一直以來，鐵路行業(yè)所用列車普遍部署多個通信網(wǎng)絡(luò)，分別用于列車控制、鐵路信號、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，各類列車網(wǎng)絡(luò)增加了列車控制和監(jiān)測系統(tǒng) (TCMS) 架構(gòu)的復(fù)雜性和成本，最終推高列車的生命周期成本。
CONNECTA-2 和 Safe4RAIL-2 項目致力于融合多個列車網(wǎng)絡(luò)，降低列車制造及維護成本。這兩大項目均引入數(shù)據(jù)驅(qū)動概念，即通過電子網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化傳輸 TCMS 子系統(tǒng)的所有控制參數(shù)。為此，兩個項目一直致力于定義和開發(fā)基于 IEC 61375 的新一代列車通信網(wǎng)絡(luò) (NG-TCN)，旨在實現(xiàn)不同制造商列車之間的真正互操作性。創(chuàng)新舉措包括更新列車網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)用新的列車安全初運行機制，將安全通信級別提高至 SIL4，以及引入時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 技術(shù)。這些改進已體現(xiàn)在 NG-TCN 設(shè)備中，具體如下所述。
新一代列車通信網(wǎng)絡(luò) (NG-TCN)——提升列車安全性
a)新列車網(wǎng)絡(luò)拓撲
新列車網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括兩條獨立的以太網(wǎng)列車骨干 (ETB) 數(shù)據(jù)傳輸線。能夠通過動態(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)列車安全啟動機制
新的列車安全初運行機制滿足 SIL4 標準，確保列車編組和解編過程安全穩(wěn)定。改進后的列車啟動機制通過標準以太網(wǎng)通信實現(xiàn)列車安全功能。這些功能依賴于列車啟動過程中的參數(shù)，例如列車狀態(tài)、編組和行進方向。
c)列車安全通信通道
列車安全通信通道利用 SDTv4 協(xié)議，使安全功能達到 SIL4 級別，確保不同列車編組的終端設(shè)備在安全環(huán)境下點到點交換信息。
d)時間敏感網(wǎng)絡(luò)
TSN 技術(shù)定義了用于交換安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的時間段，防止在這些時間段內(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 項目的其他合作伙伴，成功開發(fā) NG-TCN 設(shè)備,為創(chuàng)建更安全的列車網(wǎng)絡(luò)樹立重要里程碑。特別值得一提的是，Moxa 設(shè)備集成的 TSN 技術(shù)及其后續(xù)互操作性驗證，極大地促進了 Safe4RAIL-2 項目關(guān)鍵目標的實現(xiàn),助力合并列車網(wǎng)絡(luò)、削減列車總成本。TSN 技術(shù)的亮點如下：
a)冗余時鐘同步
IEEE 802.1AS-rev 中定義的冗余時鐘同步允許 TSN 設(shè)備跨網(wǎng)絡(luò)和多域共享一個通用實時時鐘。
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)測的固定時間間隔內(nèi)傳輸。
c)冗余關(guān)鍵流量
根據(jù) IEEE 802.1CB 標準，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ETB線路上傳輸。
總體而言，NG-TCN 減少了設(shè)備和布線量，同時提高了列車網(wǎng)絡(luò)的整體安全性和可靠性。此外，NG-TCN 能夠通過 TSN 技術(shù)實現(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)議實現(xiàn)非關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸。Moxa 與 Safe4RAIL-2 項目合作伙伴通力合作，執(zhí)行嚴格的互操作性測試，確保新要求符合 IEC 61375 標準的未來擴展趨勢。這些技術(shù)的開發(fā)和集成是為發(fā)展下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)不同制造商列車之間的完全互操作性邁出的一大步。
附錄 A
什么是時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)？
TSN 是一套協(xié)議標準，能夠確保標準以太網(wǎng)實現(xiàn)確定性數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE) 的定義，TSN 包括一套網(wǎng)絡(luò)流量管理機制，針對端對端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸延遲，確定不可協(xié)商的時間框架。因此，必須要保證 TSN 網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備時鐘同步，同時建立一個通用時間框架，支持高精度工業(yè)控制應(yīng)用實時通信。
Shift2計劃的資助，資助協(xié)議編號為 826073。本文提供的信息觀點僅代表作者個人，不反映 Shift2Rail 聯(lián)合行動的官方意見。該聯(lián)合行動不保證本文所含數(shù)據(jù)的準確性，且聯(lián)合行動或代表聯(lián)合行動行事的任何人士均不對其中所含信息的使用結(jié)果負責(zé)。