基于列车灵活编组的车载 PIS 系统重联网络技术研究

赵川宇，张荣华

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.苏州华启智能科技有限公司，江苏苏州 215163）

1 引言

随着科技的进步和社会的发展，城市轨道交通因其大运量、快捷、舒适、安全、环保等优势已经成为解决城市居民大规模出行最重要的交通方式之一。我国众多大中型城市已经建立以城市轨道交通为骨干的公共交通体系。在全天不同运营时段，城市轨道交通客流分布不均匀，早晚高峰或临时性时段客流量大，其余时段客流相对不饱和，客流呈潮汐分布态势。城市轨道交通大客流情况下运力不足，小客流情况下能源浪费大、运营服务水平低（运营间隔大），这一矛盾越来越明显[1-3]。

灵活编组运营组织方式是一种通过在车辆段或车站灵活改变列车编组长度来实现客流需求和运力最佳协同的运营组织技术。同时，随着城市轨道交通全自动驾驶技术的兴起，灵活编组结合全自动驾驶可以很好地适应城市轨道交通的潮汐客流特性，大大提升运营效率。

灵活编组技术要求通过对列车进行快速重联和解编作业来灵活调整列车编组长度，这对列车控制网络和车载乘客信息系统（PIS）网络提出了更高的要求。列车重联和解编过程中如何对列车的编组数量快速识别并进行网络配置成为了列车灵活编组技术的一个重要课题。

2 灵活编组网络技术研究

传统的绞线式列车总线（WTB）与多功能车辆总线（MVB）网络不能满足大数据传输及灵活编组技术的需求。以太网以其带宽高、成本低、通用性强、组网灵活等优点已经逐渐取代传统的列车网络总线应用在城市轨道交通列车的通信网络中。针对列车灵活编组的应用需求，通过以太网实现重联通信有多种方案。文章首先对行业内经典的基于IEC 61375 标准的拓扑发现架构进行分析和研究，并在此基础上结合全自动驾驶的应用场景，设计了一种新的适用于车载PIS 系统的重联网络技术方案。

2.1 基于 IEC 61375 标准的以太网重联方案

国际电工委员会于2014 年发布了正式版IEC 61375-2-5 协议标准，该标准定义了列车以太骨干网协议，其将整个列车网络划分成多个车辆级子网（ECN）和一个列车级骨干网（ETB），通过列车级以太网拓扑发现协议（TTDP）将不同车组进行动态编组组成一列车，自动完成通信网络的搭建[1]。该以太网方案目前已经成为列车控制和管理系统（TCMS）网络实现灵活编组的主要方案。

ETB 贯穿整个列车，主要用于实现列车级网络管理与控制、动态组网等功能。ECN 包括单节、两节或更多车辆组成固定编组时车辆内部及跨车组网，负责本节或本组车辆的网络管理[4]。ETB 网络使用线型拓扑结构，网络中各个节点依次进行连接，其拓扑结构如图1 所示[1]。

图1 ETB 分层拓扑结构

当列车增加、减少车辆或列车刚上电运行时，都会引发列车网络的初运行和拓扑快速建立。此时ETB 网络通过TTDP 协议对列车网络进行重新配置，确定列车上网络的拓扑结构和所有设备的地址信息。网络初运行时需要每一个ECN 子网的标识号（Subnet id）和每一个ETBN 的标识号（ETBN id），利用这些信息来建立列车IP 地址映射、路由配置、网络地址转换（R-NAT）规则、ED 命名等[2]。由图2 可知，当2 号编组与1 号编组组建新的编组时，TTDP 帮助每个ETBN 更新拓扑信息并完成IP 地址的自动配置，新编组的列车骨干网不会产生IP 地址冲突和混乱。

图2 TTDP 列车拓扑自动发现之地址变换图

基于IEC 61375 标准的以太网方案是在传统工业以太网协议的基础上进行调整而来，以满足列车通信网络的需求，其继承了以太网的高带宽特性，同时又具备低延时、对不同类型组网兼容性强等优势，且适用于列车灵活编组的应用场景，是下一代城市轨道交通列车控制网络发展的主流趋势。但就其中的交换动作进行探究可发现其复杂的交互逻辑。此外，该方案要求其中ETB 网络交换机、ECN 交换机都需要遵循IEC 61375标准规定的相关协议，这对交换机产品技术要求复杂，成本也较高。

车载PIS 系统作为列车上面向乘客的一个重要系统，其通信数据主要包括媒体视频数据、视频监控系统（CCTV）监控数据、广播音频数据及其他控制数据等。车载PIS系统通信数据的特点是占用带宽大、组播数据多。车载PIS 系统作为一个低安全等级的系统，不建议与列车控制网络共用同一个网络。但是，在列车灵活编组应用场景下，如果列车控制网络和PIS 系统网络都采用基于IEC 61375 标准的网络方案，整体成本将会很高且组网复杂。基于这个现实情况，提出了以下具备低成本、高可用性特点的以太网重联方案。

2.2 适用于车载 PIS 系统的以太网重联技术方案

目前，国内灵活编组运营模式普遍以2 列3 编组或4 编组车辆联挂后进行运营，比较有代表性的线路为：北京地铁12 号线、广州地铁3 号线、上海地铁16 号线等。本文研究讨论“4+4”联挂方式的车载PIS 系统以太网重联方案。

2.2.1 系统拓扑

车载PIS 系统的网络拓扑如图3 所示，列车的每个司机室配置1 台三层以太网交换机，用于两车的网络重联以及与地面系统的通信。每个客室内配置1 台二层以太网交换机用于连接网络终端设备。全车司机室交换机和客室交换机之间通过2 根千兆网线依次连成一个线型网络。2 根千兆网线采用链路聚合的方式，既可以提高网络的可靠性又可以增加干线网络的带宽。

图3 系统网络拓扑图

2.2.2 重联通信

为实现任意编组情况下重联两车之间的正常通信，司机室三层交换机需具备以下功能。

（1）网络地址转换（NAT）功能。重联两车内部相同位置对应终端设备的IP 地址相同，联挂时为避免以太网设备IP 地址冲突，两车的以太网终端设备需通过司机室三层交换机做NAT 后进行相互通信。网络地址转换通常有3 种实现方式：静态转换（Static NAT）、动态转换（Dynamic NAT）和端口地址转换（Port Address Translations）。本方案采用的是端口地址转换，端口地址转换可将多个内部网络地址映射为一个外网地址，以不同的协议端口号与不同的内部地址相对应，也就是〈 内部地址+内部端口号＞与〈外部地址+外部端口号 ＞之间的转换。为避免IP 地址冲突，每列车映射到外网的IP 地址不同，可以根据列车号规划外网IP 地址，每列车对应一个外网IP 地址，如图4 所示。两车重联情况下需相互通信的设备都要提前在司机室三层交换机上做端口映射配置，端口映射示例如表1 所示。两车重联通信时通过交换机映射后的〈外网IP 地址+端口号＞的方式访问重联车的对应设备。如需要调看1 号车TC1 司机室全景摄像机的监控画面就可以通过RTSP 协议（rtsp://10.12.1.1:10000/0）实现。

表1 端口映射示例列表

图4 外网IP 地址规则

（2）虚拟路由冗余协议（VRRP）功能。为实现列车灵活编组运营，重联网络需满足“车头+车头”“车头+车尾”“车尾+车尾”多种联挂情况下的通信，需要司机室交换机具备VRRP 功能。VRRP 是一种路由容错协议，也可称为备份路由协议。VRRP 使用选举机制来确定路由器的状态：主用状态（Master）、备用状态（Backup）。运行VRRP 的一组路由器对外组成了一个虚拟路由器，其中一台路由器处于Master状态，其他的处于Backup 状态。本方案主要使用VRRP 协议的虚拟路由功能。为实现两车任意联挂情况下的通信，每列车2 个司机室交换机需启用VRRP 协议。列 车内部终端设备的缺省网关地址设为192.168.1.1，列车两端司机室交换机作为两个路由器虚拟出同一个网关地址192.168.1.1。路由器的主备根据重联端进行切换：当车头端联挂时，车头司机室交换机作为主用路由器，列车内部设备的通信数据通过该交换机与重联车进行通信；当车尾端联挂时，车尾司机室交换机作为主用路由器，列车内部设备的通信数据通过该交换机与重联车进行通信。司机室交换机的VRRP 主备设置如图5所示。

图5 VRRP 主备设置

2.2.3 灵活编组功能实现

灵活编组运营中，车载PIS 系统的解编和联挂过程具体如下。

（1）联挂过程。将2 列4 编组列车通过全自动电气车钩进行重联，扩编为8 节编组（4+4）列车。列车TCMS 系统先完成网络重联，然后两车的TCMS 系统分别将重联信号、本车车号、重联车车号、本车重联端、重联车的重联端、司机室激活端等相关信息发送给车载PIS 系统。车载PIS 系统根据重联端信息通过协议控制对应司机室交换机设为VRRP 主用路由器，本车的以太网设备通过该司机室交换机与重联车进行通信。通过重联端信息和激活端信息确认重联后8 编组列车的车厢排列顺序和运行方向。另外，通过重联车的车号信息可以明确重联车的外网IP 地址，结合端口号便可访问重联车的以太网终端设备，从而实现重联两车的相互通信，进入重联模式。重联两车建立通信后就可以实现车载PIS 系统的所有功能。

（2）解编过程。解编是联挂的逆向过程，“4+4”编组列车通过全自动电气车钩进行脱钩解编，分离为2列独立的4 节编组列车。解编时TCMS 系统会向车载PIS 系统下发解编指令，车载PIS 系统收到解编指令后自动恢复为单车模式。

3 结束语

本文主要研究了适用于列车灵活编组的以太网重联方案，在分析TCMS 系统常用的基于IEC 61375 标准的以太网方案后，提出了另一种新的适用于车载PIS 系统的以太网重联方案。该方案对交换机的技术要求低、整体成本低、通用性强、组网简单，不但适用于新建线路设计，也适用于既有项目的灵活编组改造。灵活编组结合全自动驾驶将成为城市轨道交通发展的必然趋势，因此本文对后续有灵活编组需求的城市轨道交通建设与改造项目有较大的参考价值，并且可将本文所提出的技术应用在与其相近的其他工业或物联网领域。