實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的地鐵車輛通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

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摘要:介紹了地鐵車輛常見的列車通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的新方案，并針對(duì)不同車載系統(tǒng)的特征，完善了各類入網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí)以太網(wǎng);地鐵車輛;列車通信網(wǎng)絡(luò)

1地鐵車輛通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

地鐵車輛通常采用符合IEC－61375系列標(biāo)準(zhǔn)的WTB總線、MVB總線及符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線來構(gòu)建列車通信網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱TCN)的骨干網(wǎng)絡(luò)，各類車載系統(tǒng)可以接入骨干網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)與列車中央控制單元之間的通信和交互。TCN核心設(shè)備有列車中央控制單元(VCM/VCU)，數(shù)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(jī)交互設(shè)備(HMI)及中繼和網(wǎng)管設(shè)備。1．1骨干網(wǎng)根據(jù)各類地鐵列車實(shí)際需求的不同，骨干網(wǎng)常見設(shè)計(jì)有:1．1．1WTB+MVB兩級(jí)或多級(jí)網(wǎng)絡(luò)WTB總線實(shí)現(xiàn)不同列車之間微機(jī)設(shè)備的自動(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)兩列車網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，MVB總線用于構(gòu)建列車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。這類網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法通常用于有多車重聯(lián)運(yùn)營(yíng)及靈活編組需求的列車。1．1．2兩級(jí)MVB總線對(duì)于固定編組單列運(yùn)營(yíng)的車輛，通常采用兩級(jí)MVB總線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，車輛級(jí)MVB總線用于構(gòu)建單節(jié)車廂內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，而列車級(jí)MVB總線用于實(shí)現(xiàn)多節(jié)車廂網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。1．1．3基于CANOpen協(xié)議的CAN總線對(duì)于尺寸較小，各類微機(jī)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單的列車，可以采用CAN總線來簡(jiǎn)化列車通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線最先應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，而在軌道交通領(lǐng)域，通常應(yīng)用于有軌電車、通勤車等車輛。1．2子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常子系統(tǒng)控制主機(jī)可以直接接入列車骨干網(wǎng)中的車輛級(jí)總線，與列車通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和信息交互。根據(jù)廠家和系統(tǒng)設(shè)備的不同，子系統(tǒng)通信接口一般采用MVB、RS422/RS485、以太網(wǎng)和CAN等接口型式，若子系統(tǒng)通信接口協(xié)議與骨干網(wǎng)不同，則需配置通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊來輔助該系統(tǒng)與骨干網(wǎng)設(shè)備通信。

2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

2．1實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)合的設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)運(yùn)用于軌道交通車輛的初期，面臨部分子系統(tǒng)設(shè)備無法滿足軌道實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的難題。在這個(gè)特定時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)控制總線采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)總線相結(jié)合的設(shè)計(jì)。，TCMS與牽引控制系統(tǒng)、輔助電源及制動(dòng)系統(tǒng)也采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信，但諸如信號(hào)系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)仍使用MVB通信與TCMS交互(借助協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備)。該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案即驗(yàn)證了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在軌道車輛上的可行性、可靠性，又能適應(yīng)其他系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀。2．2完全實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)了各子系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，原存在于各系統(tǒng)內(nèi)部的CAN總線內(nèi)網(wǎng)、RS485內(nèi)網(wǎng)及以太網(wǎng)等都可以取消。TCMS與車載各子系統(tǒng)均直接采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。。圖3實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)系圖2．2．1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?節(jié)編組城軌車輛為例。列車控制網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)以提高冗余度與可靠性，且每列車配置兩臺(tái)工業(yè)級(jí)兩層交換機(jī)，單臺(tái)關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)備可以同時(shí)接入兩臺(tái)交換機(jī)與以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，子系統(tǒng)設(shè)備需具備兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口。接入網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)取消各自的交換型內(nèi)網(wǎng)，若網(wǎng)絡(luò)中存在其他子網(wǎng)且需與骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)交互時(shí)，可對(duì)兩層交換機(jī)劃分物理VLan或使用三層交換機(jī)。2．2．2關(guān)鍵子系統(tǒng)入網(wǎng)方案對(duì)于車輛安全相關(guān)的子系統(tǒng)和對(duì)行車影響較大的子系統(tǒng)，其設(shè)備使用兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口分別接入所在車廂的兩臺(tái)交換機(jī)。即其中一路故障時(shí)，另一路仍可以與骨干網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。且單臺(tái)交換機(jī)故障或交換機(jī)所處的線路故障是，該關(guān)鍵設(shè)備仍然可通過另一臺(tái)交換機(jī)接入骨干網(wǎng)中，提高了該系統(tǒng)的通信可靠性。452．2．3非關(guān)鍵子系統(tǒng)入網(wǎng)方案部分子系統(tǒng)僅需向TCN上報(bào)狀態(tài)與故障，且其系統(tǒng)故障不會(huì)影響車輛運(yùn)營(yíng)，則此類系統(tǒng)的設(shè)備通常單路接入骨干網(wǎng)，2．2．4車門系統(tǒng)入網(wǎng)方案車門的打開與關(guān)閉與運(yùn)營(yíng)密切相關(guān)，單個(gè)車門故障不會(huì)影響本次列車下線，但發(fā)生同側(cè)車門故障時(shí)，列車將無法繼續(xù)運(yùn)營(yíng)。因此，一節(jié)車廂的所有車門接入骨干網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮容錯(cuò)性更高的方案同為左側(cè)門的1#、3#、5#和7#門分別連接在兩臺(tái)交換機(jī)上，同為右側(cè)門的2#、4#、6#和8#門也分別連接在兩臺(tái)交換機(jī)上，當(dāng)單臺(tái)交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，僅會(huì)造成左右兩側(cè)各2個(gè)門無法開關(guān)，左右側(cè)仍然有車門可以正常動(dòng)作，避免由于該故障而導(dǎo)致車輛無法上下客，尤其在單程運(yùn)營(yíng)即將結(jié)束時(shí)，司機(jī)可以繼續(xù)駕駛車輛完成后續(xù)站點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)任務(wù)并返回車輛段處理故障。

3結(jié)語

相較于MVB、WTB及CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量和更高的傳輸實(shí)時(shí)性。使用一套以太網(wǎng)取代車載設(shè)備間紛繁復(fù)雜的各種內(nèi)網(wǎng)，簡(jiǎn)化了車輛布線結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。目前，車輛對(duì)實(shí)時(shí)流媒體信息傳輸、車輛健康管理及大數(shù)據(jù)分析的需求日益擴(kuò)大，而常規(guī)總線受自身帶寬限制無法滿足上述功能，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)勢(shì)必將以新型骨干網(wǎng)絡(luò)的姿態(tài)登上軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制的舞臺(tái)。

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作者:張楊 劉博 單位:中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心