以太网在高速动车组通讯网络中的原理及故障分析

以太网在高速动车组通讯网络中的原理及故障分析

张,柠

        中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130062

摘  要：车载网络系统作为列车的“大脑”，负责列车的控制、监控和信息传递。随着高速动车组智能设备的应用及列车服务系统的逐步升级，TCN网络已逐步无法满足高速动车组对网络带宽的需求。工业以太网以其传输速率高、结构简单等已在工业领域取得重大应用，但以太网络的不确定性和非实时性在高速动车组领域发展较为缓慢。

关键词：网络系统  TCN网络  工业以太网

一、高速动车组网络

列车网络作为现代列车的关键技术之一，连接列车上的各车载设备，实现列车的控制、监测、信息传递等关键作用。随着高速列车的发展，车载智能设备的应用与日俱增。为了列车安全运行，在快速、可靠的基础上实现列车上设备间数据交互成为了必备功能。随着人民对出行舒适度要求的不断升高，各式各样的人机交互设备在新型动车组中使用。导致大量的数据充斥于列车组通讯网络系统中，列车通讯网络系统面临着前所未有的挑战，一方面要确保网络的实时性和稳定性，另一方面大容量数据能够实现传输。

1.TCN网络

TCN网络采用绞线式列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）两级结构。TCN列车通讯网络采用分级的网络拓扑结构，属于局域网系统。上层WTB绞线式列车总线，连接列车的各网络节点，负责节点间的信息传递。下层为MVB多功能车辆总线，负责连接车辆内部的可编程终端设备，实现车辆内部的信息传递[1]。

图1  TCN网络拓扑图

TCN网络具有如下特点：

2.1分层控制系统:列车通讯网络采用两级结构，列车级网络连接司机控制站、控制设备站和采集数据站，实现对列车的监控、控制和故障诊断；车辆级网络连接车辆内部的各部件间的信息传递，负责对车辆级的控制和信息采集。

2.2实时控制系统:列车处于动态过程中，各部件系统工作，具有复杂、频繁的信息交互。要求列车的通讯网络必须对列车进行实时性控制。WTB和MVB的强实时性使得TCN网络得到了大量的应用。

2.3开放式控制系统:由于高速动车组各部件供应商不同，通讯制式存在一定差异。为了使不同生产制造商的设备能够互连，列车通信网络遵循ISO7498标准规定的ISO/RM。因此，TCN 体系结构是一个开放式系统。

2.4可靠性控制系统:由于高速动车组的工况要求，列车通讯网络必须是一个高可靠性的通讯网络，必须满足流通性大、网络负载稳定性高、抗干扰能力强、可靠性要求高等特点，当出现错误操作及部件故障后，仍能保证网络通讯不中断。

3 以太网网络

以太网（Ethernet）是一个全球不同的物理网络根据层次关系连接到一起形成的逻辑性计算机网络。以太网体系结构为树状结构，分为主干网络、外围网络及连接主干网络与外围的核心网关构成。以太网可以通过多种不同介质进行传播，例如光纤、屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、细同轴电缆、粗同轴电缆等都可以用于以太网传播[2]。

以太网作为目前应用最广泛的计算机通讯技术，各个网关及数据传输系统中通常采用Ethernet连接。具有以下特点:

3.1传输速率高：以太网传输速率可以到达1000Mbps，甚至10Gbps，远高于其它各种网络通讯形式，可以完全满足列车通讯需求；

3.2网络结构简化：以太网结构成本低廉且结构简单，同时支持不同的物理传输介质和拓扑结构，与其它网络相比，以太网网络没有相关的网络单元，大大简化了网络结构。同时以太网集成度较高，立于高速动车组的网络系统的简单易维护；

3.3具有良好的兼容性：以太网具有高兼容性，实现了即插即用，系统升级效率高，在软件资源支持下，可实现不同介质、不同工作模式和不同工作速率之间的切换，展现了良好的兼容性。同时

3.4应用范围较广：以太网可以同时兼容车地网络，实现车地信息高速共享，实时的为地面控制中心提供车组动态数据，实现车组状态全感知，易于车组的应用和免维护。

3.5不确定性和非实时性：以太网的不确定性和非实时性严重制约了以太网在严格要求确定性和强实时性的车载通信网络中的应用。当多个车载设备节点同时发送数据，将导致数据抢占信道的情况，其中部分数据需等待其它数据传输完毕后才能发送至至信道中，造成网络时延，甚至丢失数据。

3.6抗干扰能力差：以太网的出现是作为计算机领域的一部分，对于安全性和稳定性要求较高的工业领域，复杂的外界环境将导致以太网的安全性和稳定性逐渐下降，在高速动车组中，抗干扰能力是其中一个重要指标，为了保证车组的安全稳定运行，必须提高抗干扰能力[3]。

二、以太网在车辆控制上面的应用

随着智能工业产业的高速发展，工业以太网技术正在快速向着工业自动化方向发展，随着列车智能设备的不断投入，车载监控设备的日趋完善，大量数据逐步涌入车载通讯网络，信息数据不断地增多，TCN网络已成为制约高速动车组向智能动车组方向的改变的主要因素。工业以太网不仅可以成为列车网络，而且也可以成为车辆网络，直接挂接终端设备，实现在列车通信网络中的全覆盖，有利于提高列车通信效率和质量。

4.1 TCN网络+以太网

车载网络同时采用TCN网络和工业以太网，车辆重点控制设备和影响车辆运行安全的设备使用TCN网络控制，实现列车传输关键小数据量时的实时性和确定性。在车辆视频监控、旅客信息系统等方面采用工业以太网网络，实现大数据量的高速传输，对于此部不涉及安全方面任务的地方，以太网完全满足相关要求。此种构型易于对现有动车组进行改进，实现高速动车组的初步智能化、可视化，快速解决目前动车组网络带宽不足的问题[4]。

4.2独立以太网

使用工业以太网作为列车网络系统，列车级以太网设备具备列车级网络初运行功能和满足列车级数据传输性能的要求，以太网控车时仍具备监视和维护功能。同时以太网设备应具备冗余功能，满足单部件故障后，不影响列车通信。

图2  以太网网络拓扑图

动车组网络控制系统以太网网络主要实现列车控制信息、故障数据、状态信息的交互，其拓扑结构主要分为列车级ETB和车辆级ECN两层结构，动车组网络采用线性拓扑结构，两路冗余设置。列车级采用ETB总线贯穿全车，通过1/8车各设置两个互为冗余的ETBN实现跨编组数据交互，通信链路采用双线链路聚合实现ETB链路冗余。单元内ECN网络采用两个ECNN交换机组成ECN线性网贯穿整个牵引单元。

4.3 冗余设备控制

为了保证重要部件在故障后可保证车组可正常工作。对关键部件实现双系统冗余设计，保证单系统故障后，功能不受影响；部分重要设备实现单系统双端口冗余，保证单系统故障后，对整车运营不造成影响，仅影响部分子系统性能；对于无影响设备未进行冗余设计，实现车组网络设计简洁易于维护。

表1  动车组网络部件冗余设计

为了保证重要部件在故障后可保证车组可正常工作。对关键部件实现双系统冗余设计，保证单系统故障后，功能不受影响；部分重要设备实现单系统双端口冗余，保证单系统故障后，对整车运营不造成影响，仅影响部分子系统性能；对于无影响设备未进行冗余设计，实现车组网络设计简洁易于维护。

4.4以太网交换机

列车以太网交换机作为以太网通信设备，承担了列车级、车辆级以太网控制数据及维护数据的传输功能。头车布置两个列车级以太网交换机实现列车级骨干网数据交换功能及子系统接入功能，中间车每车各布置一个车辆级以太网交换机实现车辆级编组数据交换及子系统接入功能，列车级中继器独立。

由于ECN端口增加，编组网拓扑由单个机箱作为变更为两块ECN交换板独立承担组网功能，原方案任一机箱故障不影响整车以太网通信，现为任一单板或机箱故障均不影响整车以太网通信，提高了设备冗余性。

新方案简化了交换机拓扑结构，减少了ECN节点数量，降低交换机整体故障率，以双板卡组网方式增强了以太网拓扑的冗余性，整体提高了网络系统以太网控车的可靠性。同时，板卡数量减少将降低后期维护、软硬件管理难度，减少管理问题引发风险的概率。

三、以太网设备故障对车组的影响分析

动车组网络系统系统作为关键部件之一，发生故障后严重制约到动车组的稳定运行，同时由于动车组网络系统较为复杂，动车组运行在复杂电磁环境中，对网络系统的要求不断提高，对动车组网络系统工作的稳定性提出了更高的要求。

工业以太网作为动车组的网络系统，既可以满足大容量、快速高效的数据传输要求，也可以满足系统的可扩展性，通过双ECCN独立使用，可以实现全部系统的复线冗余，避免线缆故障对设备的影响。同时单车ECNN与部件独立连接，独立于TCN网络的串联结构，避免了单段线路故障对其余设备的影响，提高了车组的稳定性和冗余性。

以太网相关故障对车组各部件的影响如下：

表2  动车组网络系统故障统计

工业以太网网络作为现阶段工业发展基础，正逐步进入高速铁路车组，以太网的大规模使用，既可以提高车组网络系统的稳定性和冗余作用。同时，实现动车组高速扩展性。满足未来动车组的发展需求。

结语

高速动车组的发展日趋向智能化、可视化方向发展，车车、车地数据传输数据与日俱增；随着生活标准的提高，人们对列车的服务也提出了更高的要求，动车组出现大量车载智能设备不断投入使用，列车网络系统中的数据量不断增加，列车既有网络带宽已无法满足高速动车组的发展需求，工业以太网凭借其在传输速度、网络带宽方面的绝对优势必将成为未来高速动车组车载网络的首要选择。

参考文献：

[1]邢震. 基于交换式以太网列车通信网络的研究[D]. 北京交通大学: 北京交通大学,2013.

[2]张军. 基于以太网的列车通信网络优化设计与实现[D]. 广西大学: 广西大学,2019.

[3]郑子健. 车载以太网通信技术研究[D]. 河北工业大学: 河北工业大学,2019.

[4]高嘉琪. 基于WTB协议及ETB协议的通用平台设计与实现[D]. 华中科技大学: 华中科技大学,2019.

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