基于实时以太网的列车重联研究

科学技术创新
基于实时以太网的列车重联研究
魏涛
(株洲中车时代电气股份有限公司,湖南株洲412000)
当前国内主流的TCN (列车控制网络)一般由M V B (多功能车辆总线)与W TB(绞线式列车总线)构成。

M V B 是车辆级总线,连接单个车辆单元内的终端设备,最大数据传输速率为1.5M bps ;W TB 是列车级总线,连接各动态编组车辆单元,最大数据传输速率为1M bps 。

随着铁路信息化、智能化建设推进,视频影音等对列车网络通信带宽、时延、灵活性等方面提出了更高要求[1]。

传统TCN 网络数据传输速率难以支撑多媒体音视频数据传输。

在此背景下,列车以太网编组网络ECN 和以太网骨干网络ETB 结合的列车以太网通信技术应运而生[2]。

对列车实时以太网重联技术进行研究,骨干网侧实现大流量数据传输、贯穿重联列车,能有力扩大载客量、提高运行效率。

1列车实时以太网重联技术
列车重联是指列车间进行连挂运行,可扩大载客量、提高运行效率。

两车之间采用车钩连接,车钩中电气电路完成电气信号的互相连通。

重联列车采用以太网作为媒介,在骨干网侧
传输重联相关信息,基于TTD P(列车拓扑发现协议)建立拓扑,在物理和逻辑上成为拓扑信息达成一致一体。

实时以太网重联与传统TCN 网络重联相比,速率更快、时延更小、组网更灵活[3]。

2重联关键技术研究2.1跨编组寻址技术
终端设备跨编组通信时,要根据相关标准得出对方全局地址[4]。

结合图1描述跨编组寻址过程,编组子网1终端设备A (本地子网地址10.0.1.200),要访问编组子网2终端设备D (本地子网地址
10.0.1.100)。

地址映射规则
[5]
为00001010.1bb00000.00000000.v0t t t t t t ,解释如表1。

得D 全局地址10.128.129.100,通信报文源地址10.0.1.200,目的地址10.128.129.100。

经1编组ETBN 将源地址转变为全局地址10.128.65.200。

通过路由寻寻址,到达D 所在2编组。

2编组ETBN 将目的
地址转变为本地子网地址并传递给D 。

图1E TB N 跨编组寻址
2.2列车拓扑建立
当列车拓扑发生变化,如重联、解联、上电等情形下,在获
得应用层准许后,列车会进行初运行。

在此过程中,TTD P 用于物理拓扑、逻辑拓扑的建立及初运行的完成[6]。

列车在进行拓扑建立时,需要在ETB 上选取一个参考方向,即ETB 参考方向。

该方向由端节点Cs t U U I D (简称U U I D )决定[7]。

U U I D 是一种通用唯一标识码,可对列车编组进行唯一标
识。

多个编组重联时,根据两端节点所在编组U U I D 大小来确定骨干网ETB 参考方向。

编组U U I D 小的端节点所在侧为方向1;U U I D 大的端节点所在侧为方向2。

编组号、子网号、ETBN i d 都随着方向2递增。

2.2.1物理拓扑建立算法
H el l o 帧主要用于诊断链路、发现邻居设备。

Topol ogy 帧通过组播方式发送,发送给其它ETBN 节点共享拓扑信息。

一般超过400m s 没有收到某节点拓扑信息时,认为该节点拓扑信息失效、丢失。

当某节点超过1s 收不到其它任何节点Topol ogy 帧时,则认为该节点是孤立的。

经过排序的节点M A C 和节点朝向or i ent at i on 汇总成的表格叫做Conn Tabl e 。

从ETB 顶节点开始排布,直到底节点。

每接收到新的Topol ogy 帧,Conn Tabl e 就会
摘要:近年来,国内轨道交通建设不断推进,尤其高速动车建设,愈发便利了人们出行。

实时以太网通信技术因其速率快、实时性强等特点,在该领域逐渐崭露头角,是未来列车网络系统的发展方向。

对实时以太网重联过程进行探索,有利于深入理解、完善以太网控车技术。

本文结合ETB(列车以太网骨干网络),研究TTDP(列车拓扑发现协议),深入分析初运行中的拓扑建立过程及算法,并介绍了实验相关的ETBN 交换机产品。

最后,在实验室模拟列车实时以太网重联过程,测试结果验证了实时以太网重联的初运行快、可靠性强、灵活性好等优势。

关键词:列车以太网骨干网络;重联;初运行;列车拓扑发现协议中图分类号:TN 915
文献标识码:A
文章编号:2096-4390(2021)17-0088-03
作者简介:魏涛(1992-),男,籍贯:山东菏泽,学历:硕士研究生,职称:助理工程师,主要研究方向:列车实时以太网通信技术。

字母 含义
b 对于列车控制和管理系统(TCMS)，bb=00 v 虚拟位，采用虚拟IP 时v=1，
否则v=0
t v=1时，t 取子网号；v=0时， t 取ETBN id
表1E TB N 地址设定规则表
88--
2021.17科学技术创新进行重新计算一次。

Conn Tabl e CR C32是Conn Tabl e 的CR C32校验值,当所有节点Topol ogy 帧中Conn Tabl e CR C32一致时,就证明列车物理拓扑已经建立完成[8]。

物理拓扑建立计算流程如图2所示[9]。

图2拓扑建立算法流程图
2.2.2逻辑拓扑建立算法
当重联列车的逻辑拓扑建立完成时,才可统一进行列车I P 地址配置,建立ETBN 逻辑拓扑主要根据Topol gy 帧中的连接矢量(Conn V ect or )、ETBN 矢量(ETBN V ect or )、et bTopoCnt 进行推算
[10]。

Conn V ect or 包含自身节点及直接连接的邻居节点M A C 地
址,若没有邻居则M A C 地址填充全0,由此可获知直接邻居节点信息;ETBN V ect or 则是本节点在某一方向上发现节点的无序排列表,在节点端口方向1和2上各有一个ETBN V ect or ,可综合得到本节点周围发现的所有节点;TN D i r 包含列车中的U U I D 、CN i d 、Subnet i d 、ETBN i d 、编组朝向等信息,用于表征列车拓扑逻辑连接方式[11],et bTopoCnt 是其CR C32校验值,当所有Topol ogy 帧中et bTopoCnt 一致时,则列车逻辑拓扑建立完成。

3列车E TB N 交换机架构介绍
ETBN 为列车以太网骨干网交换机,能够实现三层数据转发、数据跨网段通信功能[12]。

ETBN 系统架构如图3所示,主要由
CPU 单元、接口单元、电源单元以及金属外壳组成[13]。

CPU 单元是核心部件,其中CPU 芯片用于完成协议处理,而交换芯片用于完成数据转发。

CPU 芯片外围连接有内存单元FLA SH 和D D R ,用于断电保存和高速存取。

CPU 芯片一部分引脚直接引出串口和调试口到接口单元,另一部分引脚经过交换芯片引出交换口到接口单元。

接口单元则提供列车通信相关接口,一同构成对外接口,电源单元负责为整个模块提供电源。

ETBN 上电后,首先要经过底层初始化,完成时钟配置、文件系统加载、ETBN 端口号和网口初始化、等工作[14]。

接着获得编组信息、I P 映射关系以及连接表信息,获取端口连接的设备I P 地址和M A C 地址,管理H el l o 帧和Topol ogy 帧的发送周期及接收超时等,基于TR D P 进行设备间通信。

4实验结果
列车以太网重联的实验依托于公司级核心项目———洛杉矶地铁,整体实验环境如图4所示。

图4洛杉矶地铁实验环境
在洛杉矶地铁实验台中,每1节车厢包含1个编组,编组内含有一对互为冗余的ETBN 节点,最终完成6编组列车的重联。

如图5所示,为其中3节车厢在显示器中的详细拓扑展示。

由
图
图3E TB N 系统架
构图图5显示器中的列车系统连接图
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科学技术创新
可知,在ETBN 的CN 侧接有ECN N 二层冗余环网,各种终端连接在环网交换机ECN N 下,如H V A C (空调控制器)、I O M (输入输出模块)、EG W M (中央控制单元)等,负责列车运行中的温度控制、采集并输出指令以及监测处理数据等功能。

重联期间,通过记录ETBN 节点初运行开始时刻及初运行完成时刻,可得到初运行完成所耗费时间,重复进行多次重联实验,获取结果如表2所示,通过计算可得,平均初运行完成时间为405.6m s ,而根据经验值,初运行时间一般需控制在600m s 以内,可知该以太网重联过程,初运行时间较短、速度较快。

传统TCN 重联时间一般需要1s 以上。

相比之下,以太网重联时间更短、速度更快。

表2列车以太网重联初运行时间
任取列车中某一编组,将ETBN 主节点断电,备节点通过心跳线检测到主节点生命信号不再发生变化,超过一定时间后,备节点会切换为主节点。

多次进行主节点断电,抓包读取原备节点ETBN 角色字段,计算其节点状态由备节点切换为主节点所耗费的时间。

实验结果如表3所示,计算平均切换时间为127m s ,切换速度快,保证了链路可靠性。

表3主备冗余切换时间
5总结展望
本文对基于实时以太网的列车重联进行研究,分析跨编组
通信寻址方法,探究初运行中的TTD P 机制,对重联过程中列车物理拓扑和逻辑拓扑的建立进行算法实现。

结合洛杉矶地铁实验台,通过实验模拟6编组列车的重联过程,获得测试结果。

由结果可知,基于实时以太网的列车重联,初运行时间短、时延小、链路可靠性高。

由ECN 和ETB 相结合的列车以太网技术可实现更高的网络传输速率,相比于M V B 和W TB 结合的TCN 技术的性能表现有很大提升空间。

以太网技术使得列车组网方式更加灵活、可靠性更强,还能更好地与计算机网络技术相结合,更有利于实现多网融合。

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序号 初运行时间(ms)
1 406
2 406
3 405
4 421 5
390
序号
切换时间（ms ）
1 12
2 2 181
3 76
4 12
5 5
131
90--。