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    TRDP鐵路篇:標準化作業進入最終階段,歐洲和日本擴大采用

    發布時間:2017-06-30

        歐洲之所以能一馬當先,是因為在歐洲,不同編組的車輛之間通信頻繁。如果是一列編組內的封閉網絡,使用自主標準也無妨。在幾年前,歐洲就已經出現了使用自主標準以太網的鐵路車輛。在日本,20133月投入運營的近畿日本鐵道(近鐵)的新型特快列車島風號(50000系)就采用了鐵路用以太網來傳輸影像數據。

           歐洲鐵路需要跨編組通信的,主要是穿梭于各國之間的國際鐵路。國際鐵路的列車大多是多個編組連接,在跨越國境時,編組往往需要追加或是分離。要想讓不同的編組每次都能實現聯動,就需要統一標準,以確?;ミB性。

           而且,歐洲擁有法國阿爾斯通、德國西門子等國際鐵路車輛強手企業,這也對標準的普及起到了推動作用。歐洲之前的標準已經廣泛應用于銷往中國、美國等非歐洲地區的車輛,這一次,新標準似乎也會重復相同的模式。

           其實,迄今為止,日本市場一直與歐洲標準無緣。三菱電機和東芝等企業大都是采用自主技術,幾乎沒有企業制造采用歐洲網絡標準的機電產品。

           然而,在鐵路用以太網的領域,這樣的情況即將發生轉變。預計日本企業也將積極推出符合標準的產品。其實,在IEC的標準化作業中,日立制作所、三菱電機、東芝等日本的鐵路用機電產品企業發揮了核心作用(注1)。而且,第一個開發出鐵路用以太網產品的正是東芝(精通鐵路領域技術和標準化動向的東京工業大學研究生院理工學研究科電氣電子工學專業特聘教授渡邊朝紀)。

    (注1)日立制作所、三菱電機、東芝作為日本企業的代表收集意見,參與了IEC的標準化。 

           在這一動向的背后,隱藏著日本企業希望進軍世界市場的愿望。長期以國內市場為中心的日本企業在向海外企業推銷時,嘗到了受制于歐洲標準這道門檻的苦果。因此,在制定新一代標準之際,為了不再重蹈覆轍,就要先發制人。遵循世界標準不僅會擴大市場,借助量產效果,面向日本國內銷售的產品也可以降低成本。

           日本企業的策略似乎收到了成效。在制定的標準中,相同編組內使用的網絡標準“ECNEthernet Consist Network目前正在以日本提出的方案為基礎進行討論。今后,日本的機電產品企業完全有可能在世界市場上贏得巨大的份額。

    著眼于數據的快速傳輸 

           鐵路行業關注以太網最大的理由在于速度快(圖1)。過去的鐵路用網絡技術最快僅為數Mbit/秒,隨著監控并記錄車輛和裝備的情況、配備客戶使用的無線LAN等通信功能、車內監控攝像頭像素的增加、車內顯示器的大型化和高畫質化等功能不斷強化,數據傳輸速度已經無法滿足需要。于是,作為能夠實現10Mbit/秒以上的數據傳輸技術,以太網成為了眾望所歸(注2)。

    (注2)近鐵的島風號使用傳輸速度為100Mbit/秒的以太網,把先頭車輛的攝像頭拍攝的行駛中的前方影像,傳輸到單間和咖啡室所在的中間車輛配備的大型液晶顯示器。 


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    1:編組間和編組內都使用以太網
    過去的鐵路車輛網絡的數據傳輸速度僅為數Mbit/秒,而且編組間與編組內采用不同傳輸方式。而鐵路車輛用以太網的數據傳輸速度高達10M100Mbit/秒,編組間與編組內的傳輸采用相同的通信協議。


           速度快到這種程度,顯示器和監控攝像頭等信息設備、控制馬達的逆變器和制動器等控制設備就可以接入同一網絡。已經投入實用的自主標準鐵路用以太網似乎采用的就是這種結構。這一點與按照功能,為控制系統和信息系統分割網絡的汽車截然不同。有看法認為,造成二者差異的原因之一,在于鐵路車輛是在固定軌道上行駛,對于通信實時性等方面的要求不如自由行駛的汽車那樣嚴格。

    規定兩個網絡 

           但是,雖然沒有按照功能分割網絡,但正在制定的鐵路用以太網標準采用了兩級的網絡結構(圖2)。其目的是為了滿足歐洲對于多個編組連接、分離的要求。


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    2:沿襲歐洲的鐵路網絡結構
    IEC正在制定標準的鐵路用以太網的網絡由連接同編組內設備的“ECN”、連接編組的“ETB”組成。沿襲了歐洲國際鐵路使用的網絡結構。在歐洲,多列編組之間的連接使用“WTB”,編組內連接使用“MVB”。


        對于鐵路用以太網,提高實時性、確??煽啃砸彩潜夭豢缮俚臈l件。為了確保實時性,ECNETB47層都將使用專為鐵路用途開發的自主協議“TRDPTrain Real-time Data Protocol(圖3)。研究表明,鐵路控制系統需要確保延遲時間在50ms左右,使用TRDP即可滿足這一要求(注3)。 

           具體來說,除了前面提到的在一列編組內連接各種產品的ECN之外,還準備了連接編組的“ETBEthernet Train Backbone標準。ETB的作用是確保編組順利完成分割與合并,作為ECN的上位層發揮功能。

           這種結構的原型是IEC已經制定完成的標準。歐洲從很早之前,就開始使用由應用于編組之間的“WTBWireTrain Bus和應用于編組之內的“MVBMultifunction Vehicle Bus組成的兩級網絡。ETB的定位是WTB的新一代標準,ECN則是MVB的新一代標準。

           WTBMVB的數據傳輸速度分別是1Mbit/秒與1.5Mbit/秒。而按照預定,ETBECN將分別達到10Mbit/秒與100Mbit/秒。另外,現在已經有企業開發出了1Gbit/秒的鐵路用以太網技術,但是因為需求前景不大,所以沒有成為標準化的對象。

    采用自主協議 

    對于鐵路用以太網,提高實時性、確??煽啃砸彩潜夭豢缮俚臈l件。為了確保實時性,ECNETB47層都將使用專為鐵路用途開發的自主協議“TRDPTrain Real-time Data Protocol(圖3)。研究表明,鐵路控制系統需要確保延遲時間在50ms左右,使用TRDP即可滿足這一要求(注3)。 



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    3:開發專用協議
    鐵路車輛企業和機電產品企業等制定了面向鐵路車輛用以太網的通信協議“TRDP”。預定通過行業團體“TCNOpen”,以開源的形式公開。



    (注3TRDP的基礎是大型鐵路企業加拿大龐巴迪提出的技術。最初,該公司與阿爾斯通、西門子3家鐵路巨頭各執己見,但隨著日本企業與龐巴迪聯手,這項技術得到了采納。 

           目前,IEC正在制定TRDP的相關標準。制定完成后,標準將通過行業團體“TCNOpen”,以開源的形式公開。其目的在于促進相應產品的開發,以及鐵路用以太網的普及,同時削減鐵路運營商和鐵路車輛企業采購構件的成本。

    保證冗余提高可靠性 

           提高可靠性依靠的是改進網絡結構和數據傳輸線。網絡預定加入冗余。連接編組的ETB將使用兩條線路,即使一條線路中斷,也可以進行通信(圖4)。


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    4:提高可靠性
    為了將消費用途的以太網運用于鐵路車輛,ETBECN增加冗余,提高了可靠性。連接編組的ETB使用兩條線路通信,即使1條線路切斷,也可使用剩余的1條線路通信。編組內使用的ECN通過梯形網絡,連接與各車輛車載設備相連的交換機,使通信不易中斷。而且,有的車載設備還通過連接兩個交換機增加冗余。




           而編組內使用的ECN是通過環形和梯形網絡,連接逆變器和空調等車載設備。而且,有的時候,車載設備還與兩個交換機相連,以保證一個交換機故障后,各設備的連接不發生中斷。

           對于數據傳輸線,有一個方案是通過擴大信號振幅,提高可靠性。其目的是使連接器在端子老化,或是處于惡劣的電磁噪聲環境時,能夠確保完成數據傳輸。以標準以太網為例,當傳輸速度為10Mbit/秒時,信號振幅的峰值將從4V提高到16V。傳輸速度為100Mbit/秒時,則從4V提高到8V。這雖然不是ECNETB必需的規范(mandatory),但預計將作為選項規范得到采納?,F在,強烈要求采納這一升壓規范的主要是日本企業(注4)。

    (注4)這項升壓技術的原型是基于以太網的東芝鐵路用數據傳輸技術“TEBus”。該公司從2006年左右,開始向鐵路車輛提供TEBus。 

           關于連接器和連接線,IEC也在進行討論,確定推薦產品。但標準預計將不敲定規范的細節,而是由部件企業展開競爭。

           實際上,鐵路用途將使用耐受重大環境變化和電磁噪聲能力強的特殊連接器和連接線。這是因為鐵路的使用環境惡劣,溫度變化大、濕度大、振動劇烈,而且電磁噪聲大。尤其是車輛間的連接部暴露在外,環境更加惡劣。因此,德國HARTING Technology Group等企業正在為鐵路用以太網開發可靠性更高的連接器和連接線(圖5)。(記者:根津 禎、中道 理) 


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    5:特快列車島風

    德國HARTING Technology Group為鐵路開發出了可靠性更高的以太網連接線和交換機。得到了近畿日本鐵道(近鐵)新型特快島風號的采用。(圖:HARTING Technology Group



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