基于骨干网以太网的列车灵活编组技术

考虑以太网通信方式相比传统网络通信架构具有更高的带宽、更灵活的拓展性，网络控制系统采用符合 IEC 61375-1 标准的 2 级结构以太网网络，由列车级通信以及车辆级通信构成。列车级通信采用符合 IEC 61375-2-5 标准的骨干以太网 ETB，并且采用了双线冗余，车辆级通信采用符合 IEC 61375-3-4 标准的编组以太网ECN。

1 原理介绍

1.1 TTDP 协议

TTDP 协议（Train Topology Discovery Protocol）是一种自动化的网络配置协议，用于列车通信网络中动态发现和配置列车骨干网（ETB）中的网络设备，包括 ETBN 和 ECN，以及它们之间的连接方式，从而实现列车网络的自动拓扑发现、IP 地址分配和链路聚合控制，确保列车网络的高效和稳定运行。

1.2 ETBN 和 ECN

ETBN（以太网列车骨干网节点）和 ECN（以太网编组网）是列车通信网络中的两个关键组成部分，它们在结构和功能上有所不同。以下是 ETBN和ECN 的对比介绍：

1.2.1 网络层级和作用范围

ETBN ：作为列车级网络，即以太网列车骨干网络（ETB），负责整个列车范围内的通信，并实现列车拓扑发现协议。它由骨干网节点（ETBN）构成，采用线性拓扑结构。

ECN ：作为车辆级网络，即以太网编组网，负责列车组网内的通信。车载终端设备通过 ECN 连接到网络，每个车辆编组内的 ECN 通过 ETBN 连接至ETB，从而实现车辆编组之间的通信。

1.2.2 拓扑结构

ETBN 之间为线性连接，除了首尾 ETBN 节点外，每个中间 ETBN 交换节点都通过两个全双工以太网链路与其前后两个方向的 ETBN 节点相连，采用以太网链路聚合机制捆绑使用，以支持冗余。

ECN 的拓扑范围与列车牵引单元范围一致，终端设备（ED）以星形连接的方式下挂在 ECN 交换机（ECNN）上，ED 之间遵循通信协议完成通信控制任务。

1.2.3 通信协议和数据传输

ETBN 界定了不同列车编组之间的互连接和互操作规范，支持 TTDP（Train Topology Discovery Protocol）等协议，实现列车网络的动态配置和拓扑管理。

ECN 单元内数据通信参数和协议保持统一，便于各类控制逻辑的编制，并且通信时延、通信带宽等传输性能也一致。

1.2.4 冗余和可靠性

ETBN 支持链路聚合和旁路中继功能，增强了网络的冗余性和可靠性。在列车级网络中，ETBN 与车辆级以太网（ECN）实现数据通信，列车级链路采用双线型结构，数据传输能力加倍，增加了冗余性。

ECN ：ECN 的设计更多关注于车辆内部的通信可靠性和实时性，通常采用星形拓扑以简化管理和提高效率。

1.2.5 设备和接口

ETBN ：ETBN 设备需要支持复杂的网络协议和冗余控制，以确保列车网络的高可靠性和动态重构能力。

ECN ：ECN 交换机（ECNN）连接多个终端设备，接口配置相对简单，每个网络接口具有独立的IP 地址。

1.3 ETB 初运行

配置列车网络的动作称为列车初运行。通常在上电时发生初运行，但在列车动态解编或动态联挂时也会发生初运行。列车初运行过程需为每个ETBN 定义一个标识编号 ETBN ID 标识。

ETBN ID 是指分配给每个ETBN 的唯一标识。列车由多个车辆组成，每个车辆有出厂时设定的全球唯一的 128 位车辆标识（CSTUUID）。在列车初运行时，TTDP 协议比较列车首尾车辆的 CSTUUID，将具有较小 CSTUUID的车辆定义为车头，具有较大 CSTUUID 标识的车辆定义为车尾。然后按照车头到车尾的顺序为每个车辆中的ETBN 和车辆网络子网进行编号。

其结果是6 位精度即 1～63 的“ETBN 标识 (ETBN Id)”。

1.4 禁止初运行

列车初运行的禁止状态是列车应用控制的一个功能，这涉及到一个禁止初运行的标志，在某些情况下，例如为了避免因 ETBN 丢失或插入导致的不必要的网络配置变动，列车应用可能会设置这个标志来阻止初运行过程。当初运行状态改变时，ETBN 会通告列车应用，同时应用也可以获取当前的初运行状态和列车拓扑。这种互动确保了网络配置的稳定性和控制权集中在列车应用上。

2 实现方式

列车网络系统采用了骨干网以太网（ETB）以及编组网以太网（ECN）两级网络架构，列车级通信（车辆与车辆通信）采用 ETB 通信，车辆内部通信采用ECN 通信。每节车都设置独立的ETBN 节点，如下图所示：

2.1 车型识别

通过在每个车的中央控制单元（CCU）配置文件明确该车型的车型（例如发电车”、“商务车”等）。CCU 应用程序读取该配置信息确认本车为什么车型。

2.2 车号排列与分配

当列车上电 ETB 初运行完成后，参与 ETB 初运行的节点数量已确定（如 16 编组进行灵活编组），ETB 网络拓扑仅有以下两种排序，见 1.3 节关于ETB 初运行的介绍；

情况1 ：

情况2 ：

ETB 初运行完成后，每个车厢的中央控制单元通过访问本节车的 ETBN节点确认ETB 初运行总节点数（编组总数）以及自身的ETBN ID ；

在实际编组过程中，发电车必然是头车，端车必然是尾车，而且发电车和端车是唯一存在的。因此当 ETBN ID 排序为情况 1 时，那么实际车厢号与 ETBN ID 顺序一致，如果 ETBN ID 排序为情况 2，即发电车所对应的ETBN ID 为最大值，端车对应的 ETBN ID 为最小值，那么此时实际车厢号只需要将ETBN ID 的序号颠倒既可。

通过这种方式，可以实现多个车辆灵活编组，并实现车厢顺序号的自动分配。

2.3 拓扑锁定功能

为了避免车辆运行过程中因个别 ETBN 节点故障或者线路干扰导致列车重新初运行，特别增加了拓扑锁定的功能。车辆运行前乘务员需确认当前车辆网络拓扑、车厢数量正确，可通过点击显示屏的拓扑锁定按钮，网络系统可以通过禁止初运行（见第 1.4 节）对网络拓扑进行锁定，此时即使某个单元出现故障，列车的拓扑也不会发生改变。

3. 总结

未来，随着轨道交通技术的不断发展和创新，灵活编组技术将得到更广泛的应用。同时，需要进一步加强列车控制系统和通信网络的研发和应用，提高系统的可靠性和安全性。此外，还需要探索新的编组方式和运营模式，以更好地满足乘客的出行需求和提高轨道交通的运营效率。

参考文献：

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