基于以太網的列車多網融合技術研究

屈雪剛，吳 君，錢兆勇

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100070）

隨著軌道交通動車組列車的不斷發展，全自動駕駛、健康管理、智能列車、大數據等新型技術也逐步在列車上實施，傳統的MVB、WTB 等總線形式越來越滿足不了高實時性、大數據量的要求，以太網以其優越的性能廣泛地運用到列車控制技術中。但列車網絡仍然是設備維護網、PIS 環網、走行部內網、列車控制網等多系統的獨立集成，導致列車的網絡總線種類多、結構復雜、不便于集中式統一管理。基于以太網列車多網融合技術是將維護網、PIS 環網、走行部內網、列車控制網等多系統的數據集中到一條干線以太網進行傳輸，提高了實時性、增強了大帶寬、便于集中管理，保證列車的可靠性和安全性，是列車網絡控制的發展趨勢［1］，如圖1 所示。

圖1 各系統獨立的網絡總線形式

1 列車多網融合系統需求

實現TCMS 維護網、PIS 環網、走行部內網、控制網等子系統的多網融合，需要綜合各個網絡的全部功能，實現原有各個子系統網絡的全部功能，子系統網絡所需主要功能需求見表1。

表1 子系統網絡傳輸需求

由系統需求可知、多網融合以太網技術需要滿足如下要求：

（1）實時周期性傳輸要求，最小數據傳輸周期16 ms 以下。

（2）能完全支持ISO/OSI 的7 層開發結構，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

（3）滿足各種數據帶寬要求。

2 多網融合方案實現

隨著近年來實時以太網概念的提出，相應的解決方案也逐步成熟，IEEE 802.1Q 也再次進入公眾的視野。IEEE 802.1Q 以其獨特的性能滿足各種數據的傳輸。

2.1 MAC 幀結構的調整

符合IEEE 802.1Q 的MAC 幀在傳統MAC 幀結構中增加了標黃部分Tag 的4 個字節的數據結構（后述中按照IEEE 802.1Q 規范的MAC 幀用Tag 表 示，其 他 的MAC 幀 用UnTag 表 示）［2］，如 圖2 所示。4 個字節拆分成4 個不同的功能區，分別為標簽協議識別區（TPID）、優先級代碼區（PRI）、標準格式封裝指示區（CFI）、Vlan 網絡識別區（VID）。

圖2 MAC 幀 結 構

標簽協議識別區（TPID）：采用16 Bits，用于區分Tag 的MAC 幀和UnTag 的MAC 幀，如果該幀采用Tag 的幀結構形式，則該值可設置為0x8 100。

優先級代碼區（PRI）：采用3 Bits，劃分成了0~7 共8 個 數 據 傳 輸 優 先 級，0 為 最 低 優 先 級、7 為最高優先級。

標準格式封裝指示區（CFI）：0 表示MAC 地址以標準格式進行封裝，1 表示以非標準格式封裝。在以太網中，CFI 的值為0。

Vlan 網絡識別區（VID）：12 Bits 表示子網數量，即4 096 個數值，VID＝0 用于識別幀優先級，VID=4 095 為預留。最多可以劃分4 094 個Vlan。

2.2 MAC 幀的兼容

由于對MAC 幀的調整，車輛的牽引、制動、車門等系統需要更新連接以太網的全部軟件協議，這會導致開發周期長、成本高等問題，因此要求Tag 格式的MAC 幀與UnTag 格式的MAC 幀完全兼容。

我們將以太網分為接入鏈路和干線鏈路，如圖3 所示，如果有接入鏈路設備不能滿足Tag 格式的MAC 幀，在接入鏈路交換機后，交換機將其轉換為Tag 格式的MAC 幀，使用Tag 格式的MAC 幀在干線鏈路中傳輸，在信號的接收側再將其恢復到UnTag 的MAC 幀格式。

圖3 多網融合網絡拓撲架構

這樣既保證了IEEE 802.1Q 的MAC 幀的數據傳輸，又保證了其他MAC 幀的數據傳輸，達到了兼容性要求。

2.3 競爭優先級方式進行實時周期性數據傳輸

同一以太網既傳輸實時周期性列車控制數據，又傳輸時效性不高的PIS 系統視頻、音頻數據，出現碰撞之后需采用優先級策略處理。

采用優先級代碼PRI，將數據劃分為基礎、優先數據、快速數據、閃速語音控制數據、延時抖動小于100 ms 的視頻、延時抖動小于10 ms 的音頻、網間控制、網絡控制7 個等級，傳輸時，PRI 先傳優先級高的數據。保證周期性時效性高的列車控制、走行部數據，再傳PIS 系統的視頻音頻數據。保證數據時效性和大數據流帶寬。

應用層采用周期時間觸發機制發送周期性數據。以太網上的每個節點都有統一的時間分配，該時間分配按照數據時效性緊要程度劃分，時效性高的數據傳輸周期短，時效性低的數據傳輸周期長，時間由用戶自定義，只有輪到某節點發送數據時，該節點的門控才會打開，并將數據發出。

因此，對于量不大、實時性、周期性要求高的數據采用優先級代碼高和周期性觸發機制保證。對于量大、實時性、周期性要求不高的PIS 視頻音頻數據由優先級代碼低的數據格式傳輸。實現不同數據類型的綜合承載。

2.4 Vlan 劃分

在Tag 的MAC 幀中設置了Vlan 網絡識別區，用于網絡的虛擬分組，在優先級數據的保證下，對網絡再次劃分虛擬分組，使得應用層不同類型的數據相互不可見，減少不同數據類型的相互干擾［3］。

將PIS 網、列車維護網、走行部內網、控制網等劃分為不同的Vlan，應用層的控制數據、維護數據、視頻音頻數據之間相互獨立，盡管數據在同一總線上傳輸，相互之間不產生干擾。

如果不同Vlan 間有數據傳輸，則可在骨干網配置3 層交換機，使得Vlan 間數據能夠可控交互，保證數據的集中管理。

2.5 時效性分析

由于控制數據要求最短傳輸時間16 ms 以下，以太網傳輸為級聯方式，代表數據傳輸時每個交換機需要消費一定的處理時間。目前，用于實時周期性傳輸的交換機最小處理時間為11 μs。

列車目前最大編組為16 節編組，每節設置1臺交換機，則以太網傳輸最小時間為176 μs，最大傳輸時間為352 μs，該時間足以滿足周期性傳輸的要求。

2.6 重傳機制

控制數據的可靠性要求較高，傳輸層采用TCP/IP 傳輸方式，每條以太網幀均配置了多個校驗，在數據發送端設置了校驗加密，數據傳輸到接收端后，接收設備按照逆向方式解密，接收設備獲得實際數據和解密校驗數據一致后，代表該數據有效可用，反之，數據不一致則代表該數據無效，通過TCP/IP 方式告知發送方進行重傳。

2.7 帶寬計算

考慮列車多網融合的通用性，按照當前最大編組運行列車的設備統計，以太網帶寬見表2。

表2 以太網各設備帶寬需求

通過對以太網帶寬計算，千兆以太網傳輸217 M最大帶寬數據，帶寬有足夠的余量，滿足多網融合帶寬要求。

2.8 安全保障

以太網多網融合對控制數據和視頻音頻數據進行了綜合承載，由于控制數據對傳輸安全性要求較高，采用如下方式保證數據的安全可靠。

（1）采用應用層安全協議，在發送端和接收端分別進行安全協議的加密和解密，數據無誤后再進行使用。

（2）通過劃分Vlan、保證了數據之間相互隔離。

（3）通過MAC 優先級劃分，優先傳輸優先級高的數據，避免發送數據碰撞產生丟幀。

（4）通過重傳機制，保證數據接收不到或傳輸錯誤時再次傳輸。

（5）采用周期性傳輸機制，使數據能在最短的時間內快速更新。

（6）通過統一集中管理方式保證數據綜合有效。

（7）采用冗余機制，使數據多份傳送，接收設備根據不同的數據進行不同策略的使用。

3 試驗測試

3.1 測試方案

為充分驗證方案，在實驗室環境搭建了試驗平臺，對不同的MAC 幀結構、不同Vlan、過程數據、視頻數據進行傳輸。

實驗室環境下按照最小拓撲架構進行測試，如圖4 所示，骨干網采用千兆環形以太網交換機，按照Tag 格式的MAC 幀傳輸，連接設備中CCU、WTD 是UnTag 格式的設備，PIS、走行部是具有Tag 幀格式的設備。其中CCU 和WTD 設備劃分為Vlan1、PIS，走行部設備劃分為Vlan2。

圖4 最小單元測試拓撲架構

3.2 試驗步驟及測試結果

通 過CCU 發 送 數 據WTD 接 收、WTD 發 送 數據CCU 接收，PIS 發送數據走行部接收、走行部發送數據PIS 接收的測試，如圖5 所示，UnTag 數據和Tag 數據都能在規定的時間內正常收發。

圖5 設備之間通訊結果

為了驗證Vlan 的區域防護特性，Vlan1 和Vlan2 之間互傳數據，結果發現，數據不能收發，起到Vlan 隔離作用，滿足設計要求，如圖6 所示。

圖6 Vlan 隔離狀態下的訪問

4 實車驗證

在速度160 km/h 市域動車組列車上將多網融合技術進行了實際裝車驗證，該車為8 列固定編組列車，整車骨干網為環形以太網，設備較多，計算該車的帶寬見表3，帶寬合計197 M。

表3 160 km/h 市域車帶寬設計

骨干網采用了千兆以太網，遠遠滿足197 M 帶寬的需求。該車實際運行中，數據傳輸暢通，收發自如，使用情況良好，滿足設計要求。

5 結 論

經系統分析、方案論證、試驗測試、實車驗證等一系列環節，證明了多網融合技術真實可行，各系統運行穩定、安全、可靠、互不干擾。以太網多網絡融合技術解決了傳統列車子系統相互獨立，列車的電纜數量多、種類多、總線結構復雜等問題。采用一套總線傳輸形式，將各系統的內部網絡傳輸的內容通過一條以太網進行綜合承載，形成多網絡融合技術，該技術可推廣應用。