基于以太網的第2代分布式列車網絡控制系統（DTECS―2）

趙 冬　楊奇科　葉 彪

（中國中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

基于以太網的第2代分布式列車網絡控制系統（DTECS―2）

趙 冬楊奇科葉 彪

（中國中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

摘 要長沙市軌道交通1號線車輛采購項目的其中1列車被要求采用基于以太網的第2代分布式列車網絡控制系統。介紹了該系統的功能需求、系統架構、系統性能，并與傳統的基于MVB（多功能車輛總線）的分布式列車網絡控制系統進行了比較。

關鍵詞地鐵列車；分布式列車網絡控制系統；以太編組網

Author＇s address CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，412001，Zhuzhou China

隨著經濟和社會發展，現代軌道交通裝備制造業正向著高速化、智能化、集成化進行跨越式的高速發展。分布式網絡控制技術由于擁有集成化高、智能化高、維護簡便、成本低等優勢，已成為現代軌道交通裝備制造特別是車輛集成制造的關鍵技術之一，且隨著大量使用分布式網絡控制技術的軌道交通車輛得到越來越多的用戶使用，該技術變得日趨成熟、穩定，成為軌道交通車輛的標準配置。然而，用戶對該技術提出了更加復雜的要求，如希望能夠實現更加快速的響應、更加高的集成化、更加高的性價比等，要求實現網絡遠程診斷與維護、旅客信息與舒適性支持、統一高效的智能化決策支持等。

近年，工業交換式以太網技術異軍突起。由于具有優異的高速傳輸性能、開放的網絡協議棧、幾乎任意的擴展性能、多樣的產品設計制造商、豐富的測試驗證手段等優勢，其逐漸壟斷了工業自動化和過程控制市場。在軌道交通用戶和業內專家組織的共同推動下，IEC TC 9（The International Electrotechnical Commission Technical Committee 9：Electrical Equipment and Systems for Railways）起草，并于2014年3月正式發布IEC 61375-3-4《軌道交通電氣設備—列車通信網絡—以太編組網》標準（以下簡稱“ECN標準”），為實現市場對軌道交通裝備制造業提出的更高要求注入了新的技術力量。

中國中車株洲電力機車有限公司目前正在生產的長沙市軌道交通1號線車輛采購項目（以下簡稱“CSL1項目”）共包含23列列車（B型車輛，6節編組），列車以帶司機室拖車（Tc車）、帶受電弓動車（Mp車）和不帶受電弓動車（M車）各2節按照=Tc -Mp-M*M-Mp-Tc=的基本編組方式構成。其中，22列車仍采用中車時代電氣提供的基于傳統MVB（多功能車輛總線）分布式列車網絡控制系統（以下簡為DTECS系統）；1列車作為概念性研發，采用中車時代電氣提供的基于ECN標準的第2代分布式列車網絡控制系統（以下簡為DTECS—2系統），該車由公司完全獨立研發并具有自主知識產權，是首次裝車嘗試，它將為未來列車網絡控制系統升級和研究性試驗提供案例和平臺。

本文對DTECS—2系統的有關功能需求、系統架構、系統性能作簡要分析，并與DTECS系統進行一系列比較。

1　系統功能

DTECS—2系統的整車集成應用功能如下：

（1）列車控制及監視，包括列車控制設備（含所有車載分布式微機控制模塊、司控器、主斷路器以及與運行安全相關的I∕O（輸入∕輸出）信號）的通信、控制、信息顯示、事件記錄等功能。

（2）列車控制設備的故障診斷與安全導向。

（3）開放的軟件接口，方便用戶或整車系統集成商進行應用層開發。

（4）車載多媒體設備（如視頻監控和音視頻媒體）的網絡化傳輸，實現媒體網絡與控制網絡的數據交互。

（5）系統與車地無線通信網絡的無縫接入，實現入庫數據自動下載。

上述（1）、（2）、（3）功能均在DTECS系統中得到成熟應用。DTECS—2系統的功能與DTECJ系統類似，但其將車載多媒體設備以及車地無線通信網絡接入到系統中，在布線簡單化和經濟性方面具有優勢。

目前DTECS—2系統尚處于概念性研發階段，為保證其可靠性和兼容性，在硬件結構設計上考慮采用以太網系統和MVB系統共有的形式。其具體構成形式為：列車級控制總線采用ECN環網方式，車輛級控制總線采用MVB與ECN共用的方式，實現列車監控系統（TCMS）、牽引控制系統（DCU）、輔助供電控制系統（SIV）、制動控制系統（BCU）、列車自動駕駛系統（ATS）、車門控制系統（EDCU）、乘客信息系統（PIS）、空調控制系統（HVAC）、視頻監控系統（CCTV）和車地無線通信系統（WAN）互聯互通。TCMS包括以太網版本列車控制模塊（VCM -M）、車輛控制模塊（VCM）、事件數據記錄模塊（EDRM）、人機操作模塊（HMI）、數字量輸入∕輸出模塊（DXM）、模擬量輸入輸出模塊（AXM）、以太網版本列車數字量輸入輸出模塊（EIOM））。

CSL1項目的DTECS—2系統列車級控制拓撲結構如圖1所示。

2　系統結構

圖1　DTECS—2系統列車級控制硬件拓撲結構圖

其中ECNN為DTECS—2系統專用以太網交換機。該系統利用一套以太網列車環網構成列車級核心交換網。目前，該列車核心交換網的傳輸速率為100 Mbit∕s。

ECNN有16個100 Mbit∕s全雙工以太網端口、1個DEBUG端口、1個CONSOLE端口和1個電源接口，具有連接速度及雙方連接自動協調、自動交叉，以及自動極性、自動發現、自動路由和自動地址分配（DHCP和DHCP中繼）功能，基本實現零配置即插即用。必備的生成樹協議（Spanning Tree Protocol∕Rapid Spanning Tree Protocol IEEE 802.1d∕802.1w）提供了組建以太環網的功能，且生成樹自愈時間達到ms級別。DEBUG端口和CONSOLE端口提供不同管理級別的網絡管理功能，可以使用通用的SSH或SNMP（V1）等開放協議方便地進行管理和調試。

在DTECS—2系統車輛級控制系統中，Mp車和M車結構相似，Tc車和Mp車∕M車結構有非常大的不同。DTECS—2系統Tc車車輛級控制拓撲結構如圖2所示。Mp車、M車車輛級控制拓撲結構如圖3所示。其中，硬線I∕O信號主要指涉及到司機操作以及安全相關的列車線信號。

在DTECS—2系統中每節車都有一個VCM，該模塊基本上不承擔控制和邏輯判斷的功能，主要是將MVB總線的數據轉換為以太網數據發送到以太網列車線上，其DTECS系統中的邏輯控制功能（包括司機室激活控制、方向選擇控制、緊急牽引控制、高速斷路器開閉控制、空電聯合制動控制、保持制動控制、安全連鎖控制、庫用電源和庫內動車控制、空調啟動順序控制、擴展供電控制）在DTECS—2系統中由VCM-M模塊來完成。

由于ATS和EDCU暫時沒有接入到DTECS—2系統的以太網接口，Tc車的PIS和CCTV的控制命令（如報站命令等）仍然需要由MVB總線授予。Mp車、M車的PIS和CCTV可直接讀取媒體以太網的音視頻信息，因此不必再接入到MVB總線。

圖2　DTECS—2系統Tc車車輛級控制硬件拓撲結構圖

圖3　DTECS—2系統Mp車、M車車輛級控制硬件拓撲結構圖

另外，在ECNN內部，將媒體以太網與數據以太網劃分為不同VLAN（虛擬局域網），利用IGMP （Internet Group Management Protocol）協議對媒體數據和控制數據設定不同的優先級并進行組播∕多播，設定不同的QoS（服務質量）等級，以保證在交換網絡中媒體數據與控制數據以規定隊列發送∕接收，有效利用帶寬，減少沖突。

由此可以看出，DTECS—2系統的拓撲結構比傳統DTECS系統的拓撲結構要復雜一些，而且需要增加VCM-M、EIOM、ECNN等模塊，每節車都必須有一個VCM模塊。這將給成本、總體設備布置設計以及調試等方面帶來一些困難，但該系統將PIS、CCTV等設備獨立網絡或獨立硬線集中到TCMS網絡中，對于布線以及故障處理等方面則帶來了不小的便利。

3　系統性能

根據IEC 61375系列標準，列車通信網絡屬于實時網絡，因此，實時性、可靠性是列車通信網絡系統的重要性能指標。對于地鐵列車網絡控制系統，設計過程中主要參考的技術指標有網絡通信速率、支持的數據類型、端口種類和數量、數據傳輸距離、網絡節點類型和數量、主要數據導致的網絡負荷、網絡延遲、可靠性保障方式、可維護性保障方式、協議開放性、成熟應用案例以及成本價格等。限于篇幅，本文僅對DTECS—2系統的主控模塊網絡負荷和網絡延遲進行計算分析。

3.1主控模塊網絡負荷計算

DTECS—2系統與傳統DTECS系統均屬于列車通信網絡（TCN），其網絡數據可分為3種數據類型：用于輪詢牽引、制動、緊急制動、超速保護等信息，以及對實時性要求非常嚴格的周期性過程數據；用于響應司機室查詢等操作的偶發性隨機數據；用于設備配置、設備狀態監視和故障診斷的偶發性消息數據。

首先，需要明確哪些數據參與主控模塊網絡負荷計算。

媒體數據和控制數據分別屬于不同的組播∕多播組，主控模塊CPU（中央處理器）不接收和處理媒體數據包。此外，偶發性的隨機數據包和偶發數據包在理論計算時是不可預測的，其數學統計模型符合帕累托分布和泊松分布，對于主控模塊的網絡負荷非常小，因此偶發性數據負荷計算不在此列。本文僅分析過程數據包對于兩種系統中主控模塊所產生的網絡負荷。

對于分布式計算系統，主控模塊的網絡負荷通常用模塊單位時間內接收和發送的數據包數量來進行評判。其計算式如下：

式中：

Lrx——主控模塊網絡接收負載；

i——過程數據類型的數量；

n——列車中設備的數量；

t——單位時間，通常取1 s；

T——過程數據交換周期；

Ltx——主控模塊網絡發送負載；

j——不同過程數據交換周期的數量。

注：每一次過程數據的交換都需要主控模塊接收并處理1個過程數據應答數據包。相同的過程數據交換周期內，主控模塊僅需要組播∕多播1個過程數據請求數據包。

表1列出了DTECS—2系統中其他模塊與VCM-M發生過程數據交換的時間周期。

表1　DTECS―2系統中其他模塊與VCM―M發生過程數據交換的時間周期

將表1數據代入式（1）、式（2），可得VCM-M網絡的接收負載（數據包）為960個∕s，發送負載（數據包）為160個∕s。

表2中描述了DTECS系統中其他模塊與VCM發生過程數據交換的時間周期。

表2　CSL1項目的DTECS系統中其他模塊與VCM發生過程數據交換的時間周期

將表2數據代入式（1）、式（2），可得VCM網絡的接收負載（數據包）為1 117.2個∕s，發送負載（數據包）為35.2個∕s。

3.2網絡時延

DTECS—2系統與傳統DTECS系統均屬于共享介質型網絡，即同一時刻只能有一個數據幀在網絡中傳輸。但是對實時性要求較高的TCN，二者均采用了優化的介質分配方法，如在DTECS—2系統中利用優化的媒體訪問控制（MAC）過程，實現了全雙工交換式以太網，而在DTECS系統中有總線主角色進行總線傳輸仲裁。因此，本文僅計算數據幀在兩種系統中無碰撞傳輸的理論最大時延。

在DTECS—2系統中，數據幀經過交換機進行傳輸，其傳輸時延包括四部分：幀收發時延、交換時延、線路傳輸時延、幀排隊時延。數據幀經過一個交換機的最大時延可由下式計算：

Lmax= m（Lsf＋Lsw＋Lwl＋Lq）（3）式中：

Lmax——數據幀在整個交換網絡中傳輸的最大時延；

m——數據幀需要經過的最大ECNN數，在CSL1項目中ECNN共有6個；

Lsf——數據幀收發最大時延，以太網數據幀最大為1 000字節，傳輸速度按100 Mbit∕s計算，Lsf=80μs；

Lsw——最大交換機轉發時延，其取決于交換機的內部特性，根據經驗，Lsw=3.5μs；

Lwl——最大線路傳輸時延，其取決于網絡線纜特性和線纜長度，網絡線路采用雙絞線，在最惡劣的傳輸條件下，雙絞線纜信號傳輸速率取2∕3光速，以太網中單根線纜最大長度為100 m，Lwl=0.5μs；

Lq——數據幀排隊時延（即數據幀轉發等待時間），其為概率性時延，取決于網絡負載率，在交換式以太網中最大數據幀排隊時延可認為與數據幀收發最大時延一致，為80μs。

將上述數據代入式（3）計算可知，在DTECS—2系統中，整個網絡的最大數據幀傳輸延遲為984μs。

對于傳統DTECS系統中，網絡最大數據幀傳輸延遲亦由式（3）計算得到，其參數取值如下：

m——數據幀需要經過的最大中繼模塊（REP）數，在CSL1項目中REP共有6個；

Lsf——最大數據幀長度為256位，其傳輸速率按1.5 Mbit∕s計算，則Lsf約為170.667μs

Lwl——帶變壓器耦合的電氣中距離（EMD）線纜最大長度為200 m，在最惡劣的傳輸條件下，EMD線纜信號傳輸速率取1∕2光速，則Lwl約為0.67μs；

Lsw——最大REP轉發時延，其取決于REP內部特性，根據經驗，Lsw約為3μs；

Lq——取值與Lsf一致，取170.667μs。

將上述數據代入式（3）可知，在DTECS系統中，整個網絡的最大數據幀傳輸延遲約為2.07 ms。

以上數據僅作為理論上的簡單計算，重點在于介紹DTECS—2系統的網絡延遲規律。由于兩種網絡對數據報文的處理機制不同，故對于網絡延遲要求及延遲處理方法也不相同。實際上DTECS—2系統與DTECS系統在網絡時延方面并無可比之處，不能一概而論孰優孰劣。

4　結語

基于ECN標準的網絡控制列車具有優異的性能，能夠承載更加多樣化的數據、更高的傳輸性能、更低的網絡負載率以及更低的成本。本文介紹的DTECS—2系統是一種基于以太網和MVB并存的列車網絡控制系統的設計樣本。作為創新嘗試，DTECS—2系統目前尚未得到實踐裝車驗證，其性能和可靠性在實際應用中會遇到較大問題。但筆者認為，這樣的嘗試是大勢所趨，架設全以太網化列車網絡控制系統的需求今后將越來越多。

參考文獻

［1］ IEC 61375-1：1999 Electric Railway Equipment-Train Bus -Part 1：Train Communication Network［S］.

［2］ IEC 61375-3-4：2014 Electric Railway Equipment-Train Communication Network -Part 3-4：Ethernet Consist Network［S］.

［3］ 劉建偉.軌道車輛MVB通信網絡的實時特性［J］.中國鐵道科學，2006，27（6）：79.

［4］ 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（4）：62.

Distributed Train Network Control System-2 Based on Ethernet Network

Zhao Dong，Yang Qike，Ye Biao

AbstractIn the procurement project of Changsha metro Line 1，one train is required to adopt the 2nd generation distributed train network control system based on Ethernet network.In this article，functional requirements，architecture and performance of the system are introduced，which is also compared with the traditional distributed train network control system based on multifunction vehicle bus（MVB）.

Key wordsmetro train；distributed train network control system（DTECS）；ethernet consist network

中圖分類號U 231.6

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.016

收稿日期：（2014-06-05）