Train communication network implemented with ethernet

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列車系統常常為了營運彈性進行車廂重組

• 市區, 交通尖峰時需要較多節車廂, 離峰時需要少節車廂
• 合併多個短程列車的車廂, 形成一個長途列車

列車重組後, 網路以及相關系統是否能快速組態重設, 是運輸系統營運效率的一部分

多節車廂控制長途跨城市列車與 可以設定為多點目的地

• 長途列車到達中繼點後, 切分車廂形成多部列車, 外表塗裝改變, 再各自通往不同目地
• 善用軌道資源, 規劃更多車次, 服務更多乘客.

Amtrak 的 Empire Builder 線從芝加哥到西雅圖與波特蘭. 到Spokane(分合點) 後會拆分車廂形成兩列短列車各自前往不同目的地.

重組車廂在大眾運輸系統中還有很多好處, 中程列車與短程列車 可以相互交替車廂,

市區在離峰時不需要那麼多車廂, 意即整個市區運輸系統容量大部份是閒置的, 此時若能將車廂配置給中長程列車 , 將可以節省營運成本與燃料耗用 .

可重組列車的系統, 如何在重組後維持車內整體網路系統, 是一大難題 一個典型的列車網路如圖一

• 為了維持網路高度穩定, 列車內網路骨幹的一定是設計成備援, 這個備援在車廂間與車廂內都要做, 此備援在車廂重組後, 每台switch 須重新設定.

• 列車內的各式電子周邊,如警報器, 廣播, 設應, 車門感應, 空調, 都需要透過列車骨幹跟行車中心交換訊息. . 會有一台 default gateway 負責轉發(通常位於車頭或車尾)訊息. 車廂重組後, 這些週邊也要重新配置 否則會找不到新重組出來的列車的 default gateway. 變得無法跟行車中心連線.

• 大多數現代化運輸系統, 會給予乘客 WiFI Internet 存取服務, 每節車廂都有WLAN access point 接在列車骨幹上. 這些 WLAN AP 都要連到 account server 的中央帳號

• 列車在跨州或跨市後, 除了重組車廂外, 整個對外網路的存取媒介也跟得改變, 有時候從變成4G.

在列車網路領域裡, 備援是基本必要的. 底下討論現有的備援協定在重組車廂的列車系統上, 會遭遇哪些問題.

• Conventional Ring (G.8032 or propietary ring)
  每個 Ring 都會有某一兩台Switch的某些port擔任整個備援系統的關鍵角色, 在車廂重組後若, 與這些port 或switch 對接的 port 可能會有所改變, 必須要手動重設才行.
• RSTP:
  Rapid Spanning Tree Protocol, or RSTP for short, is an open standard that many Ethernet
  switch manufacturers have implemented on their managed switch products. Besides offering a
  significantly faster spanning tree convergence when compared to its predecessor STP, RSTP
  supports automatic configuration for onboard Ethernet switches. Although support for
  automatic configuration for onboard Ethernet switches overcomes conventional ring coupling’s
  primary limitation, RSTP is not without its own shortcomings.
  In particular, the number of nodes on an inter-consist network using RSTP redundancy is
  generally limited to 40 Ethernet switches per train. Since long-distance railway passengers
  today increasingly expect non-stop information, Web access, and entertainment services,
  capping the number of onboard Ethernet switches for inter-consist networks at 40 switches per
  train could result in either shorter trains or poorer service quality for longer trains. Moreover,
  when RSTP reconnects inter-consist networks mid-journey, Ethernet switches for the intra-
  consist networks will need to renegotiate communications and block all services for about 3
  seconds. Although a few seconds of network delay may be acceptable in some enterprise
  networks, shutting down passenger information systems, CCTV surveillance systems, onboard
  Wi-Fi access, and multi-media entertainment services on long-distance journeys even for
  several seconds will likely upset today’s railway passengers.

• 適用於可重組車廂之列車運輸系統的備援容錯網路系統.
• 適用於現代軌道運輸系統的方位備援網路系統.

智慧型運輸系統(ITS) 列車傳輸系統

. The common thread running through today's intelligent transportation systems (ITS) is Ethernet solutions, which meet demanding requirements for performance and environmental conditions.

http://www.innovasic.com/news/industrial-ethernet/ethernet-solutions-for-railways-part-1-how-and-why-to-use-industrial-ethernet/

ITS 市場規模
We have touched upon ITS in general in a few previous posts. The global ITS market is estimated to top $30 billion by 2019 after exhibiting a 11.1 percent compound growth rate between 2013 and 2019 [1]. North America is expected to lead the way, followed by Europe and the Asia-Pacific region. ITS, powered by Gigabit network backbones, have the potential to reduce congestion, improve safety and lower emissions. Departments of Transportation in several U.S. states have already invested in ITS infrastructure.

背景與說明:

近年來國外許多國家積極將智慧型運輸系統（Intelligent Transportation System, ITS）應用於軌道運輸方面，即為智慧型軌道運輸系統(Intelligent Railway System, IRS)，藉以使軌道運輸升級，促使其實現自動化與智慧化的理想，並進一步提升安全、效率、服務品質與環保的目標以滿足社會大眾對軌道運輸未來的需求.

在地鐵, 捷運, 市區電車或火車, 高鐵等等智慧型軌道運輸系統之中, 列車內本身的通訊系統扮演非常重要的角色,
在我們觀察到的實地案例, 新一代智慧型軌道運輸系統, 營運方面有下列特性

• 周邊系統數位化網路化:
  • 警報器, 感應器, 閘門控制器, 監控攝影機從過去專點專線, 已通通轉換成ethernet + IP為基礎等等開放協定, 所有周邊會在同一網路骨幹, 降低佈線成本.
• 頻繁車廂重組: 新一代軌道運輸系統中, 重新拆分車廂組成新的列車, 這個重組將比以前更頻繁, 目的是為了善用軌道資源, 規劃更多車次, 服務更多乘客.
  • 特殊景點季節尖峰, 常需重排車廂與規劃班次.
  • 離峰時不需要那麼多車廂, 若沒有重排車廂, 會使得大部份車廂閒置無人, 此時若能將車廂配置給其他路線, 將可以節省營運成本與燃料耗用 .
  • 交通尖峰時需要較多節車廂, 多車次, 離峰時需要少節車廂, 少車次
  • 在中短距混合營運, 中長距混合營運的運輸系統常見下列組合.
    • 合併多個短程列車的車廂, 形成一個長途列車
    • 長途列車到達中繼點後, 切分車廂形成多部列車, 再各自通往不同區域目地.
• 提供乘客有線或上網
  • (詳述)

目前舊有軌道運輸通訊系統, 大多從傳統地面或非移動場合的switch系統, 並沒有考量到上述列車網路高動變動的實際營運狀況, 有下列問題

• 備援不夠完備: 由於是大眾運輸服務, 必須能高度持續服務, 避免通訊造成服務中斷影響乘客安全. 就有系統系統
  • 使用 RSTP Convergence time 過長
  • 只支援 single ring topology, 規劃全列車單一大環網只能容許單一節點失效. 備援保障嚴重不足.
  • 並沒有考量車廂間的備援.
  • 並沒有考量列車與行車中心之間的通訊備援.
• 通訊系統設定不夠彈性, 過度繁複耗時:
  • 列車一旦重組, 如何在重組後維持車內整體網路系統, 是一大難題
  • (詳述)需要冗長設定, 車廂重組後, 維護人員必須根據該車次的車頭參數, 車廂車序, 前後相鄰車廂, 起點終點, 每台switch, 每個周邊系統通通重設. 根據實地經驗, 重組一台 10個車廂的列車, 將會有 100~200 設備要重新設定.
  • 周邊設錯該周邊就無法連線, 單一switch設錯整台列車通訊停擺, 人為錯誤代價高.
• 乘客上網控管不夠:
  • 若獨立兩套專線, 重複佈線成本過高
  • 合併骨幹時, 卻無法有效控管, 阻隔 坪寬師

TODO: 附圖 舉例.

解決方案說明:

我們預備實作一個整體解決方案, 目標滿足下列需求

• 車廂內通訊備援: 車廂內的網路連線, 即使車廂內連線斷裂或switch 損壞,, 仍能保持通訊.
• 車廂間通訊備援: 車廂與車廂間, 即使車廂間連線斷裂或switch 損壞, 仍能保持通訊
• 列車對外通訊備援: 列車與行車中心的固接連線若因路面損壞或天災斷訊, 仍能透過 3G/4G 網路與行車中心保持連線.
• 骨幹共享: 列車資訊系統與乘客上網同一網路骨幹, 避免重複建置投資二套網路系統, 卻能保持彼此不互相干擾.
• 快速設定: 車廂調度重排成一新列車後, 備援相關設定完全不用重設 , 其餘雜項設定若需修改. 可透過工具快速大量重設.

整體解決方案: 六大子系統

1. ETB( Ethernet Train Backbone Switch): 車廂內(In-Carriage) 網路備援switch.
2. ETAP( Ethernet Train Access Point): Dual Band 車廂內無線基地台, 支援乘客上網, 具備VLAN與 QoS能力, 有效控管乘客流量, 不影響主要通訊.
3. ECN( Ethernet Carriage Network switch): 車廂間(Inter-Carriage) 網路備援switch, 安裝在車廂兩端, 可支援車廂任意調度與串接.
4. MWAR( Multiple Wireless Interface Router): 支援多種協定介面 3G/4G/Ethernet 的WAN router, 負責行車中心端的備援.
5. InstaConfig( Instant Configuration): 快速設定協定, 快速設定工具, 可快速設定多台機器
6. Per-VLAN QoS: 列車通訊網路與乘客上網接取可以ㄧ起共享同一車內骨幹, 無需重複投資, 除了將兩者的VLAN分離外, 更進一步使用 L2 QoS 技術將乘客網路的封包優先權降低, 避免影響到列車通訊網路

計畫摘要
本計劃提供智慧型軌道運輸系統, 列車內通訊的全面性網路備援方案, 目標希望能達到

• 車廂內通訊備援
• 車廂間通訊備援
• 與行車中心通訊備援
• 列車重組後可快速設定

此系統創新重點在於不但大幅加強舊有系統的備援能力外, 並且在重組新列車後可快速對所有通訊設備大量載入新設定, 讓軌道運輸營運商, 節省維護人力, 提供更彈性的速路線規劃, 更善用運量.

執行優勢:

• 團隊擁有多年工業用 switch 實作經驗
• 曾多次業界在國內第一個成功開發新規格, G.8032, HSR/PRP .
• 所有產品的功能規劃都以客戶實際使用情境為導向, 絕非憑空規劃.