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城市轨道交通车辆总线对比分析

来源:现代城市轨道交通 作者:


在现如今这个信息大爆炸的年代,

人们越来越离不开手机,

尤其是坐车的时候。

最近小编发现,

地铁里的信号和网速是越来越好了,

搞得我十分容易坐过站。

那么列车通信网络是如何构成的呢?

今天小编就来跟大家一起学习一下

目前城市轨道交通车辆上采用的

3种车辆总线构成的列车通信网络。





城市轨道交通车辆总线是列车控制管理系统(Train Control and Management System,TCMS)的物理传输介质,其组网方式、拓扑结构、传输速率、数据传输机制等对 TCMS 系统的设计具有重要影响。目前主流的车辆总线形式主要包括控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线、多功能车辆(Multifunction Vehicle Bus,MVB)总线和工业以太网总线。



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CAN 总线

CAN网络设备模型

CAN 总线是在 20 世纪 80 年代提出的,最初应用在汽车领域,而后逐渐扩展到包括城市轨道交通在内的工业控制领域。CAN 总线是一种串行通信协议、多主竞争式的总线,其传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等,传输速率根据传输距离的不同而不同,最高可达1 Mb/s。

CAN 总线作为车辆总线一般运用在城市轨道交通短编组车辆(如低地板有轨电车车辆)中,传输介质通常采用带屏蔽的双绞线。通常情况下,低地板车辆以长为 150~200 m 作为 CAN 总线的最大布线长度,传输速率保证在 250 kb/s,能够满足短编组运营车辆 TCMS 数据的传输需求。

CAN 总线及其扩展协议对应于 ISO/OSI 参考模型的网络应用如下图所示。



CAN网络拓扑结构

在城市轨道交通车辆总线中,CAN总线一般选择中央控制单元(Vehicle control unit, VCU)作为 CAN 主节点,其他系统控制器(如车门控制器)作为CAN 子节点,通过过程数据对象(PHP Data Object,PDO)和服务数据对象(Service Data Objects,SDO)来传输控制数据和监视数据。

CAN 总线作为车辆总线在城市轨道交通车辆中的一般网络拓扑结构如下图所示。图中,车辆为“2 动 1 拖”3节编组,车辆总线采用 CAN 总线、车门控制单元(RDCU)、牵引控制单元(TCU)、火警控制系统(FAS)等总线节点设备,均通过串行方式接入 CAN 总线;列车显示屏 HMI 与车辆中央控制单元(VCU)单独连接。



每一个 CAN 节点设备都有 2 个 CAN 接口。从下图中可以看出,城市轨道交通车辆上每个 CAN 节点设备的 2 个 CAN 接口相当于 2 只手,连接方式看起来像手拉手一样,所以称为“手拉手”式串行连接方式;这2 个 CAN 接口分别为 CAN-IN 和 CAN-OUT。这里的“ IN”和“ OUT”分别代表物理连接的进和出,而不代表通信数据的进和出。实际上,这 2 个 CAN 接口在内部是连通的,这也是目前城市轨道交通车辆总线接口(包括 MVB 总线)普遍采用的方式。




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 MVB 总线

MVB网络应用模型

MVB 总线是由西门子等公司提出、专门针对城市轨道交通车辆应用的车辆总线,是 IEC61375 标准中最早纳入的车辆总线。MVB 总线同样是一种串行通信协议,属于总线仲裁型网络,主设备与从设备之间采用主帧 / 从帧的轮询应答方式进行访问;其传输介质可以为屏蔽双绞线和光纤,传输速率为 1.5 Mb/s。

MVB 总线作为车辆总线广泛运用于城市轨道交通的各类车型中,包括地铁、有轨电车等,其传输介质通常采用带屏蔽的双绞线,在 150~200 m 的最大布线长度下,可通过中继器级联或并联的方式,保证 1.5 Mb/s的数据传输速率,能够满足各种车辆运营工况下 TCMS的数据传输需求。

MVB 总线及协议对应于 ISO/OSI 参考模型的网络设备模型如下图所示。


MVB网络拓扑结构

MVB 总线作为城市轨道交通车辆总线,一般选择车辆(中央)控制单元作为 MVB 总线管理器(Bus Administrator,BA),其他系统控制单元(如车门控制单元)作为 MVB 子设备,通过过程数据传输数据长度固定的、周期性较强的控制和监视信息,通过消息数据传输长度不定、时间性不强、非周期性的信息,通过监督数据对总线设备进行检测,一般用于网络初运行和网络重构的管理。

MVB 总线作为车辆总线在城市轨道交通车辆中的一般拓扑结构如下图所示。图中,车辆为“2 动 1 拖”3 节编组,网络采用“主干 - 分支”结构,通过 MVB中继器将拓扑结构分为 2 层:列车控制层和车辆控制层。列车控制层通过 MVB 中继器组成主干网络;车辆控制层将车门控制单元(DCU)、牵引控制单元(TCU)、火警控制系统 (FAS) 等节点设备,通过串行方式接入 MVB 总线。列车显示屏(HMI)与中央控制单元(VCU)单独连接到 MVB 总线。



MVB 中继器可将电气中距离 MVB 总线分成不同的网段,相连接的网段可以相同的速度在同一协议中运行。采用内部并联结构的中继器优点在于:当某单个网段失效时,不会影响整车的网络通信。




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 工业以太网总线

工业以太网总线应用模型

由施乐(Xeros)公司提出的工业以太网总线广泛应用于商用领域。工业以太网总线是一种串行通信总线,采用带冲突检测的载波监听多路访问技术(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,CSMA/CD),具有兼容性强、传输速率高等特点。其基础协议 IEEE 802.3 仅定义了物理层和数据链路层,数据链路层又被分为介质访问控制层和逻辑链路控制层,从而决定了工业以太网的数据链路不受介质影响。TCP/IP 协议为工业以太网提供了网络层和传输层,而工业以太网协议主要是基于对 TCP/IP 协议的改进和扩充,包括现场总线(Ethernet/IP)、以太网控制自动化技术(EtherCAT)和基于工业以太网技术的自动化总线标准(ProfiNet)等。

在城市轨道交通行业,工业以太网运用尚未成熟。在 2014 年,IEC 61375 标准中新增了列车用工业以太网的相关章节,对车辆用工业以太网(ETBN)协议进行了定义和规范。

工业以太网总线及协议对应于 ISO/OSI 参考模型的网络设备模型如下图所示。



工业以太网拓扑结构

工业以太网总线作为城市轨道交通车辆总线能够灵活地选用总线型、环型、星型网络,可以根据以太网特点、车辆结构和系统特点,设计选取更佳的拓扑结构。例如,星型拓扑结构使用路由器将网络划分为多个子域,分别对应车辆中的各个独立区域,能够有效地减少网络冲突和数据包碰撞,可以进一步利用工业以太网交换技术对网络进行更深层次的细分,从拓扑设计上避免工业以太网本身的冲突和碰撞问题。

在城市轨道交通车辆总线设计中,由于冗余设计可以保证车辆运行的可靠性,因此工业以太网总线的冗余设计目前主要采用路由器的链路聚合技术和 Bypass 技术。其中,链路聚合技术能够提高网络带宽,Bypass 技术能够在单个路由器失效情况下,保证网络上其他设备数据的有效传输。

工业以太网总线作为车辆总线的一般拓扑结构如下图所示。

工业以太网采用 CSMA/CD 技术,没有主设备和子设备的划分,车辆控制单元作为应用层面上的管理设备,与各系统控制单元平等地处于总线网络的管理下。




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 3种车辆总线运用与对比

3 种车辆总线在城市轨道交通车辆中的运用与对比如下表所示。



3 种车辆总线中,CAN 总线成本最低,对子系统设备的可选择性最广;MVB 总线在传输速率、实时性、通信一致性等方面与城市轨道交通车辆运用最匹配;工业以太网总线符合目前工业控制网络智能化的趋势,并在带宽、设备节点数量、拓扑设计灵活性、灵活分配地址、多种业务融合传输等方面具有优势。当前 TCMS 系统的集成设计中,实时性、确定性、冗余性、可靠性是基本要求,灵活编组、减少布线、运维便利、智能化是业务趋势要求。因此目前 MVB 总线在城市轨道交通车辆中运用最广泛,CAN 总线运用稍少一些,而工业以太网总线在实时性、确定性和可靠性方面,仍然需要很大的适用性改进,才能够真正推广使用。

参考文献

李星宜,李正,崔杰,等. 城市轨道交通车辆总线对比分析[J].现代城市轨道交通,2019(6):55-60.