以太网在地铁列车上的发展与应用

曹成鹏

（北京城市轨道交通咨询有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，国内地铁电动客车的列车控制及监视系统（TCMS）主要采用多功能车辆总线（MVB）架构，各子系统通过MVB接口连接到列车网络上。同时，车载旅客信息系统、视频监控系统、火灾报警系统等均通过自组网的方式进行数据传输，该传输方式的采用造成车载网络种类繁多、互不关联、各自独立的局面，给车内布线及检修维护带来一定的困难。为解决目前车载网络存在的问题、顺应时代的发展、紧跟技术发展的步伐，多网融合成为车载网络发展的必然趋势。

随着列车智能化水平不断提升、车辆接入TCMS的设备不断增多，面向旅客的信息将会越来越多。通过MVB传输的数据急剧增多，大量的数据交互对传输带宽有了更高的要求。MVB最大传输速率仅有1.5 Mbps，受总线带宽和总线负荷影响，MVB实际使用带宽仅为允许带宽的60%，因此，目前基于MVB的网络架构已经不能满足列车网络技术发展的需求。

以太网因其传输速率高、网络灵活性强等优点，近年来在地铁列车上的应用发展迅猛。在西门子开发的铁路自动化-以太网系统（SIBAS PN）、庞巴迪开发的机车动车分散式控制系统（MITRAC）、日本联合体开发的轨道运营系统的列车通信网络系统（INTER OS）中，均采用了以太网架构并进行了装车。IEC 61375-2-5-2014《铁路电子设备. 列车通信网络（TCN）. 第2-5部分：以太网列车骨干网（ETB）》、IEC 61375-3-4-2014《铁路电子设备. 列车通信网络（TCN）. 第3-4部分：以太网编组网（ECN）》等相应的IEC标准的正式发布，也推动了列车以太网的发展。

本文结合以太网在国内地铁列车上的应用，对以太网的应用技术进行分析。

2 以太网系统构成

基于以太网的TCMS可分为列车控制级和车辆控制级，列车控制级采用以太网环网冗余贯穿全列的方案，该方案中网络单点故障，不会影响整车通信；在车辆控制级，具有以太网接口的子系统可以进行以太网点对点接入，实现基于以太网的实时通信。关键子系统设备采用列车基于安全的实时数据通信协议（TRDP-Safety） 并冗余接入TCMS系统实现列车级网络与车辆级网络的数据转发功能。以太网数据通信速率为100 Mbps，在整个系统架构中列车控制网络和维护网络同属一个网络，各子系统通过以太网接口接入维护信息网络，典型的TCMS拓扑结构如图1所示。

基于以太网的TCMS主要组成设备为中央控制单元（CCU）、以太网交换机、远程输入/输出单元（I/O）、以太网网关模块、以太网电缆、以太网连接器、数据记录仪（ERM）、显示器、以太网终端设备等。

2.1 中央控制单元

CCU负责对车辆进行控制、监视和故障诊断，同时具备ERM功能。CCU一般分为CCU1和CCU2，分别安装在2个头车，二者互为冗余。在已经采用以太网的地铁项目中，也有采用将CCU、头车以太网交换机、头车I/O单元集成在一个CCU机箱中的方案，头车CCU机箱配置示意图如图2所示，机箱内部的关联关系如图 3所示，该方案可采用双CPU的冗余方式。

2.2 以太网交换机

交换机作为以太网的核心设备，不论在构建的列车级以太网还是车辆级以太网中，均承载着以太网的数据交换功能。以太网交换机不同于其他网络交换机，除具备通用三层交换机的功能外，还需具备软硬件bypass功能（bypass是指可以通过特定的触发状态让2个网络不通过网络安全设备而直接在物理上导通，当网络安全设备出现故障后、可以让连接在这台设备上的网络相互导通）、简易便捷的 WEB 配置管理功能。目前产品体系有以太网编组网（ECN）、以太网列车骨干网（ETB）等多个系列，支持百兆、千兆速率，端口数量可配置。以太网交换机可支持IEC 61375-2-5-2014、IEC 61375-3-4-2014 等多项国际标准协议。

2.3 远程输入输出单元

远程I/O单元负责采集列车数字量和模拟量信号，同时依据CCU指令进行I/O控制。

目前采用以太网控车的国内地铁项目中，也有将远程I/O单元和以太网交换机集成在车辆控制单元（VCU）机箱中，VCU实物如图4所示。

2.4 以太网终端设备

以太网终端设备包括牵引控制单元、制动控制单元等具备以太网接口的车辆以及各子系统连接至以太网交换机上的设备。

2.5 以太网连接器

以太网连接器可采用符合DIN EN 61076-2-101-2013《电子设备连接器.产品要求.第2-101部分：带螺钉锁紧的M12连接器的详细规范》的M12 D型连接器，设备侧采用插孔，电缆侧采用插针，连接器如图5所示。

2.6 以太网网关模块、数据记录仪、显示器

以太网网关模块主要实现以太网数据协议转换功能，用于将车辆状态数据通过车载无线设备发送至地面。网关作为列车网络与地面网络的安全防火墙设备，具有报文过滤、状态检测、攻击防御、报文加解密等安全策略，用于保护列车TCMS网络免受外部网络非法访问和攻击。

ERM主要功能是通过以太网接口与列车网络相连、I/O接口与列车硬线相连，对列车数据重新整理、解析、存储，实现地铁工作人员对列车进行实时监视、诊断、检修的功能。采用CCU、头车以太网交换机、头车的I/O单元集成在CCU机箱的项目，也可将ERM功能集成在CCU机箱中。

显示器作为TCMS的显示终端，是司机及维护人员与列车之间的人机交互界面，具备信息显示、参数设定、功能测试等功能。

3 以太网在国内地铁列车上的工程案例及不足

3.1 以太网与MVB双网冗余方案

在已投入运行的某全自动运行线路的列车上，已经批量应用了MVB和以太网双冗余网络架构，列车控制总线采用以太网环网冗余贯穿全列，同时采用MVB列车级总线，网络中单点故障，不影响整列通信。控制、维护同属一个以太网，网络拓扑结构如图6所示。

图6所示的以太网和MVB双网冗余方案的一个特点是所有子系统均具有MVB和以太网2种接口，但是中间4辆车的中继器并未进行冗余设计，此处也成为该MVB网络的薄弱点。由于该方案同时存在以太网和MVB通信，各设备可采用组播方式进行通信，避免CPU负荷过大。

3.2 以太网为主的以太网和 MVB 双冗余方案

目前在已批量交付的某8辆编组全自动运行线路的列车上，采用了以太网为主的以太网和MVB双冗余网络架构。列车级网络包括以太网和MVB总线，采用双网络线性拓扑结构，交换机具备旁路功能，多点故障不影响列车正常运行，具有较高的可靠性，其中以太网数据传输速率为100 Mbps，具有较强的数据交互能力。车辆级网络也采用以太网，数据传输速率为100 Mbps，设备通过2个以太网口分别接入到车辆网络中。车辆级网络预留MVB线接口，可为部分不具备以太网接口的设备提供MVB接口接入到车辆网络中。列车控制网络和维护网络共用1套以太网，网络拓扑如图7所示。

图7所示的以太网为主的以太网和MVB双冗余方案与图6所示以太网和MVB双网冗余方案相比，只有CCU、信号系统控制单元（ATC）、牵引系统（包括辅助供电）控制单元（DCU/M、DCU/A）、制动控制单元（BCU/G）、ERM具有MVB接口，车门、空调、广播、走行部在线检测、火警、I/O单元等设备只有以太网接口，此接口配置既降低了成本，也进一步加大了以太网控车的比例。

在以太网为主的以太网和MVB双冗余方案网络中，具有MVB接口的CCU、ATC、DCU/M、DCU/A、ERM同时具有以太网接口，但是由于该项目制动系统厂家的成熟产品不支持以太网接口，BCU/G只有MVB接口，没有以太网接口。因此，BCU/G单元并没有直接接入以太网，即使该设备通过网关接入以太网，也存在数据传输延迟大、故障点增多等问题。

并且此项目中以太网与MVB网络模式需通过司机台上模式开关进行切换，当模式开关在“自动”位时、处于以太网控车模式，此时即使以太网两路通信均中断，也不会自动切换到MVB控车模式，而需要司机判断出故障工况后、手动操作模式开关才可切换到MVB控车模式，此切换方式降低了智能化程度，尤其在全自动运行工况下，当以太网故障时无法通过远程控制切换到MVB控车模式、降低了列车的可用性。

3.3 纯以太网控车方案

在另一已经投产的8辆编组全自动线路的列车上，进一步采用纯以太网控车方案，在该方案中列车控制级网络采用以太网作为列车的通信控制网络，且贯穿全列，网络中单点故障不影响整车通信。车辆级网络同样采用以太网进行通信，各子系统通过以太网接口连接到网络，实现点对点接入的以太网通信，网络拓扑如图1所示。

图1所示的纯以太网控车方案与图7所示的以太网为主的以太网和MVB双冗余方案相比，在系统配置上减少了MVB设备及板卡数量，降低了成本。对于如制动和信号等重要的系统采用双以太网口进行通信冗余，保证数据可靠性。但该项目基于其牵引系统厂家产品的特性，只在头车的牵引系统2个MCU实现主从冗余，牵引系统层面仍设置了1个MVB网络，如图8所示，也并未实现所有关键智能控制单元均采用以太网接口，且仍需重点关注牵引系统层面MVB网络的可靠性问题。

4 结论

目前通信速率高、灵活性强和实现简单的以太网在地铁列车上已经开始应用，国内地铁领域TCMS由传统的MVB控车（以太网仅为维护网络）的网络架构，经过MVB和以太网双冗余网络架构的过渡，向纯以太网控车的方向发展。但目前，地铁领域以太网的应用还处于起步及过渡阶段，在采用以太网与MVB双网冗余方案中，存在MVB网络冗余被忽略的问题，并且同时存在以太网和MVB两种通信网络的项目，存在CPU负荷过大的风险。在采用以太网为主的以太网和MVB双冗余网络方案中，以太网通信时不会自动切换到MVB控车模式，需要人工手动操作模式开关进行切换，降低了列车的智能化程度，在全自动运行工况下，当以太网发生故障时会降低列车的可用性。在纯以太网控车的TCMS中，仍存在关键智能控制单元未全部采用以太网接口、由于局部MVB网络配置问题导致TCMS可靠性降低的情况。上述问题在后续应用以太网的新项目设计过程中需要予以重视并改进。