列車車輛級以太網拓撲可靠性分析研究*

李元軒

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

列車網絡控制系統承擔著列車各類控制指令的發送、接收和處理的重要功能。近年來，網絡控制系統在各類高速動車組、城軌車輛和機車車輛的應用中普遍使用以太網作為信息承載的平臺進行控制數據的傳輸［1］。合理的網絡拓撲設計可以提升列車以太網信息傳輸的可靠性和可用性。

國內外的列車以太網拓撲的設計中普遍參考國際電工技術標準化組織IEC（International Electro?technical Commission）發 布 的IEC 61375-2-5［2］、IEC 61375-3-4［3］標準設計列車網絡控制系統拓撲結構，列車級交換機間統一使用線形拓撲結構，而在車輛級交換機間網絡采用線形拓撲、環形拓撲或具有冗余設計的網絡拓撲，未形成統一的解決方案，車輛級交換機與子系統終端間為星形拓撲，但是否有冗余線路各個實際項目在部署中也不盡相同。造成車輛級不統一的可能原因可以歸納為如下幾點：（1）可靠性要求不同；（2）成本要求不同；（3）施工難易程度接受能力不同；（4）安全性要求不同。除去與技術相關性不大的兩個因素，可靠性要求應進行更為詳細的研究與分析。列車控制網絡作為工業通信網絡的重要技術分支，可靠性計算可參考基于IEC 62439-1［4］的高可用性自動化網絡計算標準分析列車以太網的相關特性。文中針對列車車輛級以太網網絡設計中的各類網絡拓撲，討論了網絡可靠性的分級規則，針對主要拓撲結構定量分析相關可靠性，給出在工程應用中車輛級拓撲的設計建議。

1 列車網絡拓撲的分層結構

鐵路線路與鐵路車輛在空間上都為線形結構，在運用過程中因列車重聯或解編組，列車控制網的空間拓撲結構相應進行改變。列車級網絡與列車物理拓撲采用線形拓撲設計。車輛級網絡拓撲不隨重聯或解編過程變化，網絡結構為靜態。如圖1所示，IEC 61375-2-5標準中，列車級網絡ETB（Ethernet Train Backbone）為線形網絡拓撲，列車級以太網交換機（ETBN）之間為線形連接。車輛級網絡（Ethernet Consist Network，ECN）的拓撲范圍與列車牽引單元范圍一致，在車輛級網絡子系統之間遵循通信協議完成通信控制功能，相同的拓撲結構才能保證同類型的多個牽引單元內數據通信參數和協議的統一性，便于各類控制邏輯的編制，并得到相同的通信時延、通信帶寬等傳輸性能表現。

圖1 列車網絡拓撲分層結構

2 常見車輛級網絡拓撲結構

車輛級網絡在實際工程應用中隨項目不同大致分為如下8種：

（1）單線形拓撲

單線形拓撲指在空間上車輛級以太網交換機之間使用一條網線相連，在空間上呈現線形結構，是最簡單的網絡拓撲機構。如圖2所示，交換機之間的連接為相鄰車輛，所有節點的空間排布在同一直線上，首尾節點間的通信依賴于中間節點的數據轉發。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，以太網線纜總長度為3，總體長度最短，布線成本低。使用優點包括：布線施工簡單，整車電氣圖設計簡易；線纜長度短且不同位置的線纜長度差異不大，故障排查簡單。由于這些優點，在列車車輛間以太網部署有廣泛應用，可以滿足大多數領域的應用要求，但是隨著以太網用于控車數據傳輸，單線形拓撲的缺點逐漸顯現，比如：如果節點數較多，存在單點故障會影響網絡傳輸情況。

圖2 車輛級單線形拓撲結構

（2）單環形拓撲

環形拓撲指在空間上車輛級以太網交換機之間相連后，在空間上呈現環形結構，首尾節點相比線形拓撲增加一條環回線路。如圖3a和圖3b所示，交換機之間的連接為相鄰車輛或橫跨多個車輛，所有節點的空間排布在環形網絡拓撲上，首尾節點間有2條鏈路可以通信，一般使用生成樹STP（Spanning Tree Protocol）協議實現環形網絡構建。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，以太網線纜總長度為6。使用優點包括：整個網絡存在2個獨立的物理通信線路，當一路故障，可自動切換為另一路通信，可靠性增強；單線路故障后，不需要外界人為干預或配置，若采用標準的環網協議實現，網絡自愈時間一般小于30 s。由于這些優點，在以太網用于控制網使用的場景，可采用環網結構。但是，環形網絡拓撲的部署相比單線形拓撲，因存在獨立的通信鏈路，隨車輛級范圍擴大，設計復雜性會增大，以4輛編組牽引單元的拓撲為例，設計過程中需考慮2種結構的比較，如圖3a和3b所示，圖3a環形拓撲結構1因最長的線纜為2，優于圖3b最長線纜為3的結構。以中國標準動車組為例，單節長度接近25 m，若度量長度為3，線纜長度接近75 m，與以太網規范最大傳輸距離100 m相比實際部署中距離余量小，不利于通信信號的穩定傳輸。若出現4輛以上構成的牽引單元的情況，環網結構需詳細比選各種可能拓撲，選取最優結構，設計難度較高。環網的工作依賴于環網協議，環網節點的身份并不是完全對等的，存在環網根節點和環網子節點的區別，兩類節點的離線，環網自愈的時間不同。若網絡中存在1個以上的故障節點或線路故障點，不在環網的自愈性考慮范圍內。若網絡中出現線路虛接，將有可能導致頻繁的環網組網過程，數據可能丟失。

圖3 車輛級單環形拓撲結構

（3）雙線形拓撲

雙線形拓撲指在空間上車輛級以太網交換機之間使用雙線相連，在空間上呈現雙線線形結構，單獨線路故障不影響整個網絡的通信。如圖4所示，交換機之間的連接為相鄰車輛，所有節點的空間排布在直線型網絡拓撲上，一般使用IEEE 802.1AX規定的鏈路匯聚技術（Link Aggregation）實現。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，以太網線纜總長度為6。使用優點包括：相鄰車輛級交換機間存在2個獨立的通信線路，初始狀態下，2條鏈路負載均衡，各傳輸50%的數據，形成一條邏輯鏈路；當一路故障，剩余未故障的另一路將自動調整為傳輸全部數據，可靠性增強；單線路故障后，同樣不需要外界人為干預或配置，切換時間小于20 ms；若同時結合采用掉電旁路導通（bypass），可進一步解決節點故障的鏈路中斷問題，支持多個節點旁路導通；布線施工簡單，整車電氣圖設計簡易；線纜長度短且不同位置的線纜長度差異不大，故障排查簡單。由于這些優點，在列車車輛間用于以太網控車數據傳輸的拓撲中存在案例，但是，若網絡中出現線路虛接情況，將出現頻繁的鏈路聚合過程，這有可能將部分數據轉移至失效線路，極端情況下可導致50%的數據丟失。

圖4 車輛級雙線形拓撲結構

（4）單環形子系統雙歸屬拓撲

單環形子系統雙歸屬拓撲指在空間上部署單線環形拓撲，子系統在接入交換機時采用獨立的2套物理連線接入網絡，網絡的單線故障、子系統的單線故障都不會導致通信的丟失。如圖5所示，交換機之間的連接為相鄰車輛或本車車輛（端車），所有節點的空間排布在環形網絡拓撲上，使用環網協議組網工作。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，以太網線纜總長度為8。使用優點包括：具備環網的全部優點，且因子系統與交換機間為雙歸屬連接，網絡拓撲方案歸一化，不再存在多種跨車連接方式，便于設計，同時提升了子系統間的通信可用性。但是，同樣環網的工作依賴于環網協議，環網節點變多，增加了交換機之間的故障概率，網絡層面故障的可能性有所增加。

圖5 車輛級單環形子系統雙歸屬結構

（5）單線平行線子系統雙歸屬拓撲

單線平行線子系統雙歸屬拓撲指在空間上部署物理獨立的2套單線形拓撲，子系統在接入交換機時采用獨立的2條物理連線接入網絡，網絡的單線故障、單一交換機故障、子系統的單線故障都不會導致通信的丟失。如圖6所示，交換機之間的連接為相鄰車輛，所有節點的空間排布在2條直線形網絡拓撲上。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，以太網線纜總長度為6。使用優點包括：相鄰車輛有2套獨立的交換機，交換機之間配套具備2個獨立的通信線路，兩路同時發送/接收全部數據，當一路故障，剩余未故障的另一路仍保持傳輸全部數據，不會造成數據丟失，無網絡切換時間；若同時結合采用掉電旁路導通（bypass），某一單路內節點故障不會出現鏈路中斷，支持多個節點旁路導通，仍可保證非故障節點的數據傳輸；在雙歸屬方案中，整車網絡部署后線路長度最短。但是，若極端情況下，網絡中在2條獨立鏈路中同時出現線路故障，將導致數據丟失。

圖6 車輛級單線平行線子系統雙歸屬結構

（6）雙環形子系統雙歸屬拓撲

雙環形子系統雙歸屬拓撲指在空間上部署2套獨立的單線環形拓撲，子系統在接入交換機時采用獨立的2條物理連線接入網絡，網絡的單線故障、單一交換機故障、子系統的單線故障都不會導致通信的丟失。如圖7所示，交換機之間的連接為相鄰車輛或橫跨多個車輛，所有節點的空間排布在2個獨立的環形網絡拓撲上，使用環網協議組網工作。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，以太網線纜總長度為12。使用優點包括：具備環網的全部優點，改善了單線環網雙歸屬結構共用交換機節點的限制，任意交換機故障不會導致數據中斷或同一通道內所有交換機全部癱瘓，不影響子系統通信。若出現兩通道各損壞一個交換機節點后（非相同車輛），子系統之間在網絡中全部通信可達。但是，環網部署的線路仍存在較長和方案多的設計限制。

圖7 車輛級雙環形子系統雙歸屬結構

（7）雙線平行線子系統雙歸屬拓撲

雙線平行線子系統雙歸屬拓撲指在空間上部署2套獨立的雙線形拓撲網絡，子系統在接入交換機時采用獨立的2條物理連線接入網絡，網絡的單線故障、單一交換機故障、兩條線路中同時出現單線故障、子系統的單線故障都不會導致通信的丟失。如圖8所示，交換機之間使用2條獨立線路連接相鄰車輛，所有的節點的空間排布在2個獨立的雙線形拓撲上，使用鏈路聚合技術工作。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，2套獨立物理線路使得以太網線纜總長度為12。使用優點包括：單通道內具備雙線形拓撲的優點，改善了雙路斷開造成網絡中斷的故障，任意交換機故障，或任意交換機線路全部故障，均不影響子系統通信；結合旁路技術（by?pass）的使用，若出現兩通道各損壞一個交換機節點后（非相同車輛），子系統之間在網絡中全部通信可達。

圖8 車輛級雙線平行線子系統雙歸屬結構

（8）梯形子系統雙歸屬拓撲

梯形子系統雙歸屬拓撲指在空間上交換機之間形成梯形形狀的拓撲網絡，子系統在接入交換機時采用獨立的2條物理連線接入不同的交換機，網絡的單線故障、交換機單點故障、梯形兩臂兩條線路中同時出現單線故障，子系統的單線故障都不會導致通信的丟失。如圖9所示，交換機之間使用2條獨立線路連接相鄰車輛，相同車輛內部2個交換機之間線路相連。布線角度上看：以4輛編組牽引單元為例，跨1輛車作為長度度量單位1，則部署4輛編組車輛，車輛與車輛之間長度均為1，2套獨立物理線路和包括車內2交換機互聯使得以太網線纜總長度為12。使用優點包括：在單環形拓撲的基礎上通過增加交換機網絡內部的接線形成梯形結構，進一步增強了網絡整體的連通性，任意交換機故障，或任意2臺交換機故障，均不影響子系統通信；結合旁路技術（bypass）的使用，可進一步增強可靠性。但是，若網絡中出現線路虛接情況，將有概率導致拓撲頻繁切換，可導致50%的數據丟失；梯形拓撲協議目前無成熟應用案例，軟件實現復雜。

圖9 車輛級梯形子系統雙歸屬結構

3 車輛級網絡拓撲結構的可靠性分析

車輛級網絡在不考慮子系統本身故障或子系統冗余的情況下，故障大致分為3種：交換機故障（含硬件核心故障、軟件故障、電源故障）、交換機至交換機之間線路故障（含線纜破損、線纜連接器連接故障、接口故障）、交換機與子系統之間線路故障（含線纜破損、線纜連接器連接故障、接口故障）。

從網絡拓撲冗余性的角度可大致分為4級：

（1）無冗余。拓撲案例：單線形拓撲；

（2）單點故障不會導致網絡崩潰，但損失部分子系統間通信功能。拓撲案例：單環形拓撲、雙線形拓撲；

（3）單點故障不會導致網絡崩潰，也不會損失通信功能。拓撲案例：單環形子系統雙歸屬拓撲、單線平行線子系統雙歸屬拓撲；

（4）同類型兩點故障（非同一車輛的2個交換機或2條線路）不會損失通信功能。拓撲案例：雙環形子系統雙歸屬拓撲、雙線平行線子系統雙歸屬拓撲、梯形子系統雙歸屬拓撲。

平均故障間隔時間MTBF（Mean operation Time Between Failure）是相鄰2次故障間隔所需時間的數學期望，它是衡量網絡可靠性的重要指標，其單位為“h”。從測算的角度看，MTBF的數值越大則代表可靠性越高。

根據IEC 62439-1標準進行網絡可靠性計算，考慮參數如下：

N：交換機數量；

λs：交換機核心故障概率；

λsl：交換機與交換機之間線路故障概率；

λel：交換機與子系統之間線路故障概率；

μ：故障恢復速率；

不考慮冗余部件間的故障相關性。網絡平均故障間隔時間MTBF和子系統間通信平均故障間隔時間MTBF，計算方法見表1。

表1 網絡平均故障間隔時間MTBF與子系統間平均故障間隔時間MTBF計算

假設交換機無故障運行時間為20萬h，線路無故障運行時間為300萬h，故障平均修復時間20 h（μ=0.05）。

從列車應用角度上看，子系統間通信的MTBF是最關鍵的系統評價標準，子系統間通信的MTBF越高，可靠性越好。車輛及交換機數量為4臺、6臺、10臺情況下各類型拓撲的MTBF的計算結果見表2~表4。進一步對交換機數量、對各類型拓撲的MTBF計算結果進行研究，可得到如圖10a、圖10b所示關系，子系統間通信的MTBF隨著交換機節點增多逐漸降低，在列車網絡拓撲的設計中應優先考慮使用更少的交換機節點完成整個網絡部署；具有雙歸屬設計的網絡拓撲可靠性等級明顯提升3至4個數量級，推薦應用于列車控制信號的傳輸。子系統具有雙歸屬設計的拓撲方案中，伴隨在交換機節點增多中，不同拓撲方案呈現了不同的特性，雙環形子系統雙歸屬拓撲、雙平行線子系統雙歸屬拓撲在交換機組數量小于6的情況下可靠性最高，高于6的情況下，梯形拓撲的優勢逐步顯現。

表2 交換機數量N=4，MTBF計算結果

表3 交換機數量N=6，MTBF計算結果

表4 交換機數量N=10，MTBF計算結果

圖10 各類型拓撲的MTBF計算結果

4 總結

針對列車以太網應用場景的特點，研究了車輛級網絡拓撲的可靠性問題，分別分析了單線形拓撲、單環形拓撲、雙線形拓撲、單環形子系統雙歸屬拓撲、單線平行線子系統雙歸屬拓撲、雙環形子系統雙歸屬拓撲、雙線平行線子系統雙歸屬拓撲、梯形子系統雙歸屬拓撲，共8種拓撲的設計特點，應用優點和限制。以MTBF為量化標準，考慮了交換機數量、交換機故障率、交換機間線路故障率、交換機與子系統間線路故障率和故障修復時間，比較了各類拓撲的可靠性。從分析結果上得出以下結論：

（1）子系統間通信的MTBF隨著交換機節點增多逐漸降低，在車輛級拓撲設計中，交換機數量應設計的盡量少；

（2）如果使用以太網進行列車控制信號的傳輸建議使用子系統具有雙歸屬設計的拓撲，可顯著提升通信可靠性；

（3）交換機節點增加到一定程度后（大于6），子系統間通信的可靠性趨同；

（4）單線形拓撲最適合于可靠性要求不高的網絡環境，如維護網。

在中國標準動車組（8輛編組其中4輛車為牽引單元）或城軌車輛（6輛編組其中3輛車為牽引單元）應用場景中交換機節點數小于6，若采用單環形子系統雙歸屬和單線平行線子系統雙歸屬方案與梯形拓撲可靠性低于雙環形子系統雙歸屬拓撲、雙平行線子系統雙歸屬拓撲可靠性，其中雙線平行線子系統雙歸屬拓撲可靠性最高，推薦使用雙線平行線子系統雙歸屬拓撲。