TSN：助力打造更安全的列车网络

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，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，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，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，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。

Safe4Rail-2 和 CONNECTA-2 项目介绍

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。

Shift2 计划的资助，资助协议编号为 826073。本文提供的信息观点仅代表作者个人，不反映 Shift2Rail 联合行动的官方意见。该联合行动不保证本文所含数据的准确性，且联合行动或代表联合行动行事的任何人士均不对其中所含信息的使用结果负责。