摘 要：近几年随着高速列车组的发展以及以太网技术的成熟，对列车智能化、舒适化、安全可靠性提出了更高的要求。而传统的列车控制网络大多采用现场总线网络技术，国内针对以太网列车控制网络方面的研究还刚刚起步，尚存在许多技术问题有待进一步研究解决。原本基于MVB网络的智能调试诊断装置已经无法应用于以太网通信中，本文主要研究了基于以太网通信的高速列车通信网络仿真技术，实现对以太网网络平台车辆的单车调试任务。
关键字：高速列车；以太网通信；单车调试；TRDP；ComId
1 引言
列车控制网络系统是动车组的核心组成部分，主要负责动车组的制动、车门、牵引、空调、辅助供电等系统控制、诊断及监视等。但随着列车运行速度的不断提高，以及控制网络应用需求的不断扩展，要求列车网络系统具有较高的实时性和较好的可维护性。而传统的列车控制网络（现场总线网络技术）已经无法满足上述需求，而以太网具有数据传输速率高、应用范围广泛、组网灵活性能好、集成度高、成本较低等优点，以太网通信必将成为列车控制网络的未来发展方向之一。
时速400公里及以上高速客运装备关键技术项目已经全面采用以太网控车，由于以太网通讯和TCN通讯协议完全不同，数据包的接收和传输完全不同，现有的基于MVB网络的智能调试诊断装置无法应用到以太网通信的列车上，需研究基于以太网网络通信的智能调试技术，以满足时速400公里及以上高速客运装备关键技术项目的单车调试需求。
本文研究了基于以太网的通信网络仿真技术，通过硬件的开发及上位机应用软件的编制搭建以太网工作环境，建立被测试车辆与以太网单车试验台之间的通讯，模拟车辆中央控制单元的功能，对被测试车辆的I/O功能、通信功能、接口功能进行测试，实现对以太网网络平台车辆的单车调试任务以满足生产调试需求，使车辆各项功能能够得到有效的保障。
2 UDP
UDP （User Datagram Protocol）用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。
UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
3 TRDP
以太网的标准IEC61375-3-4-2014中规定了列车通信网络（Train communication network TCN）中以太网通讯网络（Ethernet Consist Network ECN）的标准。此标准制定的主要原因是目前列车通讯的数据量剧增，而传统列车总线无法满足大数据量传输，所以采用以太网通讯，可以满足数据的传输要求。协议由comId、dataset等构成，其中comId表示通道号，通常每一个comId对应一种任务或管理一个设备。同一网络中可以多通道号共存，dataset的内容是所要传输的数据。通过comId来实现源设备与目的设备的筛选。通过dataset进行对应数据的传输，用来达到状态控制、查询与反馈。
4 基于以太网单车调试试验台实现
4.1 试验台网络数据处理工作原理
由于单车试验时各车辆处于独立状态，列车级网络还没有建立。因此，以太网单车试验台承担了列车CCU的功能。通过搭建以太网工作环境，建立被测试车辆和试验台之间的通讯，对被测试车辆的I/O功能、通信功能、接口功能进行测试，从而实现检查各项电气功能的目的。
对于不同种类的信号采取不同的处理机制。对于网络反馈信号，采取从网络读取接口信息的方式获取；对于模拟量数据采取从网络变量中直接读取的方式获得；对于控制车辆功能的OUT/PUT信号，采取试验台根据逻辑情况向专用接口发送控制信息的方式实现，同时获取网络反馈信息。
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4.2 系统硬件
4.2.1以太网单车调试试验台箱体
以太网单车调试试验台的箱体是一款全铝合金无风扇设计便携机，规格尺寸：389mm(L) x 298mm(W) x 98mm(H)，整机经过震动、冲击、跌落、高低温、老化等测试，适用于在各种恶劣的户内外环境下工作，人性化的工业设计确保产品具有高集成、便携、强固等特点，该产品集成了丰富的 I/O 扩展接口，配备高性能 15.6"液晶屏和防震硬盘，具备宽泛的电源输入，配备12000mAH可充电锂电池及高效的电源管理软件。设备适用于各种不同的便携应用场合，极大增加了灵活性。
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图1 以太网单车试验台示意图
4.2.2 以太网模块
以太网网络模块采用了基于PCI接口的Duagon D215E以太网网卡代替中央控制单元，实现被试车辆和试验台之间的通讯功能。以太网网卡采用“D”型编码的M12连接器与车辆连接通信，应用层协议符合IEC61375-2-3与IEC61375-3-4的要求，支持TRDP协议，同时TRDP数据包支持多个ComId接收端口，支持多个组播组。
发送消息时，根据XML配置选择用于发送消息的接口。搜索XML文件以查找消息的ComId，并在相应的接口上发送消息。
接收消息时,订阅具有特定ComId的流程数据消息将根据XML配置自动选择正确的接口。消息数据,选择界面比较复杂,作为消息数据的监听器也可以打开听消息不管他们的ComId。因此,使用的接口侦听器是由搜索电报的XML配置文件配置匹配任何给定的参数,不仅ComId。参数被认为是按照以下顺序,第一个是最重要的
?com_id(如果不是0)
?dest_ip(如果是多播地址)
?dest_uri
如果在不同的接口上找到多个匹配配置，则使用找到的第一个配置。如果在不同的接口上找到多个匹配配置，则使用找到的第一个配置。如果没有找到匹配的配置，侦听器将在默认接口(eth0)上打开。如果具有相同参数的侦听器已经打开，则在辅助接口(eth1)上打开侦听器。这意味着可以使用相同参数对trdp_md_add_listener()的两次调用在两个接口上打开侦听器。
4.3 系统软件
以太网模块负责完成以太网通信协议解析，单车调试试验软件负责采集和控制车辆相关设备。系统完成牵引试验，制动试验、水系统、门试验、空调试验中系统要求的网络采集和控制功能。
4.3.1 以太网单车试验台调试程序数据处理流程
1) 实时以太网通讯程序通过实时以太网，模块读取列车以太网数据;
2) 将以太网数据转换成端口数据结构体，通过端口返回给上位机界面显示程序；
3) 界面显示程序将端口数据结构体转换成变量结构体据；
4) 根据变量结构体数据，更新界面显示程序所需要车数据；
5) 界面程序将需要发送的数据更新变量结构体数据；
6) 界面显示程序根据变量结构体的数据的更新情况，更新端口数据
结构体；通过端口发送给服务器程序；
7) 实时以太网通讯程序通过端口接收端口结构体数据，并转换成列车实时以太网数据；
8) 实时以太网通讯程序通过实时以太网网卡将数据发送到列车以太网网络，实现信息数据相互交互。
图2 单车调试程序数据流程图
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图3 程序总体设计概念流程图
4.3.2 以太网单车试验台调试程序接口设计
（1）外部接口
用户界面部分，根据需求分析的结果，用户需要一个友好界面。在界面设计上，应做到简单明了，易于操作，并且要注意到界面的布局，应突出的显示重 要以及出错信息。外观上也要做到合理化，考虑到用户多对 Windows 风格较熟 悉，应尽量向这一方向靠拢。在设计语言上，使用 Visual C# 进行编程，在界面上可使用 Visual C#所提供的可视化组件，向 Windows 风格靠近。 其中服务器程序界面要做到操作简单，易于管理。在设计上采用下拉式菜单方式结构数弹 出的方式，在出错显示上可调用 Visual C#库中的错误提示函数。总的来说，系统的用户界面应作到可靠性、简单性、易学习和使用。
界面同时支持试验名称自定义、试验界面自定义、试验功能自定义、网络协议换算自定义等功能，提供全套维护平台，无需专业的编程基础即可完成系统配置工作。只需要选择编辑模式，自定义拖拽相应控件即可。
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图4 以太网单车调试软件界面示意图
（2）内部接口
内部接口方部分，各模块之间采用函数调用、参数传递、返回值的方式进行信息传递。接口传递的信息将是以数据结构封装了的数据，以参数传递或返回值的形式在各模块间传输。
4.3.3 以太网单车试验台调试程序运行设计
（1）运行模块的组合
上位机界面程序在在启动接收发送数据模块，通过各模块之间的调用，读入并对输入进行格式化。在接收数据模块得到充分的数据，更新变量结构体，单车功能显示界面定时查询变量结构体。接收到返回信息后随即更新功能显示界面的数据。当界面显示程序发送数据时，首先更新变量结构，然后根据变量结构体所在的端口更新端口结构体，然后调用打包函数，通过TRDP发送数据。
（2）运行控制
运行控制将严格按照各模块间函数调用关系来实现。在各事务中
心块中，需对运行控制进行正确的判断，选择正确的运行控制路径，
过使用下拉菜单结构来启动单车功能界面的显示、每个单车功能显示界都是一个单独的对话框，可以同时显示几个功能界面（同一个车的）。
4 结语
研究基于以太网通信的高速列车通信网络仿真技术，实现了对以太网网络平台车辆的单车调试任务、减轻检车人员的工作强度、提高了作业效率、保证列车的行车安全，在铁路运输安全保障中发挥了极大的作用。还大大降低了列车的成本为我国的经济基础设施建设做出了贡献。
参考文献：
[1]刘志刚，吴娟，侯运昌.基于工业以太网的高速列车通信网络仿真研究分析[J].城市轨道交通研究，2012(12):69-73.
[2]王沛东.基于工业以太网的动车组列车网络技术研究[J].铁道机车辆，2012，32(1):9-12.
[3]裴子秀.基于以太网的列车通信网络性能研究.硕士论文.西南交通大学，2014.
[4]黄轶，胡鹏飞.工业以太网在列车网络中的应用设计[J].计算机测量与控制，2010，18(10):2418-2420.