時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組以太網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

宋國良，朱游龍，馬 潔

(1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 調(diào)度指揮中心，北京 100844；2.中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266031)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，軌道列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在朝著高速化、寬帶化以及智能化發(fā)展。以太網(wǎng)具有傳輸速率高、帶寬大、成本低、使用廣泛、兼容性好的特點(diǎn)，在工控領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用[1-2]，是軌道列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向。1999年，國際電工委員會(huì)(IEC)下屬的軌道交通電氣設(shè)備與系統(tǒng)委員會(huì)頒布了第1版IEC 61375-1協(xié)議，用于指導(dǎo)列車通信網(wǎng)絡(luò)的國際化、標(biāo)準(zhǔn)化。到目前為止，軌道交通電氣設(shè)備與系統(tǒng)委員會(huì)已經(jīng)相繼頒布了10余項(xiàng)IEC 61375網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，推動(dòng)了以太網(wǎng)在列車通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展。我國軌道交通系統(tǒng)經(jīng)過了幾十年的長足發(fā)展，目前已經(jīng)處于由量的積累轉(zhuǎn)向質(zhì)的提升的階段，在城軌列車領(lǐng)域，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在逐漸推廣應(yīng)用[4-6]，取得了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，特別是在時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組上，以太網(wǎng)作列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)的承載網(wǎng)，擔(dān)負(fù)著傳輸列車控制報(bào)文和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的關(guān)鍵任務(wù)。本文將從時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組TCMS系統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面對以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行分析和闡述。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

復(fù)興號動(dòng)車組是時(shí)速250 km單層動(dòng)力分散式動(dòng)車組，車載TCMS網(wǎng)絡(luò)目前有CR300AF和CR300BF 2個(gè)平臺(tái)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)參考IEC 61375系列標(biāo)準(zhǔn)，分為2級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：列車級和車輛級，每4輛車為1個(gè)編組，每個(gè)編組內(nèi)部署2臺(tái)列車骨干網(wǎng)交換機(jī)(ETBN)，每節(jié)車廂內(nèi)部署2臺(tái)以太網(wǎng)編組交換機(jī)(ECNN)。

1.1 列車級網(wǎng)絡(luò)

復(fù)興號動(dòng)車組列車級網(wǎng)絡(luò)使用100Base-Tx標(biāo)準(zhǔn)銅纜貫通整個(gè)車輛，各車輛間以太網(wǎng)線纜通過以太網(wǎng)中繼器(REP)進(jìn)行物理層信號中繼。圖1為列車級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。如圖1所示，列車級網(wǎng)絡(luò)采用線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，ETBN之間通過2個(gè)端口相互連接，連接到同一臺(tái)ETBN上的2個(gè)端口配置為鏈路匯聚組，起到鏈路冗余和負(fù)載分擔(dān)的功能[7]。ETBN具備旁路功能，可以克服ETBN單點(diǎn)故障。

圖1 列車級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 車輛級網(wǎng)絡(luò)

復(fù)興號動(dòng)車組車輛級網(wǎng)絡(luò)使用100Bset-Tx標(biāo)準(zhǔn)線纜貫穿整個(gè)編組網(wǎng)，如圖2所示，1～4車每節(jié)車廂的ECNN為冗余部署，單設(shè)備故障不影響車輛運(yùn)行，終端設(shè)備通過2條獨(dú)立的通信鏈路接入到編組網(wǎng)交換機(jī)中，可以克服終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口單點(diǎn)故障。5～8車采用與1～4車同樣的網(wǎng)絡(luò)部署。

CR300AF和CR300BF 2個(gè)平臺(tái)的差異主要體現(xiàn)在車輛級網(wǎng)絡(luò)，其中CR300AF平臺(tái)采用環(huán)形拓?fù)?，CR300BF平臺(tái)采用線性拓?fù)洹?個(gè)平臺(tái)在處理單點(diǎn)故障上采用不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，其中CR300AF平臺(tái)采用環(huán)網(wǎng)機(jī)制，當(dāng)環(huán)路中有ECNN故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)迅速收斂出新的通信路徑；CR300BF平臺(tái)采用旁路機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有ECNN故障時(shí)，迅速將故障設(shè)備旁路。這2種機(jī)制都能夠迅速克服編組網(wǎng)交換機(jī)的單點(diǎn)故障，保證其他設(shè)備仍正常工作[8]。圖3為CR300AF平臺(tái)環(huán)網(wǎng)收斂示意圖，圖4為CR300BF平臺(tái)旁路機(jī)制示意圖。

圖3 CR300AF平臺(tái)環(huán)網(wǎng)收斂示意圖

圖4 CR300BF平臺(tái)旁路機(jī)制示意圖

2 以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與安全傳輸協(xié)議

復(fù)興號動(dòng)車組采用了列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TRDP)和安全傳輸協(xié)議(SDT)技術(shù)來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全性[9]。如圖5所示，TRDP協(xié)議運(yùn)行在TCP/IP協(xié)議棧之上，使用UDP協(xié)議傳送過程數(shù)據(jù)，使用TCP或UDP協(xié)議傳送消息數(shù)據(jù)。TRDP傳輸覆蓋CCU與各系統(tǒng)控制器之間的過程數(shù)據(jù)通信，確保列車控制與監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。

圖5 各協(xié)議層級關(guān)系示意圖

安全傳輸協(xié)議提供了覆蓋安全數(shù)據(jù)源(SDSRC)和安全數(shù)據(jù)宿(SDSINK)之間的安全傳輸通道。安全傳輸協(xié)議運(yùn)行在TRDP協(xié)議棧之上，對TRDP通信報(bào)文進(jìn)行查驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)后，判斷當(dāng)前通信狀態(tài)是否安全并將查驗(yàn)結(jié)果提供給上層應(yīng)用。

2.2 服務(wù)等級技術(shù)

服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制是在以太網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的服務(wù)保證機(jī)制，通常通過一系列的機(jī)制與技術(shù)來保證特定服務(wù)類型的業(yè)務(wù)在帶寬、抖動(dòng)、時(shí)延、丟幀等指標(biāo)上有更好的表現(xiàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)先后在RFC 791和RFC 2474中分別提出了2種基于IP報(bào)文的服務(wù)模型和機(jī)制[10]，IEC 61375-2-5：2014標(biāo)準(zhǔn)采用RFC 2474中的設(shè)計(jì)，將列車網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量劃分為8個(gè)優(yōu)先級。

根據(jù)IEC 61375-1:2012中的定義，將列車網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)分為5種類型[11]，分別是監(jiān)視數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)和盡力而為數(shù)據(jù)。其中監(jiān)視數(shù)據(jù)包括列車初運(yùn)行以及網(wǎng)絡(luò)冗余控制的數(shù)據(jù)；過程數(shù)據(jù)包括中央控制單元(CCU)與其他系統(tǒng)周期性交互的數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)對于列車實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視至關(guān)重要；消息數(shù)據(jù)通常是列車控制和監(jiān)視產(chǎn)生的記錄數(shù)據(jù)，一般是非周期性數(shù)據(jù)；流數(shù)據(jù)指列車運(yùn)營中的音視頻數(shù)據(jù)；盡力而為數(shù)據(jù)是對傳輸速率和時(shí)延無要求的其他數(shù)據(jù)。

終端設(shè)備根據(jù)RFC 2474中IP報(bào)文頭中DSCP字段的定義進(jìn)行優(yōu)先級字段填充，優(yōu)先級范圍為0～7，其中7為最高優(yōu)先級，列車網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)類型與優(yōu)先級的映射關(guān)系如表1所示， 編組網(wǎng)交換機(jī)對收到的報(bào)文按照映射關(guān)系分別存入相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列，當(dāng)發(fā)生資源競爭時(shí)，優(yōu)先保證高優(yōu)先級的報(bào)文首先進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理。

表1 數(shù)據(jù)類型與優(yōu)先級映射關(guān)系

2.3 智能尋址技術(shù)

復(fù)興號動(dòng)車組采用了列車網(wǎng)絡(luò)域名系統(tǒng)(TCN-DNS)提供終端設(shè)備間以及動(dòng)車組維護(hù)期間的尋址訪問服務(wù)。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，域名服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是將復(fù)雜的IP地址轉(zhuǎn)換為可讀性強(qiáng)的、容易記憶的字符串，方便用戶訪問。在復(fù)興號動(dòng)車組上，定義了一種更抽象的基于列車網(wǎng)絡(luò)層級關(guān)系的尋址方案，即TCN-DNS，效果類似于互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的DNS，用戶通過訪問預(yù)先定義好的URL，統(tǒng)一資源定位符即可訪問車載設(shè)備。

TCN-DNS采用分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)該方案，每個(gè)編組網(wǎng)內(nèi)由一個(gè)授權(quán)的DNS域名服務(wù)器來管理，如圖6所示，當(dāng)列車拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，通過列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議(TTDP)動(dòng)態(tài)獲取列車網(wǎng)絡(luò)信息，為各編組分布全局IP，分布式部署的DNS域名服務(wù)器根據(jù)TTDP分配的IP地址動(dòng)態(tài)調(diào)整域名與IP地址的映射關(guān)系，用戶配置的URL地址不需要隨之發(fā)生變化，簡化了用戶訪問設(shè)備的復(fù)雜度。

圖6 TCN-DNS域名服務(wù)器分布

2.4 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組是目前為數(shù)不多采用以太網(wǎng)作為列車控制網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的動(dòng)車組，因此網(wǎng)絡(luò)安全問題需要重點(diǎn)考慮。

區(qū)別于MVB網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度式總線網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的通信是由終端設(shè)備自主發(fā)起的，因此需要對終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行限制，在車輛級網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施流量限制措施，根據(jù)不同子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬需求，在車輛級交換機(jī)上針對不同子系統(tǒng)的控制器端口設(shè)定出口、入口流量閾值，避免由于單個(gè)子系統(tǒng)的失控網(wǎng)絡(luò)行為而造成車輛級網(wǎng)絡(luò)故障。

由于以太網(wǎng)的開放性和通用性，基于以太網(wǎng)的車輛控制網(wǎng)絡(luò)要注意防范來自公共網(wǎng)絡(luò)的侵?jǐn)_，時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組在車地傳輸業(yè)務(wù)上需要經(jīng)過部分公共網(wǎng)絡(luò)，因此在車載無線傳輸裝置連接無線網(wǎng)絡(luò)的接口位置部署網(wǎng)絡(luò)防火墻，如圖7所示，通過網(wǎng)絡(luò)防火墻規(guī)范車地通信的網(wǎng)絡(luò)行為，只有通信行為符合防火墻白名單設(shè)置的數(shù)據(jù)流才可以通過防火墻，以此來阻隔公共網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)威脅，防護(hù)車輛網(wǎng)絡(luò)的安全。

圖7 防火墻部署示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組在投入運(yùn)營前，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，涉及列車網(wǎng)絡(luò)的具體試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示，由中國鐵道科學(xué)院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所進(jìn)行試驗(yàn)、評價(jià)，確保在投入運(yùn)營前滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 時(shí)速250 km復(fù)興號動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)項(xiàng)目

其中地面互聯(lián)互通試驗(yàn)依據(jù)IEC 61375-2-3：2014和IEC 61375-2-5：2014對不同廠商的ETBN進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并在設(shè)備故障的工況下驗(yàn)證重聯(lián)功能的穩(wěn)定性和可靠性，若通過地面試驗(yàn)則意味著不同廠商的ETBN設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且能夠適應(yīng)各種故障工況，具備實(shí)車重聯(lián)試驗(yàn)的條件。

地面互聯(lián)互通試驗(yàn)包含以下項(xiàng)點(diǎn)：

(1) ETB初運(yùn)行試驗(yàn)。驗(yàn)證ETBN在重聯(lián)工況下能否正常按照標(biāo)準(zhǔn)完成列車網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行是列車重聯(lián)運(yùn)行的基礎(chǔ)，完成網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行意味著不同廠商的列車網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層完成了一致性操作。

(2) 操作初運(yùn)行試驗(yàn)。驗(yàn)證ETBN在重聯(lián)工況下能否正常按照標(biāo)準(zhǔn)完成列車操作初運(yùn)行，操作初運(yùn)行是基于列車網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行的互操作性識(shí)別，完成操作初運(yùn)行意味著不同廠商的列車網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用邏輯控制層面符合互操作性要求。

(3) IP映射試驗(yàn)。驗(yàn)證終端設(shè)備可以通過ETBN完成跨編組通信，完成IP映射試驗(yàn)意味著不同編組網(wǎng)內(nèi)部的終端設(shè)備可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

(4) 冗余功能試驗(yàn)。驗(yàn)證在部分ETBN設(shè)備故障的情況下，2列車的故障識(shí)別、冗余切換以及故障后的列車可操作性是否滿足技術(shù)要求。

(5) 穩(wěn)定性試驗(yàn)。驗(yàn)證在長時(shí)間重聯(lián)運(yùn)行的過程中，是否會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障。

(6) P報(bào)文通信協(xié)議試驗(yàn)。驗(yàn)證需要跨編組的列車級報(bào)文中的變量值是否符合技術(shù)要求。

(7) 顯示屏界面統(tǒng)型試驗(yàn)。驗(yàn)證2列車的司機(jī)臺(tái)顯示屏的各控制界面是否符合設(shè)計(jì)文件要求。

(8) 故障代碼測試試驗(yàn)。驗(yàn)證各種列車故障的故障代碼、顯示屏提示方式、提示內(nèi)容等是否一致。

4 結(jié)束語

復(fù)興號動(dòng)車組是首列采用以太網(wǎng)技術(shù)作為TCMS承載網(wǎng)的具備重聯(lián)功能的電力高速動(dòng)車組。如表3所示，與傳統(tǒng)的多功能車輛總線(MVB)式網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)的應(yīng)用極大提高了復(fù)興號動(dòng)車組列車的網(wǎng)絡(luò)性能，在傳輸速率、最小傳輸周期、最大傳輸報(bào)文等指標(biāo)上都有了極大的提升，為我國高速動(dòng)車組的智能化提升打下了技術(shù)基礎(chǔ)，為下一代高速列車的研制積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，引領(lǐng)了軌道車輛領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)革新，推動(dòng)了國家軌道交通行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。

表3 以太網(wǎng)與MVB網(wǎng)絡(luò)比較