地铁车辆多网融合实时以太网技术研究

技术装备地铁车辆多网融合实时以太网技术研究陈 勇，黄湘勇，赵文志，杨 斌（长沙市轨道交通运营有限公司，湖南长沙 410133）摘 要：基于列车网络融合系统实时以太网技术，1 系统框架设计将列车上的网络通信速度提高到1 000 Mb/s，采用列车控制网与PIS系统网络融合，设计出与网络列车以太骨干网络（ETB）采用链路汇聚技术（节融合系统配套的车载云平台，实现数据监控与故点之间有2条以太链路汇聚）实现列车间数据的高效、障诊断功能，并通过装车试验验证，为后续以太可靠传输。列车以太组成网络（ECN）采用环网技术连网控制系统技术、基于以太网的信息化服务技术接编组内终端设备，实现列车编组内数据的稳定、可在地铁车辆的设计、制造、安装、运营方面的应靠、快速传输，满足控制的需要。以太网控制系统为2用积累经验。层ETB/ECN构架。基于以太网的列车通信网络目前已关键词：地铁；车辆；以太网技术；PIS系统；多经成为列车网络控制技术发展的趋势，它可以简化地铁网融合；车载网络列车的网络系统，提高网络的功能及可靠性，降低列车中图分类号：U279.2制造的成本。长沙地铁1号线T23车网络控制系统采用基于以太网的新一代网络控制系统——列车控制与信息0 引言服务网（TCSN），其主要功能如下。（1）列车控制及监视系统（TCMS）功能。包括列车随着地铁列车运营要求的提高，发展高可靠性、更控制设备的通信、控制、信息显示、事件记录等功能。大带宽、更高传输速率、更便于维护的车载以太网技术（2）车载多媒体数据传输功能。能提供1 000 Mb已成为大趋势。中国中车青岛四方机车车辆股份有限公带宽的以太网传输通道，为车载乘客信息系统（PIS）司（以下简称“中车四方股份公司”）、中车大连机车研提供多媒体数据传输业务。究所等都在积极开发基于实时以太网的新一代列车网络（3）列车健康管理功能。通过TCSN系统中的车载控制系统。中车四方股份公司开发了应用于信息系统领云平台可实现列车远程监测、远程维护、故障诊断、故域的以太网车载通信网络，并积极地投入列车控制及监障预警等一系列功能。视系统（TCMS）以太网开发中。浙大网新集团有限公长沙地铁1号线T23车网络控制系统遵循最新的司也研究和开发了车载实时以太网技术，并已经在智慧IEC 61375-2007国际标准。TCSN采用双环网冗余，提列车中使用。如何实现控制网和信息网的车载以太网网供100 Mb控制数据传输通道和1 000 Mb多媒体数据传络融合，并验证其对地铁列车网络控制系统的影响，对输通道，用于传输列车的控制数据、维护诊断数据和多地铁列车网络控制、地铁列车大数据应用具有重要的意媒体数据，如图1所示。同时，1 000 Mb多媒体通道可义。长沙地铁对此开展了相关的研究与测试验证，为业以为控制数据提供冗余通道，即当控制网发生故障后，内未来地铁列车以太网网络融合技术的推广提供了技术控制数据通过多媒体通道进行传输。参考。TCSN在车辆间采用高可靠性双环网拓扑结构，车作者简介：陈勇（1969—），男，工程师40MODERN URBAN TRANSIT 7 / 2019 现代城市轨道交通地铁车辆多网融合实时以太网技术研究技术装备辆内提供2个通信节点。对于关键控制设备，可以通过按照不同的功能与硬件配置，基于以太网系统的列独立的网络接口接入车辆内的2个通信节点，实现端到车分为3种车型：带司机室的拖车（Tc车）、带受电弓端链路的完备冗余。的动车（Mp车）和不带受电弓的动车（M车）。不同车2 实时以太网系统功能型由数量不同的车辆控制模块（EVCM）、数据记录模块（EDRM）、输入输出模块（EIOM）、人机接口（HMI）TCMS采用编组环网分布式控制技术，列车级控模块和必要的总线终端器构成。制总线采用以太网环网，车辆级控制通过电器中距离长沙地铁1号线T23车的网络拓扑结构如图2所（EMD）介质的多功能车辆总线（MVB）将制动控制系示。该拓扑结构部署了2套以太网，一套用于传输控制统、信号系统、车门系统、视频监控系统接入。网数据，另一套用于传输PIS数据，2套以太网相互独立。同时，通过使用以太网系统PIS传输控制网数据和PIS数据，该牵引控制单元（DCU）车门控制单元（EDCU）网系统中控制网设备和PIS设备全部接在同一个以太网上，达到辅助控制单元（SIV）TCSN空调控制系统（HVAC）网络融合的目的。制动控制单元（BCU）列车自动控制系统（ATC）3 以太网网络融合试验地面系统IO 信号工具软件3.1 性能测试3.1.1 拓扑结构测试100 Mb以太网 1000 Mb以太网RS485硬线信号长沙地铁1号线车载网络拓图1 关联关系图扑结构如图3所示，测试使用了ECNN11ECNN21ECNN31ECNN41ECNN51ECNN61HMI1EIOM1EIOM2EIOM3EIOM4EIOM5HMI6EIOM6DCU2DCU3DCU4DCU5OCS1EBCU1EBCU2EBCU3EBCU4EBCU5EBCU6OCS6SIV1SIV6EVCM-R1EGWM2EDRM3EDRM4EGWM5EVCM-R6ECNN12ECNN22ECNN32ECNN42ECNN52ECNN62HVACHVACHVACHVACHVACHVACEDCUPISEDCUPISEDCUPISEDCUPISEDCUPISEDCUPIS………………1 000 Mb信息网100 Mb控制网TCSN同其他子系统以太网接口图2 长沙地铁1号线T23车的网络拓扑结构 现代城市轨道交通 7 / 2019 MODERN URBAN TRANSIT41技术装备地铁车辆多网融合实时以太网技术研究ECNN-16ECNN-16ECNN-16ECNN-16ECNN-16ECNN-16MCMCEVCMEVCM-MSIVEVCMHMIPIS交换机EVCMPIS交换机EVCMPIS交换机EVCMPIS交换机EVCM-MEVCMDCUCCTV交换机DCUCCTV交换机DCUCCTV交换机DCUCCTV交换机HMISIVEIOMEDRMATCDXMe以太网TCMSDXMe以太网DXMe以太网DXMe以太网EDRMEIOMTCMSBCU以太网DXMe以太网DXMeTCMS以太网DXMeDXMeTCMS以太网ATC以太网HVACTCMSBCUMMBCUMMBCU以太网BCUTCMSEDCUMMBCUMMHVACHVACHVACHVACHVACEDCUEDCUEDCUEDCUEDCUPIS交换机CCTV交换机以太网MVB-EMDMVB-EMDMVB-EMDMVB-EMD以太网PIS交换机MM(chA&B)(chA&B)(chA&B)(chA&B)MMCCTV交换机MVB-EMDMVB-EMD(chA&B)Train_LineTc(chA&B)1Mp1M1M2Mp2Tc2 图3 长沙地铁1号线T23车网络拓扑结构6个交换机构成环形控制网络，并在每个交换机下增加测试步骤如下：①按照测试环境搭建测试拓扑、配置1个摄像头，以实现控制网络与多媒体网络的融合。ECNN；②打开6个摄像头，使网络中存在多媒体数据3.1.2 测试示例流，总带宽约为12 Mb/s；③确认环网中虚断链路，以（1）测试示例1。测试目的为测试无多媒体数据流太网测试仪1分别在该链路的2个ECNN处接入网络；条件下控制数据的延时与抖动。测试步骤如下：①按照④配置以太网测试仪1的测试数据流为双向，流量固测试环境搭建测试拓扑、配置ECNN以太网版本（控制定为20 Mb/s，帧长组合为64 B / 256 B / 512 B / 1 024 B / 网交换机）；②关闭摄像头，使网络中无多媒体数据流；1 518 B共计5个典型长度；⑤配置以太网测试仪2，在③配置以太网测试仪2，该设备不向网络中注入任何流网络中增加2对双向数据流，数据流配置与控制数据量；④确认环网中虚断链路，以太网测试仪1分别在该流相同；⑥以太网测试仪2从其他4个ECNN处分别接链路的2个ECNN处接入网络；⑤配置以太网测试仪1入网络；⑦进行延时与抖动测试。的测试数据流为双向，流量固定为20 Mb/s，帧长组合3.2 测试结果为64 B / 256 B / 512 B / 1 024 B/1 518 B共计5个典型长3.2.1 测试示例1度；⑥进行延时与抖动测试。测试示例1中没有向网络注入多媒体等数据流，控（2）测试示例2。测试目的为测试多媒体数据流条制数据流为双向20 Mb/s，测试结果及数据分别如图4件下控制数据的延时与抖动。测试步骤如下：①按照测和表1所示。试环境搭建测试拓扑、配置ECNN；②打开6个摄像头，3.2.2 测试示例2使网络中存在多媒体数据流，总带宽约为12 Mb/s；③测试示例2在测试示例1的基础上增加了多媒体数配置以太网测试仪2，该设备不向网络中注入任何流量；据流，测试结果及数据分别如图5和表2所示。④确认环网中虚断链路，以太网测试仪1分别在该链3.2.3 测试示例3路2个ECNN处接入网络；⑤配置以太网测试仪1的测试示例3在测试示例2的基础上增加了2对双向测试数据流为双向，流量固定为20 Mb/s，帧长组合为数据流，数据流配置与控制数据流相同，即每个方向上64 B / 256 B / 512 B / 1 024 B /1 518 B共计5个典型长度；叠加了40 Mb/s的数据，测试结果及数据分别如图6和⑥进行延时与抖动测试。表3所示。（3）测试示例3。测试目的为测试极端条件下即同3.2.4 测试情况实时性分析时存在多媒体与其他数据流时控制数据的延时与抖动。（1）丢包率测试情况。在1 Mb/s、10 Mb/s、50 Mb/s42MODERN URBAN TRANSIT 7 / 2019 现代城市轨道交通地铁车辆多网融合实时以太网技术研究技术装备速率下，分别测试被测网络传输帧长为80064 B、256 B、512 B、1 024 B、1 518 B sμ700时的丢包率 ，各测试条件下未出现丢包/ 时600延情况。均500平400（2）延时测试情况。在1 Mb/s、据数30010 Mb/s、50 Mb/s速率下，分别测试被制200控100测网络传输帧长为64 B、256 B、512 B、01 024 B642565121 0241 518、1 518 B时的传输延时，测得的最大延时小于1 ms，平均延时约为帧长 / B 250 μs。由测试图表得出，传输的帧长越(0, 2, 1) - > (0, 3, 1) 直接转发(0, 2, 1) - > (0, 3, 1) 存储转发长，传输延时越大。(0, 3, 1) - > (0, 2, 1) 直接转发(0, 3, 1) - > (0, 2, 1) 存储转发（3）抖动测试情况。在1 Mb/s、10 Mb/s、50 Mb/s速率下，分别测试被测图4 测试示例1结果网络传输帧长为64 B、256 B、512 B、1 024 B、1 518 B时的抖动，测得最大抖动为246.00 μs，平均抖动小于20 μs。由800测试图表得出，传输的帧长越长，抖动 700s越小。μ / 600时3.2.5 测试情况结论延500均通过测试结果及数据分析可知，多平400据媒体数据对延时引入的差值小于10 μs，数300制对抖动引入的差值小于55 μs，大部分情控200100况下引入的差值可忽略不计；极端测试0642565121 0241 518对延时引入的差值小于200 μs，对抖动帧长 / B 引入的差值小于250 μs。综上所述，多网融合以后，多媒体数据对控制数据延(0, 2, 1) - > (0, 3, 1) 直接转发(0, 2, 1) - > (0, 3, 1) 存储转发(0, 3, 1) - > (0, 2, 1) 直接转发(0, 3, 1) - > (0, 2, 1) 存储转发时和抖动的影响均远远小于1 ms。 3.3 运行与实施3.3.1 列车控制网络状态图5 测试示例2结果按照多网融合方案进行试装后，对 表1 测试示例1数据 μs帧长/ B642565121 0241 51820.0020.0020.0020.0020.00负荷率/ %延时抖动延时抖动延时抖动延时抖动延时抖动（0，2，1）- >（ 0，3，1）直接转发45.970.20138.140.20261.070.20506.840.24734.950.28（0，3，1）- >（ 0，2，1）直接转发45.970.20138.130.24261.100.20506.850.20744.206.48（0，2，1）- >（ 0，3，1）存储转发40.210.20117.020.20219.470.20424.280.24621.870.28（0，3，1）- >（ 0，2，1）存储转发40.210.20117.010.24219.500.20424.290.20622.126.48 现代城市轨道交通 7 / 2019 MODERN URBAN TRANSIT43技术装备地铁车辆多网融合实时以太网技术研究 表2 测试示例2数据 μs帧长/ B642565121 0241 51820.0020.0020.0020.0020.00负荷率/ %延时抖动延时抖动延时抖动延时抖动延时抖动（0，2，1）- >（ 0，3，1）直接转发45.970.16141.2828.64261.100.16506.820.16743.920.16（0，3，1）- >（ 0，2，1）直接转发45.900.12143.7450.64261.080.16506.810.16743.930.12（0，2，1）- >（ 0，3，1）存储转发40.210.16120.1628.64219.500.16424.260.16621.840.16（0，3，1）- >（ 0，2，1）存储转发40.140.12122.6250.64219.480.16424.250.16621.850.12 表3 测试示例3数据 μs帧长/ B642565121 0241 51820.0020.0020.0020.0020.00负荷率/ %延时抖动延时抖动延时抖动延时抖动延时抖动（0，2，1）- >（ 0，3，1）直接转发47.6410.08140.4741.60270.3184.76525.9083.52806.02246.00（0，3，1）- >（ 0，2，1）直接转发47.1411.76145.5736.12277.3673.36541.83148.20766.89141.96（0，2，1）- >（ 0，3，1）存储转发41.8810.08119.3541.60228.7184.76443.3483.52683.94246.00（0，3，1）- >（ 0，2，1）存储转发41.3811.76124.4536.12235.7673.36459.27148.20644.81141.96的最大网络负荷分别为4.6%、25.1%和900 sμ80013.7%。交换机端口的速率测试数据参见 / 时700表4。延6003.3.3 试运行试验均500平据400列车在自动驾驶模式（AM）和人数300工驾驶模式（CM）2种模式下，在正线制控200运行2个区间，其网络运行、对标、整1000体运行均正常。运行结束后，对摄像头642565121 0241 518数据进行回放及列车控制数据统计分帧长 / B 析，发现控制数据运行正常，无延时统(0, 2, 1) - > (0, 3, 1) 直接转发(0, 2, 1) - > (0, 3, 1) 存储转发计。这说明控制数据和PIS视频在同一(0, 3, 1) - > (0, 2, 1) 直接转发(0, 3, 1) - > (0, 2, 1) 存储转发个以太网中传输，各自的性能和功能指标互不影响。图6 测试示例3结果4 结论列车进行静态测试，使列车运行1个多小时，此时列车本文以长沙地铁1号线T23车以太网为平台，采用的网络控制系统、PIS视频监控显示器状态、控制网的特制的以太网电缆将T23车司机室和客车室摄像头的数摄像头视屏均显示工作正常。据接入控制网，把该车彼此独立的控制网络和PIS网络3.3.2 交换机端口速率测试连接起来，从而将PIS网络的部分摄像头数据引入控制该速率测试对网络负荷有一定的要求：摄像头接入网络进行传输，使原来的控制网络同时具备控制网络和端口、PIS交换机接入控制网交换机端口和控制网环网多媒体网络双重属性，并将控制网交换机同PIS交换机44MODERN URBAN TRANSIT 7 / 2019 现代城市轨道交通地铁车辆多网融合实时以太网技术研究 表4 交换机端口速率测试数据发送统计数据接收统计数据列车控制网交换机端口速率网络网络/kb · s-1负荷错帧数速率负荷错帧数/ %/kb · s-1/ %15444.401 70813.702665 5.3029 0.20123 135 25.10368 2.9014344 2.80581 4.60153372.705384.30163372.705434.30相连，实现了控制网与PIS网的网络融合。通过技术改造后的试运行测试表明，其数据传输的实时性和确定性好，多媒体数据对控制数据延时和抖动的影响极小，列车各相关运行指标无异常。基于以太网技术进行网络融合试验成功进行，为未来地铁线路TCSN技术的应用提供了技术参考。装车试验结果表明，控制数据传输的延时和抖动指标均达到规定的目标值，试验结果为研究列车远程监测、智能维护、故障诊断、故障预警等大数据应用奠定了基础，实现了列车所有子系统节点的以太网接入，提高了列车的故障诊断能力，保证列车运行的可靠性。参考文献[1] 赵航，胡黄水，戚小莎，等. 列车以太网拓扑结构[J]. 长春工业大学学报，2018，39（5）：494-498. 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