时速250 km复兴号动车组以太网应用技术研究

宋国良，朱游龙，马 洁

(1.中国国家铁路集团有限公司 调度指挥中心，北京 100844；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司 技术中心，山东 青岛 266031)

随着网络技术的发展，轨道列车网络技术也在朝着高速化、宽带化以及智能化发展。以太网具有传输速率高、带宽大、成本低、使用广泛、兼容性好的特点，在工控领域已经进行了大规模的应用[1-2]，是轨道列车网络技术的发展方向。1999年，国际电工委员会(IEC)下属的轨道交通电气设备与系统委员会颁布了第1版IEC 61375-1协议，用于指导列车通信网络的国际化、标准化。到目前为止，轨道交通电气设备与系统委员会已经相继颁布了10余项IEC 61375网络相关标准[3]，推动了以太网在列车通信网络领域的发展。我国轨道交通系统经过了几十年的长足发展，目前已经处于由量的积累转向质的提升的阶段，在城轨列车领域，以太网技术已经在逐渐推广应用[4-6]，取得了丰富的工程经验和技术积累，特别是在时速250 km复兴号动车组上，以太网作列车网络控制系统(TCMS)的承载网，担负着传输列车控制报文和监控数据的关键任务。本文将从时速250 km复兴号动车组TCMS系统以太网技术的系统架构、关键技术以及试验验证等方面对以太网技术进行分析和阐述。

1 系统架构

复兴号动车组是时速250 km单层动力分散式动车组，车载TCMS网络目前有CR300AF和CR300BF 2个平台架构，网络架构参考IEC 61375系列标准，分为2级网络架构：列车级和车辆级，每4辆车为1个编组，每个编组内部署2台列车骨干网交换机(ETBN)，每节车厢内部署2台以太网编组交换机(ECNN)。

1.1 列车级网络

复兴号动车组列车级网络使用100Base-Tx标准铜缆贯通整个车辆，各车辆间以太网线缆通过以太网中继器(REP)进行物理层信号中继。图1为列车级网络拓扑图。如图1所示，列车级网络采用线性网络拓扑，ETBN之间通过2个端口相互连接，连接到同一台ETBN上的2个端口配置为链路汇聚组，起到链路冗余和负载分担的功能[7]。ETBN具备旁路功能，可以克服ETBN单点故障。

图1 列车级网络拓扑图

1.2 车辆级网络

复兴号动车组车辆级网络使用100Bset-Tx标准线缆贯穿整个编组网，如图2所示，1～4车每节车厢的ECNN为冗余部署，单设备故障不影响车辆运行，终端设备通过2条独立的通信链路接入到编组网交换机中，可以克服终端设备的网络接口单点故障。5～8车采用与1～4车同样的网络部署。

CR300AF和CR300BF 2个平台的差异主要体现在车辆级网络，其中CR300AF平台采用环形拓扑，CR300BF平台采用线性拓扑。2个平台在处理单点故障上采用不同的机制来实现，其中CR300AF平台采用环网机制，当环路中有ECNN故障时，环网迅速收敛出新的通信路径；CR300BF平台采用旁路机制，当网络中有ECNN故障时，迅速将故障设备旁路。这2种机制都能够迅速克服编组网交换机的单点故障，保证其他设备仍正常工作[8]。图3为CR300AF平台环网收敛示意图，图4为CR300BF平台旁路机制示意图。

图3 CR300AF平台环网收敛示意图

图4 CR300BF平台旁路机制示意图

2 以太网关键技术

2.1 列车实时数据传输协议与安全传输协议

复兴号动车组采用了列车实时数据传输协议(TRDP)和安全传输协议(SDT)技术来保证数据传输的实时性、安全性[9]。如图5所示，TRDP协议运行在TCP/IP协议栈之上，使用UDP协议传送过程数据，使用TCP或UDP协议传送消息数据。TRDP传输覆盖CCU与各系统控制器之间的过程数据通信，确保列车控制与监控的实时性。

图5 各协议层级关系示意图

安全传输协议提供了覆盖安全数据源(SDSRC)和安全数据宿(SDSINK)之间的安全传输通道。安全传输协议运行在TRDP协议栈之上，对TRDP通信报文进行查验、统计后，判断当前通信状态是否安全并将查验结果提供给上层应用。

2.2 服务等级技术

服务质量(QoS)机制是在以太网技术领域内常用的服务保证机制，通常通过一系列的机制与技术来保证特定服务类型的业务在带宽、抖动、时延、丢帧等指标上有更好的表现。互联网工程任务组(IETF)先后在RFC 791和RFC 2474中分别提出了2种基于IP报文的服务模型和机制[10]，IEC 61375-2-5：2014标准采用RFC 2474中的设计，将列车网络中的数据流量划分为8个优先级。

根据IEC 61375-1:2012中的定义，将列车网络中传送的数据分为5种类型[11]，分别是监视数据、过程数据、消息数据、流数据和尽力而为数据。其中监视数据包括列车初运行以及网络冗余控制的数据；过程数据包括中央控制单元(CCU)与其他系统周期性交互的数据，过程数据对于列车实时控制和监视至关重要；消息数据通常是列车控制和监视产生的记录数据，一般是非周期性数据；流数据指列车运营中的音视频数据；尽力而为数据是对传输速率和时延无要求的其他数据。

终端设备根据RFC 2474中IP报文头中DSCP字段的定义进行优先级字段填充，优先级范围为0～7，其中7为最高优先级，列车网络中的数据类型与优先级的映射关系如表1所示， 编组网交换机对收到的报文按照映射关系分别存入相应的转发队列，当发生资源竞争时，优先保证高优先级的报文首先进行转发处理。

表1 数据类型与优先级映射关系

2.3 智能寻址技术

复兴号动车组采用了列车网络域名系统(TCN-DNS)提供终端设备间以及动车组维护期间的寻址访问服务。在互联网领域，域名服务系统的设计目的是将复杂的IP地址转换为可读性强的、容易记忆的字符串，方便用户访问。在复兴号动车组上，定义了一种更抽象的基于列车网络层级关系的寻址方案，即TCN-DNS，效果类似于互联网领域的DNS，用户通过访问预先定义好的URL，统一资源定位符即可访问车载设备。

TCN-DNS采用分布式数据库系统来实现该方案，每个编组网内由一个授权的DNS域名服务器来管理，如图6所示，当列车拓扑发生变化时，通过列车拓扑发现协议(TTDP)动态获取列车网络信息，为各编组分布全局IP，分布式部署的DNS域名服务器根据TTDP分配的IP地址动态调整域名与IP地址的映射关系，用户配置的URL地址不需要随之发生变化，简化了用户访问设备的复杂度。

图6 TCN-DNS域名服务器分布

2.4 网络安全技术

时速250 km复兴号动车组是目前为数不多采用以太网作为列车控制网络传输介质的动车组，因此网络安全问题需要重点考虑。

区别于MVB网络的调度式总线网络，以太网的通信是由终端设备自主发起的，因此需要对终端设备的网络行为进行限制，在车辆级网络中实施流量限制措施，根据不同子系统的业务带宽需求，在车辆级交换机上针对不同子系统的控制器端口设定出口、入口流量阈值，避免由于单个子系统的失控网络行为而造成车辆级网络故障。

由于以太网的开放性和通用性，基于以太网的车辆控制网络要注意防范来自公共网络的侵扰，时速250 km复兴号动车组在车地传输业务上需要经过部分公共网络，因此在车载无线传输装置连接无线网络的接口位置部署网络防火墙，如图7所示，通过网络防火墙规范车地通信的网络行为，只有通信行为符合防火墙白名单设置的数据流才可以通过防火墙，以此来阻隔公共网络的网络威胁，防护车辆网络的安全。

图7 防火墙部署示意图

3 试验验证

时速250 km复兴号动车组在投入运营前，需要进行大量的试验验证，涉及列车网络的具体试验项目如表2所示，由中国铁道科学院集团有限公司机车车辆研究所进行试验、评价，确保在投入运营前满足设计要求。

表2 时速250 km复兴号动车组网络试验项目

其中地面互联互通试验依据IEC 61375-2-3：2014和IEC 61375-2-5：2014对不同厂商的ETBN进行试验验证，并在设备故障的工况下验证重联功能的稳定性和可靠性，若通过地面试验则意味着不同厂商的ETBN设备满足标准要求，并且能够适应各种故障工况，具备实车重联试验的条件。

地面互联互通试验包含以下项点：

(1) ETB初运行试验。验证ETBN在重联工况下能否正常按照标准完成列车网络初运行，网络初运行是列车重联运行的基础，完成网络初运行意味着不同厂商的列车网络在网络层完成了一致性操作。

(2) 操作初运行试验。验证ETBN在重联工况下能否正常按照标准完成列车操作初运行，操作初运行是基于列车网络初运行的互操作性识别，完成操作初运行意味着不同厂商的列车网络在应用逻辑控制层面符合互操作性要求。

(3) IP映射试验。验证终端设备可以通过ETBN完成跨编组通信，完成IP映射试验意味着不同编组网内部的终端设备可以进行数据交互。

(4) 冗余功能试验。验证在部分ETBN设备故障的情况下，2列车的故障识别、冗余切换以及故障后的列车可操作性是否满足技术要求。

(5) 稳定性试验。验证在长时间重联运行的过程中，是否会发生网络故障。

(6) P报文通信协议试验。验证需要跨编组的列车级报文中的变量值是否符合技术要求。

(7) 显示屏界面统型试验。验证2列车的司机台显示屏的各控制界面是否符合设计文件要求。

(8) 故障代码测试试验。验证各种列车故障的故障代码、显示屏提示方式、提示内容等是否一致。

4 结束语

复兴号动车组是首列采用以太网技术作为TCMS承载网的具备重联功能的电力高速动车组。如表3所示，与传统的多功能车辆总线(MVB)式网络相比，以太网的应用极大提高了复兴号动车组列车的网络性能，在传输速率、最小传输周期、最大传输报文等指标上都有了极大的提升，为我国高速动车组的智能化提升打下了技术基础，为下一代高速列车的研制积累了宝贵的工程经验和试验数据，引领了轨道车辆领域关键设备的技术革新，推动了国家轨道交通行业的持续创新发展。

表3 以太网与MVB网络比较