基于列車(chē)靈活編組的車(chē)載 PIS 系統(tǒng)重聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

2022-10-27 14:09趙川宇張榮華

現(xiàn)代城市軌道交通 2022年10期

趙川宇，張榮華

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.蘇州華啟智能科技有限公司，江蘇蘇州 215163）

1 引言

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，城市軌道交通因其大運(yùn)量、快捷、舒適、安全、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為解決城市居民大規(guī)模出行最重要的交通方式之一。我國(guó)眾多大中型城市已經(jīng)建立以城市軌道交通為骨干的公共交通體系。在全天不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段，城市軌道交通客流分布不均勻，早晚高峰或臨時(shí)性時(shí)段客流量大，其余時(shí)段客流相對(duì)不飽和，客流呈潮汐分布態(tài)勢(shì)。城市軌道交通大客流情況下運(yùn)力不足，小客流情況下能源浪費(fèi)大、運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平低（運(yùn)營(yíng)間隔大），這一矛盾越來(lái)越明顯[1-3]。

靈活編組運(yùn)營(yíng)組織方式是一種通過(guò)在車(chē)輛段或車(chē)站靈活改變列車(chē)編組長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)客流需求和運(yùn)力最佳協(xié)同的運(yùn)營(yíng)組織技術(shù)。同時(shí)，隨著城市軌道交通全自動(dòng)駕駛技術(shù)的興起，靈活編組結(jié)合全自動(dòng)駕駛可以很好地適應(yīng)城市軌道交通的潮汐客流特性，大大提升運(yùn)營(yíng)效率。

靈活編組技術(shù)要求通過(guò)對(duì)列車(chē)進(jìn)行快速重聯(lián)和解編作業(yè)來(lái)靈活調(diào)整列車(chē)編組長(zhǎng)度，這對(duì)列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)和車(chē)載乘客信息系統(tǒng)（PIS）網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。列車(chē)重聯(lián)和解編過(guò)程中如何對(duì)列車(chē)的編組數(shù)量快速識(shí)別并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置成為了列車(chē)靈活編組技術(shù)的一個(gè)重要課題。

2 靈活編組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

傳統(tǒng)的絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn)（WTB）與多功能車(chē)輛總線(xiàn)（MVB）網(wǎng)絡(luò)不能滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)傳輸及靈活編組技術(shù)的需求。以太網(wǎng)以其帶寬高、成本低、通用性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)應(yīng)用在城市軌道交通列車(chē)的通信網(wǎng)絡(luò)中。針對(duì)列車(chē)靈活編組的應(yīng)用需求，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)重聯(lián)通信有多種方案。文章首先對(duì)行業(yè)內(nèi)經(jīng)典的基于IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)架構(gòu)進(jìn)行分析和研究，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合全自動(dòng)駕駛的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種新的適用于車(chē)載PIS 系統(tǒng)的重聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案。

2.1 基于 IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)重聯(lián)方案

國(guó)際電工委員會(huì)于2014 年發(fā)布了正式版IEC 61375-2-5 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了列車(chē)以太骨干網(wǎng)協(xié)議，其將整個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)車(chē)輛級(jí)子網(wǎng)（ECN）和一個(gè)列車(chē)級(jí)骨干網(wǎng)（ETB），通過(guò)列車(chē)級(jí)以太網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議（TTDP）將不同車(chē)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)編組組成一列車(chē)，自動(dòng)完成通信網(wǎng)絡(luò)的搭建[1]。該以太網(wǎng)方案目前已經(jīng)成為列車(chē)控制和管理系統(tǒng)（TCMS）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靈活編組的主要方案。

ETB 貫穿整個(gè)列車(chē)，主要用于實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理與控制、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)等功能。ECN 包括單節(jié)、兩節(jié)或更多車(chē)輛組成固定編組時(shí)車(chē)輛內(nèi)部及跨車(chē)組網(wǎng)，負(fù)責(zé)本節(jié)或本組車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)管理[4]。ETB 網(wǎng)絡(luò)使用線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行連接，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 ETB 分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)列車(chē)增加、減少車(chē)輛或列車(chē)剛上電運(yùn)行時(shí)，都會(huì)引發(fā)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的初運(yùn)行和拓?fù)淇焖俳?。此時(shí)ETB 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)TTDP 協(xié)議對(duì)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置，確定列車(chē)上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所有設(shè)備的地址信息。網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行時(shí)需要每一個(gè)ECN 子網(wǎng)的標(biāo)識(shí)號(hào)（Subnet id）和每一個(gè)ETBN 的標(biāo)識(shí)號(hào)（ETBN id），利用這些信息來(lái)建立列車(chē)IP 地址映射、路由配置、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（R-NAT）規(guī)則、ED 命名等[2]。由圖2 可知，當(dāng)2 號(hào)編組與1 號(hào)編組組建新的編組時(shí)，TTDP 幫助每個(gè)ETBN 更新拓?fù)湫畔⒉⑼瓿蒊P 地址的自動(dòng)配置，新編組的列車(chē)骨干網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生IP 地址沖突和混亂。

圖2 TTDP 列車(chē)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)之地址變換圖

基于IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)方案是在傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整而來(lái)，以滿(mǎn)足列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的需求，其繼承了以太網(wǎng)的高帶寬特性，同時(shí)又具備低延時(shí)、對(duì)不同類(lèi)型組網(wǎng)兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，且適用于列車(chē)靈活編組的應(yīng)用場(chǎng)景，是下一代城市軌道交通列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流趨勢(shì)。但就其中的交換動(dòng)作進(jìn)行探究可發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜的交互邏輯。此外，該方案要求其中ETB 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、ECN 交換機(jī)都需要遵循IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)協(xié)議，這對(duì)交換機(jī)產(chǎn)品技術(shù)要求復(fù)雜，成本也較高。

車(chē)載PIS 系統(tǒng)作為列車(chē)上面向乘客的一個(gè)重要系統(tǒng)，其通信數(shù)據(jù)主要包括媒體視頻數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、廣播音頻數(shù)據(jù)及其他控制數(shù)據(jù)等。車(chē)載PIS系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是占用帶寬大、組播數(shù)據(jù)多。車(chē)載PIS 系統(tǒng)作為一個(gè)低安全等級(jí)的系統(tǒng)，不建議與列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)共用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。但是，在列車(chē)靈活編組應(yīng)用場(chǎng)景下，如果列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)和PIS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都采用基于IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)方案，整體成本將會(huì)很高且組網(wǎng)復(fù)雜?；谶@個(gè)現(xiàn)實(shí)情況，提出了以下具備低成本、高可用性特點(diǎn)的以太網(wǎng)重聯(lián)方案。

2.2 適用于車(chē)載 PIS 系統(tǒng)的以太網(wǎng)重聯(lián)技術(shù)方案

目前，國(guó)內(nèi)靈活編組運(yùn)營(yíng)模式普遍以2 列3 編組或4 編組車(chē)輛聯(lián)掛后進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，比較有代表性的線(xiàn)路為：北京地鐵12 號(hào)線(xiàn)、廣州地鐵3 號(hào)線(xiàn)、上海地鐵16 號(hào)線(xiàn)等。本文研究討論“4+4”聯(lián)掛方式的車(chē)載PIS 系統(tǒng)以太網(wǎng)重聯(lián)方案。

2.2.1 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

車(chē)載PIS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示，列車(chē)的每個(gè)司機(jī)室配置1 臺(tái)三層以太網(wǎng)交換機(jī)，用于兩車(chē)的網(wǎng)絡(luò)重聯(lián)以及與地面系統(tǒng)的通信。每個(gè)客室內(nèi)配置1 臺(tái)二層以太網(wǎng)交換機(jī)用于連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。全車(chē)司機(jī)室交換機(jī)和客室交換機(jī)之間通過(guò)2 根千兆網(wǎng)線(xiàn)依次連成一個(gè)線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)。2 根千兆網(wǎng)線(xiàn)采用鏈路聚合的方式，既可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性又可以增加干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2.2 重聯(lián)通信

為實(shí)現(xiàn)任意編組情況下重聯(lián)兩車(chē)之間的正常通信，司機(jī)室三層交換機(jī)需具備以下功能。

（1）網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）功能。重聯(lián)兩車(chē)內(nèi)部相同位置對(duì)應(yīng)終端設(shè)備的IP 地址相同，聯(lián)掛時(shí)為避免以太網(wǎng)設(shè)備IP 地址沖突，兩車(chē)的以太網(wǎng)終端設(shè)備需通過(guò)司機(jī)室三層交換機(jī)做NAT 后進(jìn)行相互通信。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換通常有3 種實(shí)現(xiàn)方式：靜態(tài)轉(zhuǎn)換（Static NAT）、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換（Dynamic NAT）和端口地址轉(zhuǎn)換（Port Address Translations）。本方案采用的是端口地址轉(zhuǎn)換，端口地址轉(zhuǎn)換可將多個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址映射為一個(gè)外網(wǎng)地址，以不同的協(xié)議端口號(hào)與不同的內(nèi)部地址相對(duì)應(yīng)，也就是〈內(nèi)部地址+內(nèi)部端口號(hào)＞與〈外部地址+外部端口號(hào) ＞之間的轉(zhuǎn)換。為避免IP 地址沖突，每列車(chē)映射到外網(wǎng)的IP 地址不同，可以根據(jù)列車(chē)號(hào)規(guī)劃外網(wǎng)IP 地址，每列車(chē)對(duì)應(yīng)一個(gè)外網(wǎng)IP 地址，如圖4 所示。兩車(chē)重聯(lián)情況下需相互通信的設(shè)備都要提前在司機(jī)室三層交換機(jī)上做端口映射配置，端口映射示例如表1 所示。兩車(chē)重聯(lián)通信時(shí)通過(guò)交換機(jī)映射后的〈外網(wǎng)IP 地址+端口號(hào)＞的方式訪(fǎng)問(wèn)重聯(lián)車(chē)的對(duì)應(yīng)設(shè)備。如需要調(diào)看1 號(hào)車(chē)TC1 司機(jī)室全景攝像機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面就可以通過(guò)RTSP 協(xié)議（rtsp://10.12.1.1:10000/0）實(shí)現(xiàn)。

表1 端口映射示例列表

圖4 外網(wǎng)IP 地址規(guī)則

（2）虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）功能。為實(shí)現(xiàn)列車(chē)靈活編組運(yùn)營(yíng)，重聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需滿(mǎn)足“車(chē)頭+車(chē)頭”“車(chē)頭+車(chē)尾”“車(chē)尾+車(chē)尾”多種聯(lián)掛情況下的通信，需要司機(jī)室交換機(jī)具備VRRP 功能。VRRP 是一種路由容錯(cuò)協(xié)議，也可稱(chēng)為備份路由協(xié)議。VRRP 使用選舉機(jī)制來(lái)確定路由器的狀態(tài)：主用狀態(tài)（Master）、備用狀態(tài)（Backup）。運(yùn)行VRRP 的一組路由器對(duì)外組成了一個(gè)虛擬路由器，其中一臺(tái)路由器處于Master狀態(tài)，其他的處于Backup 狀態(tài)。本方案主要使用VRRP 協(xié)議的虛擬路由功能。為實(shí)現(xiàn)兩車(chē)任意聯(lián)掛情況下的通信，每列車(chē)2 個(gè)司機(jī)室交換機(jī)需啟用VRRP 協(xié)議。列車(chē)內(nèi)部終端設(shè)備的缺省網(wǎng)關(guān)地址設(shè)為192.168.1.1，列車(chē)兩端司機(jī)室交換機(jī)作為兩個(gè)路由器虛擬出同一個(gè)網(wǎng)關(guān)地址192.168.1.1。路由器的主備根據(jù)重聯(lián)端進(jìn)行切換：當(dāng)車(chē)頭端聯(lián)掛時(shí)，車(chē)頭司機(jī)室交換機(jī)作為主用路由器，列車(chē)內(nèi)部設(shè)備的通信數(shù)據(jù)通過(guò)該交換機(jī)與重聯(lián)車(chē)進(jìn)行通信；當(dāng)車(chē)尾端聯(lián)掛時(shí)，車(chē)尾司機(jī)室交換機(jī)作為主用路由器，列車(chē)內(nèi)部設(shè)備的通信數(shù)據(jù)通過(guò)該交換機(jī)與重聯(lián)車(chē)進(jìn)行通信。司機(jī)室交換機(jī)的VRRP 主備設(shè)置如圖5所示。

圖5 VRRP 主備設(shè)置

2.2.3 靈活編組功能實(shí)現(xiàn)

靈活編組運(yùn)營(yíng)中，車(chē)載PIS 系統(tǒng)的解編和聯(lián)掛過(guò)程具體如下。

（1）聯(lián)掛過(guò)程。將2 列4 編組列車(chē)通過(guò)全自動(dòng)電氣車(chē)鉤進(jìn)行重聯(lián)，擴(kuò)編為8 節(jié)編組（4+4）列車(chē)。列車(chē)TCMS 系統(tǒng)先完成網(wǎng)絡(luò)重聯(lián)，然后兩車(chē)的TCMS 系統(tǒng)分別將重聯(lián)信號(hào)、本車(chē)車(chē)號(hào)、重聯(lián)車(chē)車(chē)號(hào)、本車(chē)重聯(lián)端、重聯(lián)車(chē)的重聯(lián)端、司機(jī)室激活端等相關(guān)信息發(fā)送給車(chē)載PIS 系統(tǒng)。車(chē)載PIS 系統(tǒng)根據(jù)重聯(lián)端信息通過(guò)協(xié)議控制對(duì)應(yīng)司機(jī)室交換機(jī)設(shè)為VRRP 主用路由器，本車(chē)的以太網(wǎng)設(shè)備通過(guò)該司機(jī)室交換機(jī)與重聯(lián)車(chē)進(jìn)行通信。通過(guò)重聯(lián)端信息和激活端信息確認(rèn)重聯(lián)后8 編組列車(chē)的車(chē)廂排列順序和運(yùn)行方向。另外，通過(guò)重聯(lián)車(chē)的車(chē)號(hào)信息可以明確重聯(lián)車(chē)的外網(wǎng)IP 地址，結(jié)合端口號(hào)便可訪(fǎng)問(wèn)重聯(lián)車(chē)的以太網(wǎng)終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)重聯(lián)兩車(chē)的相互通信，進(jìn)入重聯(lián)模式。重聯(lián)兩車(chē)建立通信后就可以實(shí)現(xiàn)車(chē)載PIS 系統(tǒng)的所有功能。

（2）解編過(guò)程。解編是聯(lián)掛的逆向過(guò)程，“4+4”編組列車(chē)通過(guò)全自動(dòng)電氣車(chē)鉤進(jìn)行脫鉤解編，分離為2列獨(dú)立的4 節(jié)編組列車(chē)。解編時(shí)TCMS 系統(tǒng)會(huì)向車(chē)載PIS 系統(tǒng)下發(fā)解編指令，車(chē)載PIS 系統(tǒng)收到解編指令后自動(dòng)恢復(fù)為單車(chē)模式。

3 結(jié)束語(yǔ)