以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)節(jié)點在CR300復(fù)興號動車組中的應(yīng)用

薛樹坤

(中車青島四方車輛研究所有限公司 山東 青島 266011)

0 引言

目前，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要采用絞線式列車總線/多功能車輛總線(WTB/MVB)通信網(wǎng)絡(luò)，進行列車控制數(shù)據(jù)的傳輸。由于帶寬限制，無法及時傳輸列車信息服務(wù)數(shù)據(jù)以及列車狀態(tài)、診斷、維護等信息，無法滿足列車控制與信息服務(wù)一體化的業(yè)務(wù)需求，影響列車的可維護性和可用性。

工業(yè)以太網(wǎng)具有大帶寬、高實時性、高可靠性等優(yōu)點，使其成為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向?；诠I(yè)以太網(wǎng)的新型列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),實現(xiàn)列車控制網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的有機融合，確保滿足列車控制系統(tǒng)的功能、性能以及安全需求，可更好地支持后續(xù)智能化業(yè)務(wù)發(fā)展。在基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)節(jié)點(ETBN)能夠替代WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，快速地建立起一個可靠的列車通信網(wǎng)絡(luò)，是下一代列車網(wǎng)絡(luò)的研究重點。當(dāng)前，國內(nèi)外公司均在開發(fā)遵循IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的ETBN。因IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61375-2-3標(biāo)準(zhǔn)在近年完成制訂，故各廠家開發(fā)的ETBN尚未大規(guī)模應(yīng)用于以太網(wǎng)控車。國外的公司中，Unicontrol公司推出了基于IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的ETBN設(shè)備；國內(nèi)的鐵科院和中國中車均已完成ETBN的研制[1]。目前，ETBN已在時速250 km 的CR300復(fù)興號動車組項目中裝車應(yīng)用。

1 ETBN功能簡介

1.1 以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)初運行

以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)(ETB)網(wǎng)絡(luò)初運行生成列車網(wǎng)絡(luò)索引，完成以太網(wǎng)動態(tài)配置，并根據(jù)相應(yīng)列車級以太網(wǎng)拓撲變化，給每個ETBN分配列車級以太網(wǎng)地址，建立ETB數(shù)據(jù)通信。

在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)初始化的過程中，所有接入ETB的ETBN設(shè)備，通過列車拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議(TTDP)報文確定在整個列車以太網(wǎng)中接入的編組網(wǎng)數(shù)量及子網(wǎng)數(shù)量，以此形成列車級IP映射、列車路由配置、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換規(guī)則和終端命名等信息；通過列車實時數(shù)據(jù)通信協(xié)議(TRDP)在ETBN間交互編組信息；控制端通過TRDP協(xié)議控制以太網(wǎng)初始化過程。

ETB初運行主要通過TTDP來實現(xiàn)。在初始化階段進行ETBN的初始化配置、鏈路聚合、禁止路由、啟動TTDP協(xié)議等。進入未初運行階段，開始進行HELLO幀和拓撲幀的收發(fā)，并建立物理拓撲和邏輯拓撲，同時管理鏈路狀態(tài)。當(dāng)ETB拓撲計數(shù)器有效或者節(jié)點恢復(fù)，進入到準(zhǔn)備初運行階段，否則繼續(xù)處于未初運行階段處理報文。在準(zhǔn)備初運行階段，通告列車應(yīng)用，繼續(xù)建立物理拓撲和邏輯拓撲，如果沒有禁止初運行，則進入到已初運行狀態(tài)，設(shè)置ETB拓撲計數(shù)器，設(shè)置IP映射和服務(wù)，啟動路由功能，啟動TCN初運行并通告列車應(yīng)用。在此狀態(tài)下，如果發(fā)生了新的初運行，會導(dǎo)致ETB拓撲計數(shù)器無效，則進入到未初運行狀態(tài)，并且禁止路由、停止IP映射和服務(wù)、通告列車應(yīng)用[2]。

1.2 應(yīng)用初始化

ETB網(wǎng)絡(luò)初運行完成后， ETB控制服務(wù)提供者(ECSP)進行應(yīng)用初始化。 應(yīng)用初始化基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)初始化的結(jié)果， 收集編組信息， 進行列車索引和列車操作索引計算， 并將計算結(jié)果存入列車拓撲數(shù)據(jù)庫。 ECSP識別主控操作指令， 進行以太網(wǎng)應(yīng)用初始化。 應(yīng)用初始化包括節(jié)點排序、 方向識別、 主控車識別等， 應(yīng)用初始化完成后建立列車拓撲數(shù)據(jù)庫。

列車拓撲數(shù)據(jù)庫(TTDB)由編組信息、列車網(wǎng)絡(luò)索引、列車操作索引、列車索引組成，如圖1所示，存放了與實際列車組成和實際ETB狀態(tài)相關(guān)的所有信息。編組信息包括每個編組的詳細描述，ETB初運行之后在編組信息(CSTINFO)報文中發(fā)送，包括編組提供的功能列表和列車通信網(wǎng)絡(luò)-域名服務(wù)器(TCN-DNS)，以及為實現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡(luò)-統(tǒng)一資源標(biāo)識符(TCN-URI)地址解析所需的所有編組信息。列車網(wǎng)絡(luò)索引是ETB列車初運行結(jié)果，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲描述，ETB拓撲計數(shù)器(etbTopoCnt)是列車網(wǎng)絡(luò)索引的唯一標(biāo)識。列車索引包括在ETB上已發(fā)現(xiàn)的所有編組的有序列表。列車操作索引在列車索引的基礎(chǔ)上，增加了主控車和校正信息。當(dāng)列車索引發(fā)生改變，或用戶請求設(shè)置/取消主控車時，列車操作索引會重新計算。ETB完成初運行后，ECSP收集ETB列車網(wǎng)絡(luò)索引，編組信息及主控、校正等信息，通過列車索引計算、列車操作索引計算等操作初運行過程后得到列車拓撲數(shù)據(jù)庫，并提供ETB控制服務(wù)[3]。

圖1 列車拓撲數(shù)據(jù)庫組成

1.3 智能尋址

列車以太網(wǎng)經(jīng)初始化后，形成列車級網(wǎng)絡(luò)地址分配。進行跨ETBN通信時，終端需要通過地址解析服務(wù)DNS完成IP地址的獲取，然后進行通信，即智能尋址功能。域名服務(wù)(DNS)接口定義了終端與DNS之間的交互方式，由終端發(fā)送DNS請求，DNS服務(wù)器返回的DNS應(yīng)答反饋IP地址，終端設(shè)備用反饋的列車級IP地址進行通信。

ETBN的列車通信網(wǎng)絡(luò)-域名服務(wù)器(TCN-DNS)進程可以將符合標(biāo)準(zhǔn)的TCN-URI解析為相應(yīng)的IP地址。如果沒有TTDB，在查詢過程如示例a所示。TTDB查詢過程如示例b所示。

例如：客戶端輸入了“grpHMI.veh02.lCst”的URI進行DNS查詢，DNS服務(wù)器收到請求進行解析，是本地編組的2車的所有顯示屏的IP，DNS服務(wù)器將編組信息、車廂號等作為TTDB請求發(fā)送給ECSP，ECSP查詢TTDB得到子網(wǎng)號、設(shè)備號等信息，并根據(jù)IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)計算IP地址返回給DNS服務(wù)器。最后，DNS服務(wù)器將此IP作為應(yīng)答發(fā)送給客戶端。

圖2 DNS工作流程(a例無TTDB查詢，b例有TTDB查詢)

2 CR300復(fù)興號網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

時速250 km CR300復(fù)興號動車組是國內(nèi)首個采用以太網(wǎng)控車技術(shù)的具有重聯(lián)功能的動車組項目。該項目的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基于IEC 61375-2-3、IEC 61375-2-5、IEC 61375-3-4等標(biāo)準(zhǔn)，采用以太網(wǎng)列車通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)分為列車控制級、車輛控制級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。列車網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備主要包括列車級以太網(wǎng)節(jié)點、車輛級以太網(wǎng)交換機、中央控制單元、以太網(wǎng)中繼器、人機接口顯示屏等。

在該動車組項目中，列車級網(wǎng)絡(luò)為雙線性結(jié)構(gòu)拓撲，使用物理鏈路如以太網(wǎng)線纜和連接器，沿著列車將ETBN、中繼器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來。ETBN采用冗余配置，這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)適合采用TTDP協(xié)議實現(xiàn)ETB網(wǎng)絡(luò)初運行，車輛級網(wǎng)絡(luò)則可以采用線形、環(huán)形等拓撲。ETB初運行發(fā)生于列車初上電、列車重聯(lián)或者解編以及中間位置非冗余節(jié)點丟失等情況下。

3 ETBN應(yīng)用結(jié)果

在CR300復(fù)興號動車組以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲中，列車網(wǎng)絡(luò)由兩個編組組成。其中，ETBN1和ETBN2為同一編組的互為冗余ETBN，ETBN3和ETBN4為另一編組的互為冗余ETBN。ETB初運行完成后，在ETBN的網(wǎng)頁查詢界面獲得的初運行結(jié)果如圖3所示。顯示初運行完成后有兩個編組，同時顯示了IP信息、主從信息及所有節(jié)點的狀態(tài)、方向等信息。

圖3 ETB初運行結(jié)果

ETB初運行完成后，進行ECSP的控制服務(wù)初始化。ETB控制服務(wù)客戶端(ECSC)設(shè)置1車為主控車。在1車ETBN查看操作列車信息，顯示當(dāng)前狀態(tài)為islead，操作車輛節(jié)點從1車順序開始排序。

將計算機接入ETBN1，通過ping命令輸入URI地址，ETBN的TCN-DNS服務(wù)器將URI解析為正確的IP地址，解析分為本地URI解析和跨編組URI解析。

4 結(jié)束語

ETBN是實現(xiàn)以太網(wǎng)控車的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有自動重聯(lián)、智能尋址、跨編組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。目前，該ETBN已經(jīng)在時速250 kmCR300復(fù)興號動車組等項目中裝車應(yīng)用，應(yīng)用反饋效果良好。