得以應用，并產(chǎn)生較好的經(jīng)濟和社會效應。

參考文獻：

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[2]趙光波，楊尚平.城市軌道車輛車門的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].流體傳動與控制，2008（1）：38-43.

作者簡介：詹先理，南京康尼電子科技有限公司。