實時以太網的地鐵車輛通信網絡組網方案
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摘要:介紹了地鐵車輛常見的列車通信網絡組網方案，設計了基于實時以太網的新方案，并針對不同車載系統的特征，完善了各類入網系統的組網方案。
1地鐵車輛通信網絡設計簡介
地鐵車輛通常采用符合IEC－61375系列標準的WTB總線、MVB總線及符合ISO11898標準的CAN總線來構建列車通信網絡(以下簡稱TCN)的骨干網絡，各類車載系統可以接入骨干網絡來實現與列車中央控制單元之間的通信和交互。TCN核心設備有列車中央控制單元(VCM/VCU)，數字量輸入輸出模塊(I/O)，模擬量輸入輸出模塊(AI/O)，事件記錄裝置(ERM/EDRM)、人機交互設備(HMI)及中繼和網管設備。1．1骨干網根據各類地鐵列車實際需求的不同，骨干網常見設計有:1．1．1WTB+MVB兩級或多級網絡WTB總線實現不同列車之間微機設備的自動配置，實現兩列車網絡的互聯互通，MVB總線用于構建列車內部網絡。這類網絡設計方法通常用于有多車重聯運營及靈活編組需求的列車。1．1．2兩級MVB總線對于固定編組單列運營的車輛，通常采用兩級MVB總線設計結構，車輛級MVB總線用于構建單節車廂內部網絡，而列車級MVB總線用于實現多節車廂網絡的互聯互通。1．1．3基于CANOpen協議的CAN總線對于尺寸較小，各類微機系統較為簡單的列車，可以采用CAN總線來簡化列車通信網絡。CAN總線最先應用于汽車領域，而在軌道交通領域，通常應用于有軌電車、通勤車等車輛。1．2子系統網絡通常子系統控制主機可以直接接入列車骨干網中的車輛級總線，與列車通信網絡進行控制和信息交互。根據廠家和系統設備的不同，子系統通信接口一般采用MVB、RS422/RS485、以太網和CAN等接口型式，若子系統通信接口協議與骨干網不同，則需配置通信協議轉換模塊來輔助該系統與骨干網設備通信。
2實時以太網通信網絡
2．1實時以太網與其他網絡總線結合的設計在實時以太網運用于軌道交通車輛的初期，面臨部分子系統設備無法滿足軌道實時以太網通信標準的難題。在這個特定時期，網絡控制總線采用實時以太網與其他網絡總線相結合的設計。，TCMS與牽引控制系統、輔助電源及制動系統也采用實時以太網通信，但諸如信號系統、車門控制系統等子系統仍使用MVB通信與TCMS交互(借助協議轉換設備)。該網絡構建方案即驗證了實時以太網在軌道車輛上的可行性、可靠性，又能適應其他系統設備現狀。2．2完全實時以太網的設計該網絡設計精簡了各子系統的內部網絡，原存在于各系統內部的CAN總線內網、RS485內網及以太網等都可以取消。TCMS與車載各子系統均直接采用實時以太網進行數據通信。。圖3實時以太網系統關系圖2．2．1網絡拓撲以6節編組城軌車輛為例。列車控制網絡采用環網結構的實時以太網以提高冗余度與可靠性，且每列車配置兩臺工業級兩層交換機，單臺關鍵子系統設備可以同時接入兩臺交換機與以太網交互數據，子系統設備需具備兩路獨立的以太網接口。接入網絡的子系統取消各自的交換型內網，若網絡中存在其他子網且需與骨干網數據交互時，可對兩層交換機劃分物理VLan或使用三層交換機。2．2．2關鍵子系統入網方案對于車輛安全相關的子系統和對行車影響較大的子系統，其設備使用兩路獨立的以太網接口分別接入所在車廂的兩臺交換機。即其中一路故障時，另一路仍可以與骨干網進行數據交互。且單臺交換機故障或交換機所處的線路故障是，該關鍵設備仍然可通過另一臺交換機接入骨干網中，提高了該系統的通信可靠性。452．2．3非關鍵子系統入網方案部分子系統僅需向TCN上報狀態與故障，且其系統故障不會影響車輛運營，則此類系統的設備通常單路接入骨干網，2．2．4車門系統入網方案車門的打開與關閉與運營密切相關，單個車門故障不會影響本次列車下線，但發生同側車門故障時，列車將無法繼續運營。因此，一節車廂的所有車門接入骨干網時應考慮容錯性更高的方案同為左側門的1#、3#、5#和7#門分別連接在兩臺交換機上，同為右側門的2#、4#、6#和8#門也分別連接在兩臺交換機上，當單臺交換機發生故障時，僅會造成左右兩側各2個門無法開關，左右側仍然有車門可以正常動作，避免由于該故障而導致車輛無法上下客，尤其在單程運營即將結束時，司機可以繼續駕駛車輛完成后續站點的運營任務并返回車輛段處理故障。
3結語
相較于MVB、WTB及CAN總線的通信網絡，實時以太網通信網絡具有更大的數據吞吐量和更高的傳輸實時性。使用一套以太網取代車載設備間紛繁復雜的各種內網，簡化了車輛布線結構和網絡架構，也節約了設計成本。目前，車輛對實時流媒體信息傳輸、車輛健康管理及大數據分析的需求日益擴大，而常規總線受自身帶寬限制無法滿足上述功能，實時以太網勢必將以新型骨干網絡的姿態登上軌道交通網絡控制的舞臺。
參考文獻:
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作者:張楊 劉博 單位:中車株洲電力機車有限公司產品研發中心