基于工業以太網的動車組列車通信網絡設計

任祥臣，石 磊

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

動車組列車通信網絡（TCN，Train Communication Network）作為動車組關鍵技術之一[1-2]，為動車組列車運行控制、多車重聯控制、遠程數據傳輸、車輛設備工作狀態監測與故障診斷、地面檢修維護作業、司乘人員業務以及旅客服務等提供公用通信服務，實現列車信息傳輸和共享。我國現有的動車組TCN采用基于IEC 61375標準的絞線式列車總線（WTB，Wire Train Bus）+多功能車輛總線（MVB，Multifunction Vehicle Bus）技術[3-4]，主要是針對列車控制和管理系統（TCMS，Train Control and Management System）應用專項開發的，具有較高可靠性和實時性[5]，在過去較長一段時間內一直作為我國動車組TCN的主流技術。隨著軌道交通列車技術的不斷升級，對TCN傳輸數據量的需求不斷提高，但MVB數據傳輸的最高比特率（帶寬）僅為1.5 Mbps，無法滿足列車設備遠程維護、車載設備狀態信息實時采集、故障診斷以及旅客信息服務等新應用的數據傳輸需求。

目前，工業以太網技術在工業自動化和過程控制領域發展迅速，以往制約工業以太網化應用受限的不足之處，如環境適用性、安全性、可靠性及實時性等，正在不斷被攻克。工業以太網具有帶寬高（最高比特率可達100 Mbps）、兼容性強、安裝成本低等優點。

本文面向動車組TCN的傳輸要求，研究將工業以太網技術應用于動車組列車通信網絡[6]，以期利用工業以太網的特性和優勢，實現對既有動車組TCN技術的替代升級，以滿足不斷增長的動車組列車通信需求。

1 既有動車組TCN存在問題分析

1.1 動車組TCN簡介

既有的動車組TCN具有兩級分層架構，由列車總線（采用WTB）和車輛總線（采用MVB）構成。動車組TCN主要為列車控制和管理系統（TCMS，Train Control and Management System）提供通信支持，實現動車組主要車載設備的管理、運行信息采集、運行狀態的監視和故障診斷，保障列車安全、可靠運行，并為司機和機械師提供故障處理指南，為列車維護提供數據支持。此外，動車組TCN也為旅客信息系統（PIS，Passenger Information System）提供數據通信服務。

1.2 TCN網絡拓撲

動車組一般為8輛編組，由2個牽引單元構成，動車組TCN按照牽引單元劃分為2個網段；為提高可靠性，重要部件采用冗余設計。既有的動車組TCN的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 既有的動車組TCN拓撲結構示意

（1）每一牽引單元上設置2個互為冗余的中央控制單元（CCU，Central Control Unit），它們共同負責對本單元車輛的控制、監視和診斷。

（2）每一牽引單元有冗余的WTB/MVB網關（集成在CCU中），負責2個牽引單元之間及重聯時列車之間的數據交換。

（3）每個司機臺分別安裝有2個顯示屏，機械師室裝有1個顯示屏，用于顯示列車狀態、故障診斷信息。

（4）2個頭車上安裝有無線傳輸裝置，用于記錄狀態和故障診斷數據，并完成數據遠程傳輸。

（5）每節車廂上安裝有中繼器（REP，Repeater）模塊，具有信號再生和整形的功能，可將車輛總線分為若干網段，當某個網段故障時不會影響車輛總線其余部分的工作。

（6）列車上的牽引控制單元、制動控制單元、門控單元、空調控制單元、受電弓控制單元等，通過MVB連接到列車網絡。

1.3 傳輸帶寬

WTB的傳輸介質采用2根互為冗余的雙絞線，傳輸速率為1 Mbit/s，2個牽引單元之間通過WTB與冗余的網關連接，通過網關與本單元的MVB進行數據交換。

MVB的物理層采用2對冗余的雙絞線總線結構，其傳輸速率為1.5 Mbit/s，通過總線連接器和輸入輸出模塊，實現各子系統與CCU之間的數據通信。

1.4 存在的主要問題

在動車組運用過程中，現有的采用WTB+MVB的動車組TCN存在以下不足之處：

（1）數據傳輸帶寬有限：WTB傳輸速率為1 Mbit/s，MVB傳輸速率為1.5 Mbit/s；為了保證列車通信的穩定性和可靠性，目前只能利用動車組TCN傳輸涉及列車控制的信號和列車主要運行狀態信號和運行信息，無法傳輸遠程設備維護和故障診斷所需的大量設備狀態數據。

（2）部分通信線路無冗余：現有的動車組TCN僅對重要部件采取冗余設計，MVB通信線路未能實現冗余；列車各子系統與CCU之間通過MVB總線進行串連，并共用該線路進行數據傳輸。當遭遇網絡風暴、網絡異常攻擊或MVB通信線路出現故障時，會造成列車車輛間通信中斷，無法滿足整列車通信的完整性需求；同時，當某個子系統設備出現故障時，會導致該設備及其連接的所有設備均與CCU失去通信，嚴重影響列車功能。

（3）車載設備維護不便利：整列動車組不具備公用維護網絡接口，在利用現有的動車組TCN進行車載各子系統設備維護或軟件升級時，維護人員需要單獨連接到各個子系統設備進行相關操作，導致動車組列車檢修維護操作復雜繁瑣、耗時長，維護成本高。

（4）旅客服務功能不全面：由于MVB網絡帶寬有限，且信息傳輸實時性也較低，導致列車旅客服務系統功能實現受限，僅能提供基本運行信息顯示及少量重要數據傳輸，無法根據實際需求實現多媒體播放、視頻監控、故障聯動等功能的集成，難以滿足日益豐富的旅客服務信息傳輸需求。

2 基于工業以太網的動車組TCN設計

2.1 設計目標

（1）在實現既有列車通信網絡功能的前提下提高網絡帶寬：采用工業以太網替代現有的基于WTB+MVB的動車組TCN網絡，滿足目前TCMS和PIS全部通信要求；以工業以太網傳輸速率高達100 Mbps，能從根本上解決現有動車組TCN網絡帶寬受限的問題，充分滿足列車大流量數據傳輸、故障傳輸、軟件版本同步、能量信息傳遞、旅服信息傳輸等多種應用的信息傳輸需求。

（2）實現通信線路全冗余設計：為提高列車整車通信可靠性，重要部件均采用冗余設計，冗余包括部件冗余和通信線路冗余[7]；各車載子系統的控制設備通過通信接口與車輛總線的連接，均采用冗余線路設計，當某個子系統的一個網絡通道或網段中一個通道故障時，均不會影響該子系統及本車其它子系統的正常通信。

（3）方便車載設備維護：設置車載設備公用維護網絡接口，地面維護人員可使用專用軟件直接與連接在動車組列車通信網絡上的車載子系統進行通信，完成包括故障下載、軟件升級、調試試驗等車載設備維護任務，為動車組維護提供便利的技術條件。

（4）完善旅客服務功能：通過旅客服務系統內部網絡和列車通信網絡的有效融合，將旅客服務所需的媒體資源、監控視頻和故障聯動信息等內容及時、可靠地傳輸到動車組列車各服務終端、顯示終端和記錄單元，滿足旅客對列車服務的多種信息需求。

2.2 網絡拓撲

基于工業以太網的動車組TCN（簡稱：動車組以太網）采用兩級網絡架構[8]，分別為列車級以太網（ETB，Ethernet Train Backbone）和車輛級以太網（ECN，Ethernet Consist Network），其拓撲結構如圖2所示。

圖2 基于工業以太網的動車組TCN拓撲結構示意

（1）動車組頭車安裝有列車級以太網節點設備（ETBN，Ethernet Train Backbone Node），完成列車級網絡初始化功能，包括建立列車通信鏈接、確認列車節點數量、完成列車網絡配置等；滿足列車運行控制的列車級數據傳輸要求，具備監視功能，并為列車重聯提供數據傳輸通信接口。

（2）每節車廂安裝有以太網交換機，用于車輛級以太網總線之間的連接，可以傳輸故障診斷、事件記錄、設備狀態和參數顯示等數據; 基于IEEE 802.3 （100BASE-TX）標準的全雙工模式，傳輸速率為100 Mbit/s。

（3）各類車載設備，包括中央控制單元（CCU，Central Control Unit）、輸入輸出模塊（IOM，Input and Output Management）、人機接口顯示屏（HMI，Human Machine Interface display screen）、無線傳輸裝置（WTD，Wireless Transmission Device）均通過以太網總線連接至各車輛以太網交換機；其它具有以太網接口的子系統控制單元可通過以太網總線連接至各車輛以太網交換機，連接器符合IEC 61076-2-101標準。

（4）提供維護用專用網絡接口，方便設備維護人員對連接在車載以太網上的車載子系統進行遠程維護。

2.3 設計要求

（1）網絡安全要求：動車組以太網優先保證滿足列車實時控制的通信要求，劃分為車輛內網與外部系統網絡2部分，如圖3所示；其中，車輛內網主要負責動車組車輛內部各設備之間的通信，連接在車輛內網上的所有設備無需具備復雜的加密、鑒權、訪問記錄、訪問控制功能，簡化動車組車輛內部各子系統間通信過程，確保列車控制功能的實時性；外部系統網絡設備包括WTD和旅客信息系統（PIS，Passenger Information System）設備，實現與外部系統的物理隔離，并為外部系統提供接入列車以太網的通用通信接口。

圖3 車輛內網、外部系統網絡及外部系統連接示意

（2）列車控制數據傳輸要求：列車控制數據按照IEC 61375標準中規定的以太網過程數據（PD，Process Data）進行傳輸，并采用IEC 61375-2-3標準中定義的TRDP協議數據報文格式，如表1所示。

表1 TRDP協議數據報文格式

中央控制單元、車輛以太網交換機和各子系統設備均分配了專有的通信數據標識號COMID。在發送數據時，各子系統設備需按照協議數據報文格式組織以太網過程數據，并通過通信板卡上的2個通信接口按照各通信接口的IP地址，將TRDP控制數據包發送到以太網總線上；在接收數據時，各子系統設備通過通信板卡上的2個通信接口按照各通信接口的IP地址接收控制數據包，再由各設備CPU從2個數據包中選擇使用的數據。為保證列車控制數據的有效性，車輛以太網交換機會監測各子系統設備的生命信號，當生命信號停止更新（2 s）或設備通信超時（即5倍特征周期內從2個通信接口都接收不到任何數據時）后，車輛以太網交換機判定此設備通信故障并上報給CCU，CCU不再采信此設備數據進行相關控制。為保證列車控制數據的準確性，各子系統設備的以太網過程數據中會在報文中規定本設備特有的頭部校驗序列，通過對數據包中的頭部校驗序列進行校驗，確定接收到的數據是否為所需數據，防止調用錯誤數據。

（3）數據通道隔離要求：通過車輛以太網交換機接入的各子系統設備（即連接至以太網總線的各種車載設備，包括牽引、制動、車門等）需設置至少2個以太網通信接口，其中1個以太網通信接口只具備列車控制功能，另1個以太網通信接口具備列車控制和維護功能，如圖4所示。當動車組以太網用于列車控制時，CCU優先使用只具備控制功能的以太網通信接口來接收數據，由此實現列車控制與其它應用（車輛維護、旅客服務等）的數據傳輸隔離，從而提高列車控制網絡的安全性、實時性和穩定性。

圖4 車載子系統設備的以太網通信接口數據傳輸示意

（4） 通信質量要求：動車組控制數據采用以太網組播通信的方式進行傳輸，各子系統應具備組播穩定通信能力；各子系統設備的以太網通信接口符合IGMP v2標準要求，響應通用組播查詢報文，并回復組播加入報文；加入組播范圍符合通信協議規定，禁止加入非協議定義組播；各子系統設備的以太網通信接口按協議規定的特征周期發送數據，最大時延抖動符合系統要求（周期抖動小于±10 ms）；各子系統設備的以太網通信接口具備長時間（如12 h以上）通信能力。

（5）通信診斷要求：車輛以太網交換機根據實際物理線路接線狀態，向CCU報告各子系統線路連接狀態和信號通斷狀態，CCU根據車輛以太網交換機報告的線路連接狀態和信號通斷狀態，生成各子系統線路故障和通道故障的故障代碼，由顯示屏顯示故障線路位置；CCU同時接收2個通道的數據，讀取數據時以A通道為準，若A通道故障則從B通道讀取數據；當發生線路故障，2個通道切換時間應不大于3倍特征周期；若5倍特征周期內從2個通道都接收不到任何數據時，則判定設備通信故障。

（6）列車維護網絡接口要求：由無線傳輸裝置（WTD）的通信接口提供維護用專用網絡接口，列車維護設備（如數據轉儲裝置）、檢測設備（如網絡協議分析器）、維護專用電腦（如便攜式終端設備PTU）均可接入該網段，如圖5所示。WTD的維護網絡接口和控制網絡接口分別對應1個獨立的網卡，接入列車維護網絡的設備在獲得接入WTD的IP地址、管理員賬號、管理員密碼等信息后，才能獲得WTD的系統管理員權限，進行相關設備維護操作和數據通信。WTD內置4G/5G運營商SIM卡，可將存儲的列車設備工作狀態數據按固定周期（每隔10 min）發送至地面數據中心，地面數據中心通過內網服務器將列車設備工作狀態數據轉發至動車組管理信息系統和動車運用所數據工作站，同時可通過外網服務器將列車設備工作狀態數據轉發至主機廠服務器和動車組維護終端，便于主機廠和動車運用所進行協調聯動，提高維修作業效率，保障動車組安全穩定運行。

圖5 由WTD連接的列車維護網絡構成示意

（7）旅客服務接口要求：動車組旅客服務網絡由動車組各節車輛以太網交換機連接多種客服設備組成；每節車輛的以太網交換機直接連接本車的Wi-Fi單車服務器，同時為車廂內PIS設備（如貨品自動售賣機）及旅客終端提供無線通信接入服務，如圖6所示。為實現旅客終端與PIS設備數據傳輸的隔離，5號車以太網交換機直接連接PIS控制器和娛樂系統控制器，并分別通過Wi-Fi接入點和座顯接入點連接到安裝在車頂的GSM天線和4G天線。此外，PIS控制器通過防火墻與TCMS連接，通過鐵路移動通信專網GSM-R接入地面客票預定與發售系統（簡稱：客票系統），實現售票信息的獲取。

圖6 動車組旅客服務網絡構成示意

（8）網絡維護要求：對車載網絡設備的維護操作，使用具有口令管理與操作記錄功能的便攜式終端設備（PTU，Portable Terminal Unit）；為保證維護操作安全，避免對列車造成不良影響，在列車運營期間，禁止任何方式的網絡維護操作。

3 動車組以太網通信測試

為測試動車組以太網的數據傳輸能力、傳輸穩定性和線路穩定性，對連接在動車組以太網上的制動系統、牽引系統、車門系統和空調系統等所有子系統設備進行通信狀態測試和通信質量測試[9]。

3.1 通信狀態測試

通信狀態測試內容主要包括：

（1）子系統能響應通用組播查詢報文，回復組播加入報文，加入組播范圍屬于通信協議規定；

（2）子系統能持續響應通用組播查詢報文，與網絡建立通信后，能夠在12 h以上的時間段內穩定地回復組播加入報文；

（3）在動車組以太網先于子系統設備起動的情況下或子系統先于動車組以太網啟動的情況下，驗證組播通信能正常建立并進行雙向通信（發送/接收）；

（4）反復多次（設置為10次）拔出-恢復子系統與動車組以太網之間的連線，驗證線路連接恢復后能正常進行雙向通信（發送/接收）；

（5）檢驗子系統發送的PD數據，數據內序號、協議版本字段和類型字段；

（6）檢驗相同COMID的PD數據，發送周期和時鐘抖動。

3.2 通信質量測試

通信質量測試內容如表2所示。

表2 通信質量測試項目

3.3 測試結果

使用網絡協議分析器（Wirshark）采集整列車以太網過程數據，并通過網絡流量監控軟件（NetFlow Analyzer），進行數據周期符合性及數據丟包率等以網絡性能分析。

（1）列車級通信周期符合性測試

COMID1001數據包測試結果如圖7所示；COMID=1001數據包的實際周期基本符合設計要求的20 ms，平均周期為21.3 ms，方差均小于1.2 ms，其最大誤差小于8 ms，沒有出現周期抖動超過設計周期10 ms 的數據包。

圖7 1001數據包周期復合性測試結果

TTDP拓撲發現數據包測試結果如圖8所示；TTDP 拓撲發現的數據包其實際周期符合設計要求的100 ms，平均周期為99.998 ms，方差為小于0.6 ms，周期抖動均沒有超過設計周期30%。

圖8 TTDP數據包周期復合性測試結果

（2）子系統車輛級通信周期符合性及丟包率測試

端口通信周期符合性及丟包測試結果如圖9所示；在測試中，子系統除個別數據包發生了大于10 ms的抖動，其余數據包抖動均較小，實際周期符合設計要求的30 ms，平均周期為30.0219 ms和29.9995 ms，方差分別為0.315 ms和0.271 ms，個別周期抖動超過設計周期10 ms的數據包，沒有丟包發生。

圖9 端口通信周期符合性及丟包測試結果

（3）車輛級帶寬占用率測試

車輛級帶寬占用率測試結果如圖10所示，帶寬平均占用率為4.0956至4.1071 Mbps，方差為0.035 Mbps；從測試結果可以看出，車輛級帶寬占用率穩定。

圖10 車輛級數據包帶寬占用率測試結果

由列車級通信周期符合性測試、子系統車輛級通信周期符合性及丟包率測試、車輛級帶寬占用率測試結果可知：動車組列車所有子系統設備的通信狀態和通信質量測試結果均滿足評定標準，滿足列車控制與管理要求，系統運行穩定，符合設計要求。

4 結束語

為解決既有基于WTB+MVB的動車組列車通信網絡因帶寬受限、無法滿足動車組列車技術升級對大流量數據傳輸需求的問題，采用工業以太網技術設計了動車組以太網，優先滿足動車組TCMS實時通信需求，且線路采用全冗余設計，可避免因單點失效導致的通信線路故障；高帶寬的動車組以太網提供了車載設備公用維護網絡接口，構建起車地一體化的動車組維護網絡系統，使動車維護人員和設備廠家能夠方便地完成故障信息下載、車載軟件升級、調試試驗等車載設備維護任務，也為動車組PIS設備更新升級和旅客服務豐富完善提供了有利技術條件。本文設計的動車組以太網實現了對既有WTB+MVB列車通信網絡的替代升級，經測試驗證，采用數據通道冗余和隔離技術，顯著提升動車組列車通信網絡的可靠性，保證列車控制數據傳輸安全可靠。

目前，本文設計的動車組以太網已在復興號系列動車組和上海、貴陽等城市的城際、城鐵車輛上廣泛應用，數據傳輸速率高，穩定性強，設備維護便捷，有助于快速提升動車組維修及旅客服務水平。后續將進一步研究把動車組現有PIS、車門控制系統等內部單獨組網的子系統全部改用工業以太網通信方式，將動車組車載網絡全部統一升級為工業以太網，以降低車載設備維護復雜度。另一方面，針對動車組以太網需要承載旅客服務系統中媒體資源、影音娛樂、監控視頻等應用的大容量數據傳輸，考慮采用傳輸速率更高的1000 Mbps工業以太網產品來搭建動車組以太網，充分滿足不斷增長的旅客服務信息傳輸需求。