羅昭強 金 沖 韓東寧

(中國中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組制造中心， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

1 中國標準動車組以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

中國標準動車組通過處理整車邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷等信息,以及處理遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)葟?fù)雜的車載信息，在單組及重聯(lián)模式下，可保證不同列車或車輛之間的信息傳輸更精準、快捷。以太網(wǎng)控車作為動車組的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠?qū)ι鲜鲂畔⑦M行統(tǒng)一管理和判斷，使信息穩(wěn)定、安全、快速地在整個列車網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸。動車組網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)中央控制與牽引控制、輔助控制、制動控制、旅客信息、空調(diào)、車門及遠程控制等系統(tǒng)之間的整車邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷數(shù)據(jù)的傳輸，以及自身信息的診斷；然后將這些信息顯示在人機顯示界面，同時將運行環(huán)境信息與故障信息保存在本地設(shè)備中；通過遠程控制單元將車輛運行狀態(tài)信息及故障信息發(fā)送到地面控制中心，從而保證列車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。

中國標準動車組列車主干網(wǎng)由ETBN(列車級以太網(wǎng)交換機)與REP(中繼器)組成。當列車重聯(lián)時，列車與列車之間通過電氣車鉤實現(xiàn)列車級以太網(wǎng)的連接，以實現(xiàn)列車間通信；列車以太網(wǎng)內(nèi)部通過背板總線與ECNN(以太網(wǎng)交換機)進行通信，具體是以4輛車為1個單元，且單元內(nèi)交換機通過車輛級以太網(wǎng)線連接到本車內(nèi)部的設(shè)備，如CCU(中央控制單元)、HMI(人機顯示界面)、IOM(輸入輸出模塊)及其他子系統(tǒng)設(shè)備。中國標準動車組以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

2 中國標準動車組以太網(wǎng)控車重聯(lián)模式

2.1 重聯(lián)方式和位置映射

2列列車進行重聯(lián)時，有2種重聯(lián)方式(見圖2)：

1) 重聯(lián)方式1：編組1的8車和編組2的1車進行重聯(lián)。其特征為編組1的2端ETB(以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng))節(jié)點和編組2的1端ETB節(jié)點有重聯(lián)信號。

2) 重聯(lián)方式2：編組1的8車和編組2的1車進行重聯(lián)。其特征為編組1的2端ETB節(jié)點和編組2的1端ETB節(jié)點有重聯(lián)信號。

注：CIOM為司機室輸入輸出模塊；WTD為無線傳輸裝置。圖1 中國標準動車組以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of China standard EMU Ethernet topology structure

a) 重聯(lián)方式1

列車接收到ETB節(jié)點的過程數(shù)據(jù)后，通過該過程數(shù)據(jù)的位置信息，將所有ETB過程數(shù)據(jù)端口映射到車輛的實際位置[1]。2種重聯(lián)方式的位置映射方式一致；在完成節(jié)點索引和節(jié)點識別后，網(wǎng)關(guān)可根據(jù)節(jié)點索引、節(jié)點地址及列車編組編號正確地判斷所有網(wǎng)關(guān)的順序和位置。

2.2 重聯(lián)列車以太網(wǎng)應(yīng)用初始化

重聯(lián)信號的判斷依據(jù)為網(wǎng)關(guān)在重聯(lián)端時為有效信號，重聯(lián)端的重聯(lián)信號為高電平信號，非重聯(lián)端的重連信號為低電平信號。重聯(lián)信號采用布爾類型變量，并作為過程數(shù)據(jù)中的一部分進行通信。前編組和后編組的判斷原則為：列車占用的編組為前編組，列車非占用的編組為后編組。如果列車由占用狀態(tài)轉(zhuǎn)為非占用狀態(tài)，編組位置保持不變；如果列車未被占用，則按照節(jié)點索引序列進行判斷，索引為1的節(jié)點所在編組為前編組。

當列車重聯(lián)時，占用司機室的列車向前，方向是該單元的方向1；占用司機室列車向后，方向是該單元的方向2。占用司機室所在編組中，非占用司機室單元的列車向前，方向是該編組的方向2；占用司機室所在編組中，非占用司機室單元的列車向后，方向是該單元的方向1。非占用司機室所在編組中，聯(lián)掛單元的列車向前，方向是該單元的方向1；非占用司機室所在編組中，聯(lián)掛單元的列車向后，方向是該單元的方向2。非占用司機室所在編組中，非聯(lián)掛單元的列車向前，方向是該單元的方向2；非占用司機室所在編組中，非聯(lián)掛單元的列車向后，方向是該單元的方向1。

2.3 TTDP拓撲協(xié)議

列車級以太網(wǎng)傳送TTDP(列車實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議)報文并不斷實時刷新列車車輛拓撲信息，按照報文功能分為TTDP Hello報文和TTDP Topology報文。其中，TTDP Hello報文主要負責(zé)為列車級網(wǎng)絡(luò)的底層建立連接信息；TTDP Topology報文增加了含有車輛級網(wǎng)絡(luò)拓撲的信息，主要功能是用來實現(xiàn)全部列車的拓撲結(jié)構(gòu)，通過TTDP拓撲協(xié)議映射出完整的列車拓撲結(jié)構(gòu)。

2.3.1 TTDP Hello報文

在標準的LLDP協(xié)議(鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議)中，附加了對應(yīng)TLV(類型-長度-數(shù)值)的列車級拓撲發(fā)現(xiàn)信息，形成了TTDP Hello報文，主要用來實現(xiàn)列車級底層信息交換。在標準LLDP發(fā)現(xiàn)協(xié)議的基礎(chǔ)上對其進行改造，改造的優(yōu)點在于提高該協(xié)議的兼容性，使其在普通交換機上亦可傳送，提高了通信信息的可靠性。將設(shè)備的配置能力、地址分配、整體標記、接口標記等信息存儲在LLDPDU(鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元)中，從而產(chǎn)生TTDP Hello TLV，通過重組其他標準LLDP字段后組成了TTDP Hello報文。TTDP Hello報文僅在相鄰設(shè)備間進行報文傳輸，由于協(xié)議的設(shè)定原則上限定了報文的傳送范圍，導(dǎo)致相鄰設(shè)備接收報文后不發(fā)送此報文給其他設(shè)備。列車級以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)屬于線性拓撲，其在端節(jié)點僅有1個相鄰設(shè)備，在中間節(jié)點均有2個相鄰設(shè)備。因此，列車級以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可依靠TTDP Hello報文取得相鄰?fù)負潢P(guān)系的列車級以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的地址，從而形成關(guān)系列表。TTDP Hello報文格式見圖3。

注：HDR為頭部結(jié)構(gòu)；ID為標志符；LLDPDU為鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元；CRC為循環(huán)冗余碼校驗。圖3 TTDP Hello報文格式示意圖Fig.3 Diagram of TTDP Hello Message format

TTDP Hello報文按傳送時序分為正常模式和快速恢復(fù)模式。在正常模式時，相鄰設(shè)備之間報文傳送的模式為正常模式，傳送周期為100 ms。當出現(xiàn)線路故障或設(shè)備故障等非正常模式時，若超過130 ms未收到相鄰對應(yīng)設(shè)備傳送的Hello報文，此時觸發(fā)快速恢復(fù)模式[2]；此時列車級以太網(wǎng)設(shè)備將以周期為15 ms的頻率發(fā)送報文，相鄰列車級以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收相鄰設(shè)備發(fā)送的快速恢復(fù)模式的Hello報文后，優(yōu)先以最高優(yōu)先級向相鄰設(shè)備發(fā)送Hello報文，保證列車級信息連接的可靠性。

2.3.2 TTDP Topology報文

TTDP Topology報文是在LLDPDU報文的基礎(chǔ)格式上進行了大范圍修改，增加了ETB TLV和CN(車輛網(wǎng)絡(luò)) TLV兩個關(guān)鍵字段，作用是為了傳輸列車級拓撲信息和車輛級拓撲信息，且需刪除原有報文中必須含有的底層ID TLV、端口ID TLV、TTL(生存時間)TLV等字段信息。與TTDP Hello報文相比，TTDP Topology報文在整個列車級網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸時，處在列車級以太網(wǎng)上的所有以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)均會接收信息且相互之間共享列車級拓撲信息。正常狀態(tài)下，TTDP Topology報文發(fā)送數(shù)據(jù)的周期為100 ms，以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收報文信息的有效時間為400 ms，若超過有效時間則判斷為超時信息內(nèi)容無效。若以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從接收到上一個TTDP Topology報文的時刻算起，在有效時間內(nèi)未收到TTDP Topology報文，則認為列車級以太網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)故障失效或設(shè)備離線。列車級以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)若超過1 s未收到TTDP Topology報文，則判斷設(shè)備自身處于單機運行狀態(tài)，即列車級以太網(wǎng)中只含有本地網(wǎng)關(guān)。

3 結(jié)語

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以太網(wǎng)在軌道交通列車上的應(yīng)用已成為一種發(fā)展趨勢[3]。本文主要從重聯(lián)模式狀態(tài)下對中國標準動車組以太網(wǎng)控車進行研究?；谥袊鴺藴蕜榆嚱M的重聯(lián)方式，根據(jù)列車級骨干網(wǎng)過程數(shù)據(jù)映射出車輛的位置，通過司機室的占用確認編組位置及方向信息。TTDP Hello報文附加了TLV功能，實現(xiàn)了列車底層的信息交換；TTDP Topology報文刪減了相關(guān)報文信息，增加了含有車輛級網(wǎng)絡(luò)拓撲的信息，從而實現(xiàn)整體列車拓撲結(jié)構(gòu)；TTDP Hello報文和TTDP Topolog報文均設(shè)有故障診斷功能，其可對網(wǎng)關(guān)故障及其離線狀態(tài)進行診斷，且無論是在單組或重聯(lián)模式下都可以快速、安全、可靠地保證列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸和診斷。