应用于列车门控系统的以太网拓扑结构设计

摘 要：随着当前时代发展，科学技术的不断进步，无论是什么行业都无法离开互联网，以太网作为互联网的基础技术之一，已经广泛运用到各个领域当中，但是在轨道交通领域当中，其应用相对缓慢，这也阻碍了该领域的智慧化发展道路。文章探讨了轨道交通现有门控系统以太网拓扑存在的局限，设计全新的低成本且具备高可靠性的门控系统以太网拓扑结构。

关键词：列车门控系统;以太网;拓扑结构

近年，国际电工委员会发布全新标准，增加IEC 61375列车以太网相关标准，随着新标准发布，多个国内外列车生产商，都将以太网作为车辆总线。IEC61375-2-5标准中定义了基于以太网的列车骨干网，定义了列车网络拓扑可由一层或多层列车骨干子网和一层或多层的編组子网络组成。文章对终端设备（简称ED）即门控系统接入的ED级网络拓扑进行讨论。

一、 轨道列车门控系统现状

轨道列车门控系统是控制高速列车（和谐号、复兴号等）和城市地铁的核心电气设备之一。其系统设计、各个部件制造可靠性和软件控制逻辑所实施的安全策略均对列车的运行安全和可靠产生重大影响，因此，在列车系统中占据重要地位。在中国的轨道交通发展早期，轨道列车门控系统同众多列车设备一样以进口为主，无论是高速动车组还是地铁列车，其门控系统均采购自IFE和FAIVELEY等国外厂商。步入21世纪后，国家提出轨道交通设备国产化的战略，在此战略下诞生诸如南京康尼机电这样的具备自主知识产权的列车门控制系统民族品牌。随着人工智能技术的不断发展，可以预见列车门控系统将往信息化、智能化方向发展。

二、 门控系统以太网拓扑结构现状分析

（一）星形以太网拓扑结构

现有列车的以太网拓扑以星形结构为主，这种网络结构中的ED是采取点对点的方式接入列车的交换机。对于列车门控系统而言，其核心部件车门控制单元（DCU）接入列车交换机。星形拓扑结构设计的缺点：

1. DCU是列车设备中数量最多的电气设备，采用星形拓扑，需要购买更多的交换机来提供足够网口接入DCU，而导致车辆制造成本的上升。并且，采用该拓扑结构，每个DCU与交换机之间都需要通过网络线缆连接，这将耗费大量网络线缆，也增加车辆制造成本。

2. 星形拓扑结构不具备冗余功能。一旦DCU与交换机之间的线缆断开连接，DCU将无法与列车控制管理系统建立网络通讯。这对于可靠性要求较高的列车网络通讯来说是难以接受的。

（二）门控系统链式网络拓扑结构

为了降低车辆制造成本，个别列车门控系统的以太网拓扑采用链式拓扑。链式网络拓扑结构连接方式为：车厢内的一侧DCU以链式连接的方式接入一个交换机网口，另一侧的所有DCU同样以链接方式接入交换机的另一网口。两侧网络中间不能互相连接，因为一旦在物理上形成连接，就会造成路由环路，导致网络瘫痪。链式拓扑虽可以节约网络成本，但并没有网络冗余功能。一旦某一个DCU网线断开，后续所有DCU都将和网络断开连接。

（三）IEC61375冗余以太网拓扑

IEC61375-3-4标准针对ED级网络，推荐三种采用双归属技术的冗余方案，分别为并行双归属网络拓扑、环形双归属拓扑和梯形双归属拓扑。为网络设备提供双独立网口是双归属的优势，使用网络节点备份的网络容灾方法。以上几种冗余网络虽然拥有冗余功能的优势，但占用了很多的交换机网口，同星形拓扑一样存在着成本过高的难题。

三、 双主站链接冗余以太网拓扑结构设计

通过借鉴双归属技术，并充分结合链式拓扑，由此设计出来的双主站链式冗余以太网拓扑结构，不仅具备冗余功能，还具备制造成本低的优势（占用较少交换机的网口）。其设计步骤如下。

（一）通过虚拟局域网技术，将主车门控制单元（MDCU，主站）的两个网口配置成双物理地址模式，本地车门控制单元（LDCU）的两个网口配置成交换机模式。MDCU的两个网口物理信号相互隔离，分别拥有独立的物理地址和网络地址。LDCU的两个网口物理信号相通，使用相同的物理地址和网络地址。

（二）两个MDCU即双主站的其中一个网口分别接入编组以太网交换机网口，接入车辆级以太网网络，另一个网口与首尾两个LDCU相连接。车厢两侧的所有LDCU采用链式方式相互连接，共同组成一个双主站链式ED级网络拓扑，如图1-9所示。MDCU的两个相互隔离的网口，将车辆级网络与ED级网络完全隔离，因此该拓扑结构不会发生因为路由回路而导致的网络瘫痪。

以上新设计的双主站链式以太网拓扑结构具备冗余功能。当任何一个MDCU与编组交换机之间出现断线事故，未发生故障的MDCU将承担与列车控制管理系统网络通讯功能。当相互连接的LDCU之间发生线缆断开故障，两个MDCU将分别承担线缆断点两侧所有DCU与列车控制管理系统间的网络通讯工作。该设计相对于现有的网络拓扑，实现方式简单，且在最大限度保证门控系统与列车控制管理系统通讯的可靠性，又降低制造成本，拥有了极大优势。

四、 结语

文章对门控系统以太网拓扑结构现状进行深入探讨，得出了三种网络拓扑的优劣势对比，设计出了全新的且更为优秀的双主站链式冗余以太网拓扑结构。该网络拓扑结构，已经在国内多个轨道列车项目上得以应用，并产生较好的经济和社会效应。

参考文献：

[1]IEC 61375-2-5.Electronic railway equipment – Train communication network（TCN）–Part 2-5：Ethernet train backbone[S].2014

[2]赵光波，杨尚平.城市轨道车辆车门的发展现状与展望[J].流体传动与控制，2008（1）：38-43.

作者简介：詹先理，南京康尼电子科技有限公司。