列车多网融合以太网技术在西安地铁中的应用

师 帅

(西安市轨道交通集团有限公司 运营分公司，陕西 西安 710000)

随着我国轨道交通行业的蓬勃发展，利用工业以太网作为列车通信网络是目前轨道车辆通信研究的热点。工业以太网具有更高的数据传输速率(不低于100 Mbit/s，甚至达到1 000 Mbit/s)和带宽，并具有组网灵活、可靠性高、便于维护等优势，使大量信息传输、智能诊断、故障精确定位、专家诊断等功能成为可能，为支撑多业务传输的网络融合技术开辟了新的途径，并将彻底改变既有地铁列车多个业务多种网络混杂使用的现状。

随着地铁列车运营要求的提高，目前地铁列车网络的应用模式是同时配置多套彼此分离的以太网网络，如列车控制网络、以太网维护网络、专家诊断系统网络、乘客信息系统(PIS系统)传输网络与多媒体网络、列车广播系统(PA系统)传输网络与多媒体网络以及其他基于以太网通信的子系统网络(如走行部监测内网、车门内部通信网)等。多套彼此分离的以太网网络加大了列车通信网络的复杂程度，使得列车设计、运营、维护成本大幅度增加，因此，将多套彼此分离的车载以太网网络进行一体化融合设计，实现数据传输网络、多媒体网络、维护网络、信息网络等多网合一，组建成一个整车一体化以太网数据大动脉，可提高以太网设备利用率，为健康诊断系统及大数据平台构建车载平台基础，对地铁列车控制、大数据应用具有重要的意义。西安市轨道交通集团有限公司对此开展了相关的技术方案研究与论证，以期为未来地铁列车以太网网络融合技术的推广提供技术参考。

1 多网融合以太网技术方案介绍

多网融合以太网技术主要是指对各系统的以太网进行融合，多网融合以太网系统具有高带宽、高实时性等优势，可提升列车的可靠性、可维护性、可监控性，有效降低列车运营、管理、维修的难度，支撑日益增加的列车智能化、大数据等多元化业务需求。多网融合以太网系统可实现以下功能：

(1) 整车以太网维护网功能。能够为各子系统微机控制单元提供一致的维护介质，各单元通过以太网交换机组成列车局域网。各网融合以太网上设置的标准的高速服务接口(以太网接口)，在每列车司机室内维修人员容易接近的位置设2个以太网接口。列车维修人员使用笔记本电脑通过以太网接口连接到多网融合以太网，即可实现与连接到本地以太网接口完全相同的功能。使用各系统供应商提供的维护软件对相应的列车设备进行维护操作，可对设备进行调试，软件装载，读取设备的状态信息、过程数据和所储存的信息。

(2) PIS系统传输网络与多媒体网络、PA系统传输网络与多媒体网络功能。在不额外增加以太网硬件的基础上建立整车音视频数据传输网以及内部控制网，实现控制信息及多媒体数据的交互功能。

(3) 以太网信息网功能。多网融合以太网为整车搭建以太网信息网，为各子系统的以太网维护数据传输提供有线传输通道；LTE(长期演进)接入融合以太网，为各子系统的以太网维护数据上传提供无线传输通道；列车数据采集单元通过多网融合以太网收集各子系统的以太网维护数据，并通过LTE通道传输至地面相关服务器，实现列车以太网信息网功能，并为列车智能运维、大数据收集提供数据基础。

(4) 子系统内部控制网功能。替代车载子系统原有的以太网内部控制网，实现子系统(例如逻辑控制单元、走行部监测系统、弓网监测系统、车门控制单元等)内部各控制单元数据传输的功能。

2 多网融合以太网网络拓扑

多网融合以太网网络拓扑结构如图1所示。

Tc.带司机室的拖车；Mp.带受电弓的动车；M.动车；CCU.中央控制单元；ERM.数据记录单元；HMI.人机接口单元；BCU.制动控制单元；FAS.烟火系统；TDS.走行部监测系统；PIS.乘客信息系统；SM.超级管理接口；BMS.蓄电池管理系统；EDCU.车门控制单元；DCM.数据采集单元；SIV.辅助控制单元；ACU.空调控制单元；ATRP.列车雷达防护单元；ACU-C.司机室的空调控制单元；CCU-D.牵引记录单元；PMS.受电弓监控系统；DCU.牵引控制单元；CAM.网络摄像头。

如图1所示，Tc车的CCU、ERM、HMI、BCU、FAS、TDS、PIS、SIV、ACU等设备，Mp车的ACU、PMS、TDS、EDCU、DCU等设备，M车的ACU、SIV、EDCU、DCU等设备均接入千兆交换机的百兆网口。PIS、TDS接入到本车的主干交换机上，其车与车之间系统内部的主机不再需要原来的线缆进行连接，其系统内的数据传输都是通过列车主干网来进行的。考虑到PIS系统及其余系统的数据传输要求，在带宽设计上搭建的是一个千兆的列车以太骨干网。

在网络架构上，按照可靠性设计要求，列车网络采用了环网冗余技术，所有交换机均通过跨接方式相连，在主线路断开的情况下，可以快速切换至备份链路，保证数据的可靠稳定传输[1]。所谓环网是指交换机的连接方式为一个环，其中一台交换机被设定成主交换机，其他交换机为从交换机。主交换机会决定这个环行拓扑中其中一段为备份链路，正常情况下备份链路并不传输数据，当网络中线路发生断开的情况下，备份链路会快速打开，保证数据可以继续在网络中进行通信[2]。

3 关键技术

列车多网融合以太网网络通过下文几种主要技术来实现对整体网络流量的控制和规划，建立稳定可靠的数据传输通道，同时为以后业务的扩展和接入预留空间。

3.1 端口广播流量限制

通过设置交换机来限制广播数据包在交换机上的转发，从而限制广播数据包在网络中传播和扩散，避免出现广播数据包在网络中大量复制转发，导致网络性能下降甚至网络瘫痪。

3.2 端口速率限制

通过设置端口的通信速率来控制端口上的流量总数，屏蔽端口非业务流量的流量总数，保证正常业务能够取得合理的带宽以及高优先级别。交换机能够设置端口速率的基础单位为该端口速率的5%。例如：对于提供重要行车数据的系统，通过对其接入端口数据流设置较高的优先级，并对其他低优先级数据流进行限制，确保该系统数据流取得合理的带宽，从而保障其正常传输。

3.3 网络服务质量(QoS)设置

QoS是网络流量控制设计中的重要环节，它可以通过对业务流量或者端口的敏感度来划分优先级别，保证重要的业务数据优先转发。依据当前项目规划，将PIS系统数据优先级设为最高，TDS系统数据优先级设为中级，专家诊断系统业务数据优先级设为较低。

3.4 VLAN划分

通过VLAN划分能够抑制过多广播包应用的网络，把相关业务终端划分在同一个VLAN中，保证广播包业务在本VLAN中传播，不占用整体网络带宽。

以Tc1车为例介绍VLAN划分，交换机设置4个VLAN区域。维护网络、PIS系统、TDS系统各设置在3个不同的VLAN，用于外部设备接入列车网络以访问列车维护数据的端口设置为独立的VLAN。

可以根据需要设置VLAN ID，一般设置为10、20、30、40等，而交换机上未被占用的网口，将其VLAN ID设置为1。不同设备的以太网数据根据不同的VLAN在限定的区域中进行以太网数据的转发，而作为级联用的以太网交换机网口，设置为通道模式，允许跨设备访问所有的VLAN。

3.5 安全规划

需对各个业务数据流走向提出需求，例如允许或拒绝访问的要求，超级管理接口的设置等。只可以通过指定的便携式测试单元(PTU)接入设置的超级管理接口，对各系统进行访问。图2为以太网VLAN安全规划示意图，假设将端口 1(VLAN100)设置为超级管理接口，接入端口1的PTU可以访问VLAN20和VLAN30的所有设备，但是VLAN20和VLAN30的设备不能互访。VLAN20和VLAN30的设备互访可通过在防火墙配置文件中设置规则来实现。

图2 以太网VLAN安全规划示意图

3.6 流量控制

流量控制能够确保交换机在存储-转发的机制下，在网络中有短时间流量突发或者流量井喷时能够实现不重发不丢包的数据传输，保证正常业务的实时通信。例如：在PIS系统中，多台摄像头同时向一个终端短时发送大量数据流，由于超出终端对应交换机端口的最大转发速率，当该端口接收队列溢出时，多出的数据将会被丢弃。通过交换机的流量控制功能，提前对摄像头对应交换机端口发送消息控制传输速率，可避免上述情况的出现。

4 硬件支持

西安地铁智慧列车多网融合以太网技术方案的硬件配置如表1所示(以6辆编组列车为例)。

表1 西安地铁智慧列车多网融合以太 网技术方案的硬件配置 台

多网融合以太网线缆的选取条件是：

(1) 工业百兆网线通常采用4芯网线，绞合方式为4芯中心绞合；工业千兆网线采用8芯网线，绞合方式为两两双脚在中心绞合。

(2) 工业网线通常采用屏蔽网线，百兆4芯网线通常采用外层整体屏蔽(铝箔加铜网)，千兆8芯网线每2根线采用铝箔屏蔽，再外层整体进行屏蔽(铝箔或者铜网)。

(3) 千兆网线为满足千兆传输要求，在电气性能方面要求较高，以保证在数据高速传输过程中不因外部或者内部的干扰导致传输质量下降。

在列车整合网络中，骨干级网络接口为千兆端口，各子系统接入口为百兆端口。百兆交换机口接口采用M12-D-Coding连接器(图3)，千兆交换机口接口采用M12-X-Coding连接器(图4)。

图3 M12-D-Coding连接器

图4 M12-X-Coding连接器

5 应用部署

5.1 列车网络控制系统数据

列车网络控制系统通过列车网络完成对车辆主要设备的管理、列车运行信息的采集、列车运行状态的监视和故障诊断，实现列车安全可靠的运行，同时也为司机或机械师提供列车操作帮助并为维修任务提供集中支持[3]。

列车网络控制系统数据会影响到列车的运行，必须保证数据安全可靠，在多网融合以太网中划分到独立的VLAN中，QoS优先级设为最高，数据传输采用IEC 61375-2-3：2015《铁路电气设备 列车通信网络 第2-3部分：TCN通信简介》中定义的实时以太网过程数据报文结构，即TRDP过程数据报文结构。以太网数据通过TRDP过程数据发送，使用的UDP端口号为17224。TRDP过程数据报文格式如图5所示，具体含义如下：

图5 TRDP过程数据报文格式

(1) 序号计数器为报文的序号，每发送1个报文，计数器加1。

(2) 协议版本为报文协议的版本号。

(3) 通信模式为推模式标识。

(4) 通信端口标识为通信端口号。

(5) 列车静态拓扑序列是用于标识静态网络拓扑的序列，随列车网络组成不同而改变,编组内通信，固定为0。

(6) 列车运行拓扑序列是用于标识运行状态下网络拓扑的序列，随列车运行方向不同而改变,编组内通信，固定为0。

(7) 应用数据长度为实际应用数据的长度，不包括报文首部。

(8) 保留为保留字段，用于后续扩展，目前固定为0。

(9) 应答数据通信端口标识是在拉模式通信情况下，应答数据需要传输的通信端口标识；推模式下为0。

(10) 应答数据通信IP地址是在拉模式通信情况下，应答数据需要传输的目的端的IP地址；推模式下为0。

(11) 首部校验和为过程数据报文首部校验和。

(12) 应用数据为实际填充的应用数据(0～1 400 Byte)。

多网融合以太网网络内子系统设备控制器的IP部署方案如表2所示。

表2 多网融合以太网网络内子系统设备控制器的IP部署方案

5.2 PIS及其他系统数据

PIS以及其他子系统数据具有非实时性需求，将它们分别划分至各自VLAN中，并限定端口收发速率，多网融合以太网为其提供物理传输通道。多网融合以太网支持的传输标准见表3。

表4 多网融合以太网支持的传输标准

6 结束语

目前，适用于西安地铁智慧列车的基于工业以太网的地铁列车多网融合以太网技术方案已经论证通过，获得了专家一致的认可及高度评价，后续将继续完成装车运营测试，验证通过后，将作为新型列车的原型车在西安地区进行普及。

多网融合以太网技术的研究与应用，为西安地铁线网级智能运维集成平台的搭建提供了一种集成化解决方案，为未来的列车运营维护大数据平台构建提供了车载数据平台基础，整体提升了列车运维的智能化程度，列车运维数据的积累有助于未来修程修制的优化升级，可提供数据库支持[4]；同时多网融合以太网技术的发展，有利于优化车辆系统设计及车辆减重，提升运营及维修维护效率，提高列车的可靠性，保障列车的安全高效运营。