中国标准动车组网络控制中对以太网的应用分析
时间：2020-09-15 07:55:55 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘要：以太网技术在工业领域的应用越来越广泛，具有价格适宜、通讯速率快、软硬件产品丰富等特点。本文针对标准动车组网络控制中对以太网的应用进行概况分析，同时通过仿真技术的分析进一步证实了以太网在动车组网络控制系统中的应用所带来的方便。
关键词：以太网;动车组;网络控制系统
1 以太网技术
根据以太网的通信协议标准，遵循IEEE 802.3标准，可在双绞线和光纤上进行传输。其价格适宜、通信速率高且可靠、稳定，支持技术成熟，软硬件产品多样。这些优势使其成为目前工控网络和现场总线中的主流技术。国际电工委员会IEC也正在积极推出支持以太网的列车通信网络标准，意在推动以太网技术在列车网络控制领域的全面应用，其中包括用于车辆总线——以太网的IEC 61375 -3 -4，和用于列车总线——以太网的IEC 61375-2 -5。
2 标准动车组网络控制系统
標准动车组的组成部分之一就包括列车网络控制系统，该组成部分很重要，其工作范围是控制、监视、诊断动车组的牵引、制动、辅助、车门、空调等系统。在标准动车组网络控制系统（TCMS）中，由于TCMS就像是列车的中枢神经系统，TCMS需要贯穿列车的总线进行信息传输，才能对动车组的运行及车载设备动作的有关信息实行集中管理，从而对动车组完成逻辑控制、状态监视、故障诊断及测试功能。通过这一系列的管理可以为司机、乘务员提供可靠的操作指导，并为动车组的设备维护、保养以及乘客服务提供指示。在动车组的网络拓扑TCMS中，选择了TCN+以太网（环形）拓扑架构，其中TCN 作为两级总线式拓扑结构，一个是列车级总线WTB总线，另一个是车辆级;以太网也有两级分别是列车级和车辆级。列车级的以太网（ETB总线），使用的是100BASE-TX，模式为全双工模式，ETB总线传输速率为100Mbit/s，TCMS程序上载及在线监测就是依靠以太网总线。
3 标准动车组网络控制系统中的以太网应用
以太网通信设置情况是在对应的每一个网络单元中都设置一台以太网交换机（1/8车各设置两台以太网交换机，有一台是重联专用），这些交换机的设置都是用于以太网通信。车辆级ETB通信在8辆动车组的情况如上表：总而言之，每辆车都配有以太网交换机，采用环形拓扑结构，通过以太网交换机与CCU、HMI、WTD等设备连接进行数据交换。ETB总线用于传输故障诊断、事件记录、显示等数据，作为维护网络，它可以将软件和数据下载到连接以太网的系统中。
4仿真验证分析
利用网络仿真工具OPNET Modeler对以太网在列车网络控制系统中的应用进行了验证。对8个动车组进行了基于工业以太网的列车网络仿真，每个车厢长度设为25m。每个车厢都配有16口以太网交换机，将整个列车网络划分为8个碰撞区域。每个车厢有8个以太网终端节点连接到交换机上，设置数据库访问应用程序模拟流量，在第三个车厢放置一台服务器，观察和分析网络负载。所有节点和交换机，交换机和交换机之间的链路采用100BaseT全双工链路。基于该模型，将仿真时间设置为0.5 h进行仿真。当网络稳定时，网络的负载约为2.6Mb/s。与100Mb/s的带宽相比，负载大大低于10%，可以保证网络的实时性和确定性。网络时延的平均收敛速度约为1.2m/s，时延低，传输性能好，能够满足列车网络数据通信的要求。
5以太网在动车组中的应用不足及其解决方案
①交换式以太网：采用交换式以太网技术，隔离端口之间的信息流，使原有的共享带宽变为独占带宽，大大提高了动车组以太网的实时性和确定性。
②修改媒体访问控制协议：位于以太网数据链路中的CSMA/CD协议是以太网通信不确定性的根本原因，因此修改以太网MAC层协议是改变以太网不确定性最直接的方法。
③增加实时通信控制层：在MAC层上增加一个实现确定性调度的控制层。
6结语
本文介绍了标准动车组以太网系统，通过工作原理、逻辑控制理论和实际应用，还分析了以太网在列车网络中的优势，并利用网络仿真工具进行说明和仿真分析，验证了以太网在列车网络中的可行性。总结了以太网在列车网络中应用的不足，并提出了相应的解决方案，强调了以太网在动车组网络传输中的重要价值。
参考文献：
[1]苏晓波.基于工业以太网的动车组列车网络控制系统研究[J].科技展望，2017（12）.
[2]王沛东，孔元.基于工业以太网的动车组列车网络技术研究[J].铁道机车车辆，2012（1）.
