以太網絡拓撲在軌道交通車輛中的應用分析*

張福景，張立斌，劉 佳

（中車大連電力牽引研發中心有限公司， 遼寧大連116052）

隨著計算機技術和列車控制網絡應用的不斷發展，目前軌道交通列車上普遍使用的MVB、CAN 等總線技術。由于總線網絡拓撲單一、信息傳播速度低、組網靈活性差、吞吐能力有限等原因，已經越來越不能滿足未來列車網絡控制系統的需求；而以太網具有設備成本低廉、開放性高、高通信帶寬、技術成熟等優點，成為軌道交通列車網絡的發展方向。2014 年左右，國際電工委員會制定 了IEC 61375-2-3 和IEC 61375-3-4 等 標 準［1-2］，進一步促進了以太網絡在軌道交通列車網絡控制中的應用。目前，加拿大龐巴迪公司開發的基于以太網的車輛網絡已經應用在德國和荷蘭開行的區域性列車上，用于管理車上所有的設備，并且和原有的TCN 網絡系統共同存在；在國內動力集中動車組上采用了整車以太網絡，并實現了通過以太網進行整車的控制。

1 常用以太網網絡拓撲

1.1 線性網絡拓撲

線性網絡拓撲實現各交換機之間的線性連接，沒有冗余措施，交換機之間的以太網線纜斷開或者交換機故障均會導致整個網絡的中斷。線性網絡拓撲連接簡單，實際應用中多用在列車簡單的維護網絡中，交換機一般使用非網管型交換機，以方便整車各設備的維護為目的，網絡的故障對整車的控制功能沒有影響，如圖1 所示。

圖1 線性網絡拓撲

1.2 環形網絡拓撲

環形網絡拓撲為各交換機之間相互連接并形成一個環形，這樣當交換機之間的連接線纜出現任意一處斷開時能夠保證整個網絡的完整性，從而實現網絡連接的冗余，提高網絡的穩定性。該連接方法在實際列車中應用較多，連接方式簡單又能實現網絡連接的冗余。采用該網絡拓撲連接的交換機需要為管理型交換機，環形網絡在物理上形成一個環形，為了避免出現網絡傳輸風暴，在邏輯上不能形成環形通信，需要在環形網絡中的一個交換機上進行邏輯配置，使得網絡在邏輯上斷開，當網絡上其他地方產生物理線纜斷開時能夠自動恢復邏輯通信，如圖2 所示。

圖2 環形網絡拓撲

1.3 梯形網絡拓撲

梯形網絡拓撲一般以車節為單位，每一車節內部的交換機之間進行環形拓撲連接，車節之間實現一節車的2 個交換機與下一節車的2 個交換機之間的互聯，這2 組交換機的互連線為冗余關系，一個連接線為主用線，另一個為備用線，線纜主備關系在交換機配置中進行設定，當為主的線纜出現故障時，備用線纜會自動啟用。梯形網絡拓撲的優勢體現在整個網絡存在車輛內部交換機之間的環形冗余和車節之間的主備冗余，這樣，當任意車節內部的任意線纜斷開，同時任意車節之間的任意線纜斷開，都不會影響整車網絡的整體通信功能，只有當車節之間連接的2 根線纜全部斷開或者是車節內部出現多個線纜斷點時才會影響整車網絡的完整性。梯形網絡拓撲應用在對網絡穩定性要求比較高的情況，需要交換機具有網絡配置管理功能，如圖3 所示。

圖3 梯形網絡拓撲

2 以太網網絡拓撲發展趨勢

2.1 雙端口連接的網絡拓撲

隨著以太網的普及，現在很多車載設備控制器含有2 個以上獨立的以太網接口，這就為今后向雙端口連接的網絡拓撲發展打下基礎。雙端口連接就是一個終端設備同時連接在2 個以太網交換機上，這樣當其中一個交換機故障時不會導致連接在該交換機上的終端設備與網絡斷開，上面討論的環形網絡拓撲和梯形網絡拓撲只是解決了當以太網線纜故障時保證整個網絡的完整性，但是當交換機本身發生故障時，該交換機所連接的終端設備就與整個網絡斷開了，而雙端口網絡拓撲很好的解決了這個問題。

圖4 雙端口連接網絡拓撲

在環形網絡中，當一個交換機發生故障時，整個環形網絡斷開，但是不影響整個網絡的完整性，同時，由于終端設備采用雙端口網絡，發生故障的交換機連接的終端設備可以通過另一個交換機與網絡上的其他設備進行數據交互，而不影響網絡整體通信性能，如圖4 所示。

2.2 適應多網融合的網絡拓撲

目前，在軌道交通車輛上，除了整車監控網絡外，還存在著各子系統內部互聯的網絡、整車維護網絡以及視頻傳輸網絡等，為了降低整車布線的難度，減少不必要的重復布線，整車各網絡之間的融合是今后的發展趨勢。 相比傳統的MVB、CAN、RS485 等網絡，以太網的傳輸速度有了顯著的提升，千兆以太網已經在工業以太網上普遍應用，為整車過程數據、視頻數據及突發性的維護數據等在同一個以太網絡上傳輸提供了條件。整車骨干網采用千兆以太網交換機形成列車級千兆以太網環網，在整車骨干網交換機的基礎上，每節車各功能子網的交換機分別接入相應車節的骨干網交換機上，各功能子網內部以及功能子網之間的數據交互全部通過整車骨干環網實現，如圖5所示。

圖5 適應多網融合的網絡拓撲

3 以太網網絡拓撲應用實例

某一4 輛編組的列車網絡拓撲圖如圖6 所示，整車網絡分為列車級和車輛級2 級網絡，整體網絡結構采用了適應多網融合的網絡拓撲，針對特定的設備采用了雙端口連接的網絡拓撲。

列車級網絡由CS1～CS4 這4 個交換機組成，4個交換機之間采用環形拓撲連接，保證交換機之間任意連接線纜斷開時不影響整車以太網通信，組成列車級網絡的交換機均為網管型交換機，為了實現特定的跨子網訪問功能，其中CS2 和CS3 配置為3 層帶路由功能的交換機，為了保證數據傳輸的帶寬，列車級網絡采用千兆以太網。

車輛級網絡均連接在各車節的列車級以太網交換機上，車輛級網絡根據功能不同，劃分為以下4 個子網：控制功能子網、維護功能子網、視頻傳輸子網和車地無線傳輸子網，子網的劃分保證不同的數據只在子網內部傳輸，避免了對其他設備的干擾，提高數據的傳輸效率?？刂乒δ茏泳W的設備盡可能多的直接連接到每一車輛的列車級交換機上，減少過程數據在交換機之間傳輸的延時，提高過程數據的實時性。視頻數據子網的數據主要來自車輛廣播系統，包括攝像頭及廣播信息等，這些設備首先連接到每節車廣播系統的交換機（PIS-CS）上，然后通過廣播系統的交換機連接到每節車的列車交換機上；維護功能子網的設備首先連接到每節車的維護交換機（MTC-CS）上，這樣連接能夠有效的減少每節車列車交換機的接點數，也便于設備就近連接，減少車輛布線。車地無線傳輸子網主要由T1和T2車的無線傳輸模塊（WDM）組成，2 個WDM 模塊為冗余關系，分別連接在不同的列車級交換機上，減少列車級交換機故障時對車地無線通信的影響；WDM 模塊需要從過程數據子網和視頻數據子網獲取過程和視頻等數據，需要WDM 模塊連接的列車級交換機具有路由功能。

在該列車網絡拓撲中，設備的子網掩碼為18位（255.255.192.0），其中第3 個字節掩碼192 所代表的高兩位用于子網劃分。高兩位全為0 代表過程數據子網；高位為0，低位為1 代表視頻數據子網；高位為1，低位為0 代表維護數據子網；高位為1，低位為1 代表車地無線傳輸子網。過程數據子網的起始IP 地址設定為：10.0.0.0/18，視頻數據子網的起始IP 地址設定為：10.0.64.0/18，維護數據子網的起始IP 地址設定為：10.0.128.0/18，車地無線傳輸子網的起始IP 地址設定為：10.0.192.0/18。根據上述子網IP 地址定義，給網絡拓撲中所有設備定義具體的IP 地址，根據圖6 的整車網絡拓撲圖搭建網絡測試平臺，過程數據子網按照IEC 61375-2-3 標準規定的TRDP 協議進行過程數據通信，通信周期采用20 ms；視頻數據子網傳輸4 節車共14 路攝像頭實時視頻信息、流媒體信息及語音信息等；維護數據子網進行設備診斷數據的實時下載測試；車地無線傳輸子網進行車輛運行實時數據通過4G 或者WiFi 向地面服務器實時傳輸數據的測試。測試結果表明：在所有子網同時進行最大負載數據傳輸的情況下，過程數據通信功能正常，過程數據的最大延時小于10 ms；視頻數據的實時顯示及存儲功能正常；子設備的維護及車地無線傳輸功能正常。

圖6 網絡拓撲應用實例

4 結束語

從應用的角度描述了現在軌道交通車輛上應用的不同類型的以太網拓撲，并分析各種網絡拓撲的優缺點，結合實際工程應用的實例，闡述了以太網拓撲的配置及工作原理，實際測試表明該網絡拓撲能夠很好的滿足車輛過程控制數據的實時性要求，滿足視頻數據、車地無線傳輸數據及維護數據等的數據通信帶寬要求。