基于工業(yè)以太網的動車組列車網絡技術研究

王沛東，孔 元

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

列車網絡控制系統(tǒng)是動車組的核心組成部分，如同動車組的大腦和神經，負責對動車組牽引、制動、輔助供電、車門、空調等系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和診斷。傳統(tǒng)的列車通信網絡技術包括 TCN、Arcnet、World FIP、Lon-Works、CAN等，可以基本上滿足列車上各種設備的監(jiān)控需要，但這些總線的傳輸速率較低，當傳輸內容增多時，帶寬將成為瓶頸［1］；而且組網拓撲結構單一。隨著列車網絡應用的不斷擴展，例如視頻監(jiān)控和車廂級多媒體等業(yè)務的應用，以及診斷數據的不斷增多，使得列車網絡上需要傳輸的信息越來越多，傳統(tǒng)列車網絡已經不能支持如此大容量的數據傳輸要求。

工業(yè)以太網提供了針對控制網絡數據傳輸的以太網標準，具有很高的通信速率，而且組網靈活方便。隨著以太網技術的不斷發(fā)展和完善，阻礙其用于工業(yè)控制現場的固有缺陷如通信實時性、總線供電等都已得到了很大程度的改善。以太網用于工業(yè)現場已成為控制網絡的發(fā)展趨勢，也是列車網絡控制技術未來的發(fā)展方向。因此本文針對基于工業(yè)以太網的動車組列車網絡技術進行了研究。

1 工業(yè)以太網技術介紹

以太網是當今局域網采用的最通用的通信協(xié)議標準，遵循IEEE 802.3標準，可以在光纖或者雙絞線上傳輸。工業(yè)以太網技術是商用以太網技術在工業(yè)控制領域延伸的產物［2］，其在技術上與商用以太網兼容，但材質的選用、產品的強度和抗干擾性方面更能滿足工業(yè)現場的需要。

以太網是標準的開放式網絡，任何廠商都可以參與。不同廠家的產品很容易互聯(lián)互通。以太網控制器生產廠家眾多，價格便宜，使用廣泛，有豐富的軟硬件資源可供開發(fā)人員和用戶利用和參考。以太網接口開放，容易與信息網絡集成。

目前在工業(yè)控制領域，現場總線存在多種標準，不同網絡之間通信困難，難以互相兼容。而以以太網為代表的網絡通信技術卻以其協(xié)議開放、兼容性、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了廣泛的技術支持，得到了迅速發(fā)展，逐漸成為工業(yè)控制網絡發(fā)展的主流技術。國際上各種現場總線組織紛紛加入到以太網的研究行列中來，將以太網技術補充到原有的現場控制體系中，推出了結合以太網的現場總線高速部分，例如現場總線基金會的HSE（High Speed Ethernet）；PI（Profibus International）的ProfiNet；CI（ControlNet International）的Ether Net／IP；P-NET用戶組織的P-NET-on-Ethernet等。以太網在工業(yè)控制領域已得到規(guī)模型應用。

與現場總線相比，以太網因其所具有的價格低廉，通信速率高，應用廣泛等優(yōu)點，不僅壟斷了辦公自動化領域的網絡通信，而且在工業(yè)控制領域的信息管理層和控制層等中上層網絡通信中也得到了廣泛應用。并有直接向下延伸應用于工業(yè)現場設備層通信的趨勢。隨著基于網絡的遠程診斷與維護、旅客信息與舒適度支持等新的用戶需求的提出，以太網不僅可以成為列車網絡中的高層信息網絡，也極有可能上下貫通直接與下層車載控制設備相連，從而形成車輛控制與信息服務相結合的新型列車網絡控制系統(tǒng)，實現控制網絡與信息網絡的有機融合。

2 基于工業(yè)以太網的動車組列車網絡技術分析

2.1 工業(yè)以太網應用于列車網絡的優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)列車網絡系統(tǒng)相比，以太網用于列車網絡主要具有以下優(yōu)勢：

（1）數據傳輸速率高。以太網傳輸速率已經從10 Mb／s提高到現在的 100Mb／s、l 000Mb／s甚至 10 Gb／s，完全能夠滿足列車網絡系統(tǒng)中大容量高速數據傳輸的需要。

（2）組網方便靈活。以太網支持多種物理傳輸介質和拓撲結構，組網靈活，管理簡單。

（3）應用廣泛。便于和其他設備進行接口，很容易在列車網絡中擴展其他具有以太網接口的設備。

（4）價格低廉，有利于降低列車網絡系統(tǒng)成本。以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，以太網控制器生產廠家眾多，價格便宜。相對于目前ARCNET等列車網絡，硬件價格相對低廉得多。

（5）集成度高，占用空間小。隨著以太網技術的不斷發(fā)展和成熟，集成度日益提高，有利于列車網絡系統(tǒng)中智能控制單元體積的減小和結構的精簡。

（6）容易與信息系統(tǒng)集成。采用以太網，能夠非常方便地接入信息系統(tǒng)，實現信息的共享，方便地面工作站通過以太網下載數據，獲取列車運行過程中的實時信息。

基于工業(yè)以太網的迅速發(fā)展和諸多優(yōu)勢，國際電工委員會IEC也開始著手推出支持以太網的列車通信網絡標準，旨在推動以太網技術在列車網絡控制領域的全面應用，其中包括用于車輛總線——以太網的IEC 61375-3-4，和用于列車總線——以太網的IEC 61375-2-5。

2.2 工業(yè)以太網應用于列車網絡的不足及相應解決方法

以太網具有比傳統(tǒng)列車網絡高得多的傳輸速率，但并不是真正的實時網絡。這是因為標準的以太網協(xié)議是以 CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection，載波多路訪問／沖突檢測）技術為基礎，如果兩個節(jié)點同時試圖發(fā)送數據，就會產生沖突。在這種情況下，訪問機制首先確保節(jié)點停止傳輸數據，而后根據預定義的隨機選擇算法，節(jié)點再次嘗試發(fā)送數據。這個過程一直重復直至沖突消失。上述機制保證了數據的安全發(fā)送，可是不能保證數據傳輸的實時性和確定性［3］。要想使以太網技術在不改變其現有標準的前提下更好地應用到列車網絡控制系統(tǒng)，需要采用合適的策略加以解決。

針對以太網實時性和確定性的問題，主要有以下幾種解決方案：

（1）提高網絡傳輸速率：實際應用經驗表明，對于共享式以太網，網絡負載在30%以下時，高速以太網發(fā)生沖突碰撞的可能性極小，負載在10%以下時，以太網碰撞概率幾乎為零［4］。數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負載的減輕，從而可以在一定程度上減小沖突發(fā)生的概率，提高網絡的實時性和確定性。

（2）采用交換式以太網：采用交換式以太網技術，隔離各端口之間的信息流，使原來的共享式帶寬變?yōu)楠氄际綆?，從而使工業(yè)以太網的實時性和確定性得到很大提高。

（3）修改媒體訪問控制協(xié)議：位于以太網數據鏈路層的CSMA／CD協(xié)議是導致以太網通信不確定性的根本原因，因此修改以太網MAC層協(xié)議是改變以太網不確定性最直接的方法。典型代表有RT-CSMA／CD協(xié)議、CSMA／DCR協(xié)議等。

（4）增加實時通信控制層：在保留標準以太網接口的基礎上，在MAC層上增加一個用于實施確定性調度的控制層。

2.3 工業(yè)以太網在動車組列車網絡控制系統(tǒng)中的應用方案

工業(yè)以太網在動車組列車網絡控制系統(tǒng)中的應用主要有以下兩種方案：

（1）工業(yè)以太網與現有列車網絡相結合。保持現有列車網絡結構和主要功能不變，對于數據量較大、傳輸速率要求較高的任務，采用工業(yè)以太網設備。以太網與列車總線通過通信網關進行接口。目前已經有相應的網關用于以太網和傳統(tǒng)列車網絡之間的通信。例如意大利Far Systems公司推出的WTB-Ethernet轉換網關RACSNET-WCN，可以將以太網連接到TCN列車通信網絡的WTB總線上。其典型網絡結構如圖1所示。

圖1 工業(yè)以太網與現有列車網絡相結合的典型結構

（2）以工業(yè)以太網為主構成列車網絡。整個列車網絡全部采用工業(yè)以太網，以全雙工交換式以太網作為整列車信息傳輸的通道，以解決以太網實時性的問題。國際電工委員會IEC著手推出的車輛總線——以太網標準IEC 61375-3-4和列車總線——以太網標準IEC 61375-2-5，即是為了推動以太網技術在列車網絡控制領域的全面應用。在網絡結構設計時，可以在每個車廂內設置一個交換機（見圖2），將整個以太網列車網絡劃分為多個沖突域，以便使各個以太網節(jié)點獲得更高的帶寬。下面的仿真分析部分針對此種方案進行了建模仿真。

圖2 以工業(yè)以太網為主的典型網絡結構

3 仿真分析

采用網絡仿真工具OPNET Modeler對以太網在列車通信網絡中的應用進行了仿真驗證。OPNET Modeler是一個網絡仿真技術軟件包，它能夠準確的分析復雜網絡的性能和行為，在網絡模型中的任意位置都可以插入標準的或用戶指定的探頭，以采集數據和進行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數字方式觀察、或者輸出到第三方的軟件包去。其產品結構有三個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在電信、軍事、航天航空、系統(tǒng)集成、咨詢服務、大學、行政機關等方面得到了廣泛應用。

圖3 基于以太網的列車網絡模型圖

針對8輛編組的動車組進行基于工業(yè)以太網的列車網絡仿真，每節(jié)車廂長度設為25m。其中每節(jié)車廂各設置一個16口的以太網交換機，以便將整個列車網絡劃分為8個沖突域。每個車廂內有8個以太網終端節(jié)點連接到交換機，設置數據庫訪問應用對業(yè)務流量進行模擬，在第3節(jié)車廂放置一個服務器對網絡負載進行觀察和分析。各節(jié)點與交換機、交換機與交換機之間的鏈路采用100BaseT全雙工鏈路，整個網絡模型如圖3所示。

圖4 基于以太網的列車網絡負載

圖5 基于以太網的列車網絡延時

基于此模型，將仿真持續(xù)時間設為0.5h，進行仿真。圖4為整個網絡的負載圖。可以看出當網絡穩(wěn)定后網絡負載在2.5Mb／s左右，相對于100Mb／s的帶寬，負載遠低于10%，能夠保證網絡的實時性和確定性。

圖5為仿真得出的網絡延時，可以看出收斂后的延時平均值在1ms左右，具有較低的時延，傳輸性能良好，能夠滿足列車網絡數據通信的要求。

4 結束語

對工業(yè)以太網在動車組列車網絡中的應用進行了研究，對工業(yè)以太網應用于列車網絡的優(yōu)勢進行了分析，并分析了工業(yè)以太網應用于列車網絡的不足及相應的解決方案。提出了工業(yè)以太網在動車組列車網絡控制系統(tǒng)中的應用方案，并利用網絡仿真工具OPNET進行了建模和仿真分析，驗證了工業(yè)以太網應用于列車網絡的可行性。

隨著工業(yè)以太網技術的日趨成熟，應用領域不斷擴展，將吸引越來越多的生產廠商致力于開發(fā)符合鐵路應用標準的高可靠性、高擴展性及高智能以太網系列產品和控制器，從而推動工業(yè)以太網技術在列車網絡控制領域的全面應用。

［1］陳明可.以太網在城軌車輛上的應用前景［J］.鐵道機車車輛，2010，30（04）：62-64.

［2］黃 軼，胡鵬飛.工業(yè)以太網在列車網絡中的應用設計［J］.鐵道運營技術，2011，17（1）：40-45.

［3］康葆榮.工業(yè)以太網實時性問題及解決方案［J］.電腦開發(fā)與應用，2006，19（7）：38-40.

［4］Erik V，Stefan R，Ulrich R.Measurements in switched Ethernet networks used for automation systems［A］.WPCS-2000［C］.Portugal：2000IEEE：231-238.