一直以來(lái)，鐵路行業(yè)所用列車(chē)普遍部署多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，分別用于列車(chē)控制、鐵路信號(hào)、視頻安全和乘客信息系統(tǒng)，通常還另設(shè)供乘客接入 Wi-Fi 的網(wǎng)絡(luò)。這些通信網(wǎng)絡(luò)大多使用 MVB、CAN、PROFIBUS 等傳統(tǒng)接口，存在帶寬限制，如組合使用，就需要網(wǎng)關(guān)。這些網(wǎng)絡(luò)也有物理分區(qū)，明確區(qū)分安全功能和非安全功能。然而，各類(lèi)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)增加了列車(chē)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (TCMS) 架構(gòu)的復(fù)雜性和成本，最終推高列車(chē)的生命周期成本。
CONNECTA-2 和 Safe4RAIL-2 項(xiàng)目致力于融合多個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)，降低列車(chē)制造及維護(hù)成本。這兩大項(xiàng)目均引入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)概念，即通過(guò)電子網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化傳輸 TCMS 子系統(tǒng)的所有控制參數(shù)。為此，兩個(gè)項(xiàng)目一直致力于定義和開(kāi)發(fā)基于 IEC 61375 的新一代列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò) (NG-TCN)，旨在實(shí)現(xiàn)不同制造商列車(chē)之間的真正互操作性。創(chuàng)新舉措包括更新列車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)用新的列車(chē)安全初運(yùn)行機(jī)制，將安全通信級(jí)別提高至 SIL4，以及引入時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 技術(shù)。這些改進(jìn)已體現(xiàn)在 NG-TCN 設(shè)備中，具體如下所述。
新一代列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò) (NG-TCN)——提升列車(chē)安全性
a)新列車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/b>
新列車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩條獨(dú)立的以太網(wǎng)列車(chē)骨干 (ETB) 數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)。能夠通過(guò)動(dòng)態(tài) VLAN 重新配置，為關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)創(chuàng)建冗余通信通道。
b)列車(chē)安全啟動(dòng)機(jī)制
新的列車(chē)安全初運(yùn)行機(jī)制滿(mǎn)足 SIL4 標(biāo)準(zhǔn)，確保列車(chē)編組和解編過(guò)程安全穩(wěn)定。改進(jìn)后的列車(chē)啟動(dòng)機(jī)制通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全功能。這些功能依賴(lài)于列車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)，例如列車(chē)狀態(tài)、編組和行進(jìn)方向。
c)列車(chē)安全通信通道
列車(chē)安全通信通道利用 SDTv4 協(xié)議，使安全功能達(dá)到 SIL4 級(jí)別，確保不同列車(chē)編組的終端設(shè)備在安全環(huán)境下點(diǎn)到點(diǎn)交換信息。
d)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)
TSN 技術(shù)定義了用于交換安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的時(shí)間段，防止在這些時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)非安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸。
NG-TCN 設(shè)備之間的互操作性
融合 TSN 等技術(shù)的 NG-TCN 設(shè)備的發(fā)展,是行業(yè)的一大突破。Moxa 攜手 Safe4RAIL-2 項(xiàng)目的其他合作伙伴，成功開(kāi)發(fā) NG-TCN 設(shè)備,為創(chuàng)建更安全的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)樹(shù)立重要里程碑。特別值得一提的是，Moxa 設(shè)備集成的 TSN 技術(shù)及其后續(xù)互操作性驗(yàn)證，極大地促進(jìn)了 Safe4RAIL-2 項(xiàng)目關(guān)鍵目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),助力合并列車(chē)網(wǎng)絡(luò)、削減列車(chē)總成本。TSN 技術(shù)的亮點(diǎn)如下：
a)冗余時(shí)鐘同步
IEEE 802.1AS-rev 中定義的冗余時(shí)鐘同步允許 TSN 設(shè)備跨網(wǎng)絡(luò)和多域共享一個(gè)通用實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
b)確定性數(shù)據(jù)傳輸
依照 IEEE 802.1Qbv 調(diào)度的流量能夠確保關(guān)鍵流量在可預(yù)測(cè)的固定時(shí)間間隔內(nèi)傳輸。
c)冗余關(guān)鍵流量
根據(jù) IEEE 802.1CB 標(biāo)準(zhǔn)，幀復(fù)制及幀消除使在不同以太網(wǎng)編組網(wǎng)絡(luò) (ECN) 之間的冗于關(guān)鍵流量能在兩個(gè)ETB線(xiàn)路上傳輸。
總體而言，NG-TCN 減少了設(shè)備和布線(xiàn)量，同時(shí)提高了列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和可靠性。此外，NG-TCN 能夠通過(guò) TSN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)的可靠傳輸，并且依靠常規(guī)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)非關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸。Moxa 與 Safe4RAIL-2 項(xiàng)目合作伙伴通力合作，執(zhí)行嚴(yán)格的互操作性測(cè)試，確保新要求符合 IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)的未來(lái)擴(kuò)展趨勢(shì)。這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)和集成是為發(fā)展下一代列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)不同制造商列車(chē)之間的完全互操作性邁出的一大步。
附錄 A
什么是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)？
TSN 是一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能夠確保標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)確定性數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 的定義，TSN 包括一套網(wǎng)絡(luò)流量管理機(jī)制，針對(duì)端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸延遲，確定不可協(xié)商的時(shí)間框架。因此，必須要保證 TSN 網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備時(shí)鐘同步，同時(shí)建立一個(gè)通用時(shí)間框架，支持高精度工業(yè)控制應(yīng)用實(shí)時(shí)通信。
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