基于絞線式列車總線-以太網網關的網絡通信冗余的應用

劉巍 潘宇波 邵忠俊

【摘要】? ? WTB總線是目前軌道交通行業使用較為普遍的現場總線協議，WTB-ETH網關設備作為機車互聯互通的關鍵設備，每臺機車上均需要兩臺互為熱備的WTB-ETH網關設備，該設備主要是進行機車間控制、操作、實時狀態信息的傳輸，考慮到機車互聯互通的安全性、可靠性，需要將每臺機車上互為熱備的兩臺WTB-ETH網關設備設計成互為冗余的狀態，因此本論文設計了一種設備網絡通信冗余的方法，重點闡述了該方法的網絡通信冗余的機制。應用結果表明，設計能夠充分的滿足軌道領域的各項功能指標的技術要求。

【關鍵詞】? ? WTB? ? 冗余? ? 熱備? ? 網絡通信

目前國內的軌道交通領域使用的高速鐵路列車現象總線普遍使用WTB、MVB總線，WTB總線為絞線是列車總線每秒最大傳輸速率為1Mbps，可以實現機車間過程數據和消息數據的傳輸，其最大的特點就是具備列車初運行功能，滿足列車隨機動態編組的需求;而MVB總線為多功能車輛總線，每秒最大傳輸速率為1.5Mbps，被用來作為車輛內互聯設備之間的串行數據通信，對于目前的機車網絡系統的需求，WTB、MVB總線能夠滿足當前需求;

一、機車微機網絡系統基礎

針對當前的國內軌道交通市場，由于其特殊性對機車上使用的設備有著不同的需求，與國際市場上的機車存在著區別，但是對于國內的軌道交通領域的機車使用的用于通信的現場總線均是采用的國際標準，在機車通信網絡中普遍使用WTB總線、MVB總線、CAN總線、RS485總線以及以太網等，對于本設備使用WTB總線以及以太網，WTB總線做為列車級通信總線，其主要實現過程數據和消息數據的傳輸，其最大特點是具有列車初運行功能（列車初運行功能即當列車車輛的組成發生變化后，可以自動地對各車輛進行重新編組，最后形成新的車輛拓撲結構，在這個過程中的操作均為自動，不需要人為的介入），WTB總線使用周期性的傳輸過程數據，其傳輸數據的基本周期為25ms的整數倍，一次傳輸數據的最大長度為128字節，其中總線上的過程數據采用廣播的方式進行傳輸，在編組中的每個節點除了能收到本節點的過程數據還能收到其他節點的過程數據，因此就能更全面的將編組中其它車輛的信息展示在本車顯示屏，而WTB總線傳輸的消息數據就采用的是非周期的傳輸方式，一般為觸發性傳輸，微機系統拓撲見圖2;以太網部分遵循國際標準化組織（ISO）在1979年建立一個分委員會專門研究一種用于開放系統互聯的體系結構，一個系統可以和位于全球任何地方的且也遵循OSI標準的系統進行連接。國際標準中的OSI模型從底到上分為七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層及應用層，在TCP/IP模型中則分為四層，分別包括網絡訪問層、互聯網層、傳輸層、應用層，其中傳輸層和互聯網層與OSI模型的傳輸層與網絡層一一對應，具體模型對比見圖1。

在TCP/IP協議棧中出棧數據均進行封裝和標識，從而傳遞給下一層，當接收方接收到封裝的數據后檢查標識并去掉各層協議的封裝獲取傳輸的數據。

二、IEC 61375-1-2007協議

在IEC 61375-1-2007協議中，介紹了當前列車主要使用的絞線式列車總線在列車間的相互連掛與解連的應用，其中編組連掛與解連涉及到設備間的主權分配與節點命名（初運行機制），每一個節點設備都是一個獨立的個體，在進行連掛的過程中節點之前通過向兩個方向發送檢測請求及應答幀判斷兩個方向是否有待加入的節點，通過檢測應答幀進行節點確認，而后對各個已識別的節點設備按照一定的邏輯進行編組命名，反之亦然，通過該方式完成編組的連掛與解連，在協議中具體規定了通過初運行機制發送的各類幀，幀長度，以及幀的定義與頻率，在整個編組中中間設備出現故障時將不會影響當前編組，當末端節點設備出現故障時將導致再次初運行，從而形成新的編組，該重新編組的過程持續不到10s，通過協議中規定的機制進行節點設備冗余機制的實現。

三、當前網關冗余設備的實現機制

對于軌道交通領域的特殊性，設備的可靠性是該行業的重中之重，而對于已經過該領域要求測試的設備也不可避免的會出現故障，特別是為了保證重要數據的實時傳輸，完成實時數據的無縫節切換，因此設備冗余能夠更好的完成列車對可靠性的要求，在列車間通信中，WTB-ETH網關占據重要角色，他主要擔負兩車之間重要數據的傳輸，因此其可靠性至關重要，在此對于可靠性的需求我們將WTB-ETH網關設備中實現冗余處理，具體實現方法：每臺列車上安裝兩臺互為冗余的WTB-ETH網關設備，其設備IP分別設備為192.168.1.4與192.168.1.5，同一節車的兩個設備均連接在車載交換機上，并且均以廣播的通信方式與TCU進行以太網通信，在網關程序內部使用單播通信僅發送WTB初運行后分配的節點索引以及設備心跳到互為冗余的設備，互為冗余的兩個網關接收到對方的數據后按照定制的主選/備選設備的協議將節點索引小的設備定義為首選網關并在發送給TCU數據的UIC報頭中將首選標志位置1，反之備選網關將該位置0，此時TCU雖然接收到兩個網關的數據，但是只是處理首選網關的數據;同時，互為冗余的兩個網關設備時刻通過單播通信監控著對方，一旦之前確定的首選網關出現故障或者脫離局域網，備選網關無法繼續接收到監控數據，此時備選網關將自己發送的UIC報文中的首選網關標志位置1，該標志位被封裝在WTB數據中進行傳輸，根據WTB協議規定每個設備均對應一個端口號，無論是設備是否發生故障，還是脫離局域網，只要是整個WTB編組中未發生初運行，則端口號與設備均形成對應關系，并且均可以從設備對應的端口號中讀取數據，此時其他網關設備將從出現故障或者脫離局域網的設備端口中讀取的數據的首選網關標志位置0，整個過程就完成了首選網關與備選網關的切換，該套機制解決了如下幾種情況：首選網關出現故障、首選網關脫離局域網、首選網關出現故障后又自動恢復、首選網關又重新加入網絡、首選網關電源被切除、首選網關電源恢復等。詳細邏輯見圖3。

四、結束語

本文針對列車車載設備的通信可靠性要求，保障車載設備通信的穩定性，設計一款車輛間通信WTB-ETH網關的冗余的方法，重點闡述了冗余機制的切換以及冗余設備之間的監控，防止WTB-ETH網關設備出現故障后影響到機車的正常運行，并搭建測試平臺對該邏輯進行長時間測試，模擬出現故障的各種可能性，確保該邏輯的穩定可靠。

參? 考? 文? 獻

[1] IEC.IEC61375-1-2007.Part 1：Train Communication Network

[2] TJJW059-2015：交流傳動機車TCN網絡互聯互通暫行技術條件

[3]李洋濤.TCN列車網絡技術現狀與發展[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，12（1）：4-7

[4]曾陸洋.基于以太網的列車通訊網絡節點設計與實現[D].北京：北京交通大學，2014