一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑实现方法与流程

1.本发明涉及列车通信网络系统，尤其涉及一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑实现方法。


背景技术：

2.目前广泛应用于动车组列车上的通信网络为wtb和mvb总线网络，其中wtb总线作为列车级通信总线，mvb作为车辆级通信总线，wtb总线以1.0mbit/s、mvb以1.5mbit/s的传输速率工作，这种拓扑结构的缺点在于通信网络总线传输速度较低，导致动车组网络负载率较高，严峻工况下可达60％，易造成通信阻塞。
3.近些年，在时速250公里“复兴号”动车组以及时速350公里“复兴号”智能配置动车组上采用了全以太网控车技术，列车总线由wtb升级为etb，车辆总线由mvb升级为ecn，以上两级总线的通信带宽均提升至100mbit/s，全列不需要再设置单独的维护以太网，大幅提高了通信速率；此外两车有线重联受限于车钩处电磁兼容环境以及施工工艺的影响，目前仅实现了百兆以太网的贯通。
4.现有的时速250公里“复兴号”动车组以及时速350公里“复兴号”智能配置动车组采用基于iec61375标准的以太网通信网络架构，列车通信网络系统采用两级总线式拓扑结构，分为列车级etb总线和车辆级总线ecn，列车级和车辆级数据转换采用etbn网关。
5.如图1所示，动车组列车采用8辆编组形式，8辆编组分为2个编组网牵引单元，1到4节车厢为1个编组网牵引单元，5到8节车厢为1个编组网牵引单元。跨牵引单元采用骨干网etb总线，etb总线具备动态编组能力，可适应一列8辆编组或一列16辆编组(由两个8辆编组动车组组成的重联列车)动车组的动态配置。此外由于传输距离以及信号整形放大的需要，2-7车设置了以太网中继器(erep)，2车与3车erep互为冗余，6车与7车erep互为冗余，冗余的两个erep之一故障不影响总线通信功能。采用两路线路链路聚合方式将列车级设备etbn与erep进行电气串联，形成直线型网络架构，当单一的以太网线路故障，不会影响列车级etb总线通信。
6.牵引单元内部采用ecn总线架构，ecn总线将带有中央控制单元ccu的列车核心计算机与各子系统连接起来，构成分布式通信网络，ccu用于调度和管理网络上的各个子系统，实现指令的发布以及状态信息的收集，但该网络采用的是百兆以太网，无法为车上的视频数据提供足够的带宽，无法实现多网乃至多业务的融合；pis系统车上单独成网同样提高了车辆的成本以及布线复杂度。


技术实现要素：

7.本发明的目的是通过光纤以太网技术，综合承载车上所有通信传输业务，将列车控制系统网络、旅客信息服务网络、子系统内部通信网络等多网融合，降低整车网络通信成本，同时有利于车辆轻量化设计、降低线缆铺设复杂度，对车辆复杂的电磁兼容环境具有天然的适应性，此外无线通信技术的应用可以降低工艺复杂度，并通过无线重联实现降低两
车运行间隔，提高运行组织效率。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，列车包括至少一个网络单元，每个网络单元包括8节车厢，没节车厢包括多个子系统设备，所述的动车组列车通信网络拓扑结构包括编组网和骨干网，所述骨干网包括设置于所述网络单元的骨干网交换机，所述编组网包括设置于各所述车厢的编组网交换机；
9.所述网络单元的8节车厢的编组交换机相互连接构成一个环网(ecn光环网)；
10.设置于所述网络单元中的所述骨干网交换机与包含在该所述网络单元中的任一所述编组网交换机相连接；
11.各所述车厢包括的子系统设备与同设于所述车厢的编组网交换机相连接；
12.所述的网络单元包括4个骨干网交换机，所述的网络单元的头部车厢和尾部车厢各设置两个骨干网交换机，同一车厢内的两个骨干网交换机同时工作互为热备冗余，所述的骨干网由上下两组网络通道组成，不同网络单元之间同一骨干网下骨干网交换机在网络单元端部进行无线通信并形成物理隔离的无线通道通信。
13.进一步的，所述的骨干网交换机布置在列车级wltb总线上设置的4个列车级以太网节点上，其中网络单元的头车以太网节点和尾车以太网节点均为冗余配置。
14.进一步的，所述的编组网交换机与骨干网交换机之间通过以太网有线通信，用来传输编组内需要发送给其他编组的数据和需要接收其他编组发送到本编组的数据。
15.进一步的，所述网络单元的每个车厢内编组网交换机通过光纤或者无线连接，形成ecn光环网，子系统设备具备双归属冗余接口接入编组网交换机。
16.进一步的，所述的每节车厢各子系统设备与车辆编组网之间通过网络数据通信接口，实现车辆tcms对车辆子系统通信和控制功能，传输的数据内容一般包括控制数据、状态数据和故障数据。
17.进一步的，所述的网络单元内的每节车厢都布置两台编组交换机，编组交换机之间通过光纤实现有线连接的光通信，并通过无线通信wlan完成信息辅助，wap作为无线通信的传输热点。
18.本专利的编组网(车辆级)采用基于万兆光环网+无线通信网络、骨干网(列车级)采用无线通信网络的动车组列车网络架构，可大幅提升车辆带宽，保证动车组列车网络通信正常可靠而不发生阻塞。
19.该网络架构基于光纤以太网技术，可综合承载车上所有通信传输业务，将列车控制系统网络、旅客信息服务网络、子系统内部通信网络等多网融合，降低整车网络通信成本，同时有利于车辆轻量化设计、降低线缆铺设复杂度。
20.基于光通信的网络技术对车辆复杂的电磁兼容环境具有天然的适应性，此外无线通信技术的应用可以降低工艺复杂度，并通过无线重联实现降低两车运行间隔，提高运行组织效率。
21.8辆编组网段设置与目前复兴号智能配置动车组的以太网控车方案不同，全列划为一个网段，简化列车内部通信复杂度。
附图说明
22.图1是典型的以太网列车通信网络拓扑架构；
23.图2是基于万兆光环网的列车通信网络拓扑架构。
具体实施方式
24.如图2所示，图中骨干网交换机为wltbn交换机，编组网交换机为cs交换机，以太网节点为wltnb节点。
25.本发明在基于牵引单元组网方式的基础上进行了优化，将全列8编组设置为一个网络单元，8辆编组作为同一个网络单元实现编组网内部所有子系统的通信，简化了编组内部通信层级，8辆编组内采用光环网通信并使用无线网络通信作为辅助。
26.而跨列车之间采用无线通信技术实现列车动态配置，可适应一列8辆编组或一列16辆编组(由两个8辆编组动车组组成的重联列车)动车组的动态配置，列车级wltb总线上设置了4个列车级以太网节点wltbn，其中网络单元的头车wltbn和尾车wltbn均为冗余配置(任一wltbn故障不会影响列车级总线通信功能)，由于采用了光通信技术，可取消图1拓扑中2-7车的以太网中继器erep，从而降低了车辆成本以及可能发生故障的概率。
27.可按照接入网络的系统业务类型、优先级、重要程度等维度进行传输数据流量的分类，本发明示意拓扑是按照pis数据、无线数据以及控制数据进行的区分，不同类型的业务数据可通过多模光纤的传输技术进行互不干扰的高速传输。
28.图2中编组网(车辆级)采用基于万兆光环网(ecn光环网+无线通信)、骨干网(列车级)采用无线通信网络(wltb网络)的动车组列车网络架构，列车包括至少一个网络单元，每个网络单元包括8节车厢，没节车厢包括多个子系统设备，所述的动车组列车通信网络拓扑结构包括编组网和骨干网，所述骨干网包括设置于所述网络单元的骨干网交换机，所述编组网包括设置于各所述车厢的编组网交换机；
29.所述网络单元的8节车厢中的编组交换机相互连接构成一个环网(ecn光环网)，
30.设置于所述网络单元中的所述骨干网交换机与包含在该所述网络单元中的任一所述编组网交换机相连接；
31.各所述车厢包括的子系统设备与同设于所述车厢的编组网交换机相连接；
32.所述的网络单元包括4个骨干网交换机，所述的网络单元的头部车厢和尾部车厢各设置两个骨干网交换机，同一车厢内的两个骨干网交换机同时工作互为热备冗余，所述的骨干网由上下两组网络通道组成，不同网络单元之间同一骨干网下骨干网交换机在网络单元端部进行无线通信并形成物理隔离的无线通道通信。
33.所述的骨干网交换机布置在列车级wltb总线上设置的4个列车级以太网节点上，其中网络单元的头车以太网节点和尾车以太网节点均为冗余配置。
34.本发明取消了中继器和wltbn内部的bypass继电器，有利于节约成本，头尾车各设置的两个wltbn节点同时工作互为热备冗余，提升了数据传输的可靠性，保障数据通信的高完整性和低时延性。
35.wltb车辆内骨干网采用冗余网络接口的形式通信，骨干网由a网和b网(图2中上下两组网络通道)组成，首尾车布置的4台wltbn交换机中单端2台分别用来无线连接干路a网和干路b网，不同列车间同一干路网下wltbn交换机进行无线通信并形成物理隔离的无线通道通信。
36.车辆编组网cs交换机与列车骨干网wltbn交换机之间通过以太网有线通信，用来
传输编组内需要发送给其他编组的数据和需要接收其他编组发送到本编组的数据。
37.所述的网络单元内的每节车厢都布置两台编组交换机cs，编组交换机cs之间通过光纤实现有线连接的光通信，并通过无线通信wlan完成信息辅助，wap作为无线通信的传输热点，形成ecn光环网，子系统设备ed具备双归属冗余接口接入编组网交换机cs。
38.车辆各子系统设备ed(包括bcu、pis、hvac、dcu、nvr等)与车辆编组网之间通过网络数据通信接口，实现车辆tcms对车辆子系统通信和控制功能，传输的数据内容一般包括控制数据、状态数据和故障数据。
39.根据各子系统功能关键程度划分无线和有线通信,制动控制单元bcu等与行车安全相关的设备采用有线接入方式，旅客信息服务系统pis等与旅客舒适度相关的设备可采用无线接入方式。
40.首先，列车采用万兆光环网技术，传输速率达10gbps/40gbps,在相同数据量工况下可较大程度地降低网络负载率，实现车载网络的融合，解决了网络通道重复搭建的问题。
41.其次，采用无线通信技术实现列车无线重联，再提高列车级数据传输速率的同时降低车钩处工艺施工复杂难度。扩展的虚拟连挂技术可缩短线上车辆间隔，提高运用组织效率。
42.再次，列车通信网络拓扑架构扁平化设计，不再按照牵引单元设置网络单元，将全列设置为同一个网段，通过降低编组内网络复杂度从而提高通信的可靠性。

技术特征：
1.一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，其特征在于：列车包括至少一个网络单元，每个网络单元包括8节车厢，每节车厢包括多个子系统设备，所述的动车组列车通信网络拓扑结构包括编组网和骨干网，所述骨干网包括设置于所述网络单元的骨干网交换机，所述编组网包括设置于各所述车厢的编组网交换机；所述网络单元的8节车厢的编组交换机相互连接构成一个环网(ecn光环网)；设置于所述网络单元中的所述骨干网交换机与包含在该所述网络单元中的任一所述编组网交换机相连接；各所述车厢包括的子系统设备与同设于所述车厢的编组网交换机相连接；所述的网络单元包括4个骨干网交换机，所述的网络单元的头部车厢和尾部车厢各设置两个骨干网交换机，同一车厢内的两个骨干网交换机同时工作互为热备冗余，所述的骨干网由上下两组网络通道组成，不同网络单元之间同一骨干网下骨干网交换机在网络单元端部进行无线通信并形成物理隔离的无线通道通信。2.根据权利要求1所述的一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，其特征在于：所述的骨干网交换机布置在列车级wltb总线上设置的4个列车级以太网节点上，其中网络单元的头车以太网节点和尾车以太网节点均为冗余配置。3.根据权利要求1所述的一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，其特征在于：所述的编组网交换机与骨干网交换机之间通过以太网有线通信，用来传输编组内需要发送给其他编组的数据和需要接收其他编组发送到本编组的数据。4.根据权利要求1所述的一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，其特征在于：所述网络单元的每个车厢内编组网交换机通过光纤或者无线连接，形成ecn光环网，子系统设备具备双归属冗余接口接入编组网交换机。5.根据权利要求1所述的一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，其特征在于：所述的每节车厢各子系统设备与车辆编组网之间通过网络数据通信接口，实现车辆tcms对车辆子系统通信和控制功能，传输的数据内容一般包括控制数据、状态数据和故障数据。6.根据权利要求1所述的一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，其特征在于：所述的网络单元内的每节车厢都布置两台编组交换机，编组交换机之间通过光纤实现有线连接的光通信，并通过无线通信wlan完成信息辅助，wap作为无线通信的传输热点。

技术总结
本发明提供了一种基于万兆光环网的动车组列车通信网络拓扑结构，列车包括至少一个网络单元，每个网络单元包括8节车厢，没节车厢包括多个子系统设备，该网络架构基于光纤以太网技术，可综合承载车上所有通信传输业务，将列车控制系统网络、旅客信息服务网络、子系统内部通信网络等多网融合，降低整车网络通信成本，同时有利于车辆轻量化设计、降低线缆铺设复杂度；基于光通信的网络技术对车辆复杂的电磁兼容环境具有天然的适应性，此外无线通信技术的应用可以降低工艺复杂度，并通过无线重联实现降低两车运行间隔，提高运行组织效率；8辆编组网段全列划为一个网段，简化列车内部通信复杂度。复杂度。复杂度。


技术研发人员：李海龙 李聪 冀云 马国栋
受保护的技术使用者：中车长春轨道客车股份有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/21