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TSN:助力打造更安全的列车网络

www.cechina.cn2021.10.13阅读 217


  一直以来,铁路行业所用列车普遍部署多个通信网络,分别用于列车控制、铁路信号、视频安全和乘客信息系统控制工程网版权所有,通常还另设供乘客接入 Wi-Fi 的网络。这些通信网络大多使用 MVB、CAN、PROFIBUS 等传统接口,存在带宽限制,如组合使用,就需要网关。这些网络也有物理分区,明确区分安全功能和非安全功能。然而,各类列车网络增加了列车控制和监测系统 (TCMS) 架构的复杂性和成本控制工程网版权所有,最终推高列车的生命周期成本。
  CONNECTA-2 和 Safe4RAIL-2 项目致力于融合多个列车网络,降低列车制造及维护成本。这两大项目均引入数据驱动概念,即通过电子网络数字化传输 TCMS 子系统的所有控制参数。为此www.cechina.cn,两个项目一直致力于定义和开发基于 IEC 61375 的新一代列车通信网络 (NG-TCN),旨在实现不同制造商列车之间的真正互操作性。创新举措包括更新列车网络拓扑结构的设计,应用新的列车安全初运行机制,将安全通信级别提高至 SIL4,以及引入时间敏感网络 (TSN) 技术。这些改进已体现在 NG-TCN 设备中,具体如下所述。

  新一代列车通信网络 (NG-TCN)——提升列车安全性
  a)新列车网络拓扑
  新列车网络拓扑结构包括两条独立的以太网列车骨干 (ETB) 数据传输线。能够通过动态 VLAN 重新配置,为关键和非关键数据创建冗余通信通道。

  b)列车安全启动机制
  新的列车安全初运行机制满足 SIL4 标准,确保列车编组和解编过程安全稳定。改进后的列车启动机制通过标准以太网通信实现列车安全功能。这些功能依赖于列车启动过程中的参数,例如列车状态、编组和行进方向。
  c)列车安全通信通道
  列车安全通信通道利用 SDTv4 协议,使安全功能达到 SIL4 级别,确保不同列车编组的终端设备在安全环境下点到点交换信息。
  d)时间敏感网络
  TSN 技术定义了用于交换安全关键数据的时间段,防止在这些时间段内出现非安全关键数据传输。
  NG-TCN 设备之间的互操作性
  融合 TSN 等技术的 NG-TCN 设备的发展,是行业的一大突破。Moxa 携手 Safe4RAIL-2 项目的其他合作伙伴,成功开发 NG-TCN 设备,为创建更安全的列车网络树立重要里程碑。特别值得一提的是,Moxa 设备集成的 TSN 技术及其后续互操作性验证,极大地促进了 Safe4RAIL-2 项目关键目标的实现,助力合并列车网络、削减列车总成本。TSN 技术的亮点如下:

  a)冗余时钟同步
  IEEE 802.1AS-rev 中定义的冗余时钟同步允许 TSN 设备跨网络和多域共享一个通用实时时钟。
  b)确定性数据传输
  依照 IEEE 802.1Qbv 调度的流量能够确保关键流量在可预测的固定时间间隔内传输。
  c)冗余关键流量
  根据 IEEE 802.1CB 标准,帧复制及帧消除使在不同以太网编组网络 (ECN) 之间的冗于关键流量能在两个ETB线路上传输。
  总体而言,NG-TCN 减少了设备和布线量,同时提高了列车网络的整体安全性和可靠性。此外,NG-TCN 能够通过 TSN 技术实现关键安全数据的可靠传输,并且依靠常规以太网协议实现非关键数据的可靠传输。Moxa 与 Safe4RAIL-2 项目合作伙伴通力合作,执行严格的互操作性测试控制工程网版权所有,确保新要求符合 IEC 61375 标准的未来扩展趋势。这些技术的开发和集成是为发展下一代列车通信网络、实现不同制造商列车之间的完全互操作性迈出的一大步。
  附录 A
  什么是时间敏感网络(TSN)?
  TSN 是一套协议标准,能够确保标准以太网实现确定性数据传输。根据电气和电子工程师协会 (IEEE) 的定义,TSN 包括一套网络流量管理机制,针对端对端网络数据的传输延迟,确定不可协商的时间框架。因此,必须要保证 TSN 网络上的所有设备时钟同步,同时建立一个通用时间框架,支持高精度工业控制应用实时通信。

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