【到处都是以太网】铁路篇：标准化作业进入最终阶段，欧洲和日本扩大采用

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今后，在铁路领域，以太网的利用也有望扩大。扩大的契机就是IEC的标准化。现在，有关作业已经进入最终阶段，标准有望在2014年确定。世界通用标准的登场将为日本的机电企业提供开拓市场的良机。 

       铁路车辆内网使用的以太网的标准即将出台。此前由IEC（国际电工委员会）开展的讨论已经进入了最终阶段。IEC虽然没有公开确定标准的时间，但按照预计，标准化工作最快将于2014年完成。制定的标准有可能以欧洲市场为起点，得到全世界的采纳。 

       欧洲之所以能一马当先，是因为在欧洲，不同编组的车辆之间通信频繁。如果是一列编组内的封闭网络，使用自主标准也无妨。在几年前，欧洲就已经出现了使用自主标准以太网的铁路车辆。在日本，2013年3月投入运营的近畿日本铁道（近铁）的新型特快列车“岛风”号（50000系）就采用了铁路用以太网来传输影像数据。 

       欧洲铁路需要跨编组通信的，主要是穿梭于各国之间的国际铁路。国际铁路的列车大多是多个编组连接，在跨越国境时，编组往往需要追加或是分离。要想让不同的编组每次都能实现联动，就需要统一标准，以确保互连性。 

       而且，欧洲拥有法国阿尔斯通、德国西门子等国际铁路车辆强手企业，这也对标准的普及起到了推动作用。欧洲之前的标准已经广泛应用于销往中国、美国等非欧洲地区的车辆，这一次，新标准似乎也会重复相同的模式。 

       其实，迄今为止，日本市场一直与欧洲标准无缘。三菱电机和东芝等企业大都是采用自主技术，几乎没有企业制造采用欧洲网络标准的机电产品。 

       然而，在铁路用以太网的领域，这样的情况即将发生转变。预计日本企业也将积极推出符合标准的产品。其实，在IEC的标准化作业中，日立制作所、三菱电机、东芝等日本的铁路用机电产品企业发挥了核心作用（注1）。而且，“第一个开发出铁路用以太网产品的正是东芝”（精通铁路领域技术和标准化动向的东京工业大学研究生院理工学研究科电气电子工学专业特聘教授渡边朝纪）。 

（注1）日立制作所、三菱电机、东芝作为日本企业的代表收集意见，参与了IEC的标准化。 

       在这一动向的背后，隐藏着日本企业希望进军世界市场的愿望。长期以国内市场为中心的日本企业在向海外企业推销时，尝到了受制于欧洲标准这道门槛的苦果。因此，在制定新一代标准之际，为了不再重蹈覆辙，就要先发制人。遵循世界标准不仅会扩大市场，借助量产效果，面向日本国内销售的产品也可以降低成本。 

       日本企业的策略似乎收到了成效。在制定的标准中，相同编组内使用的网络标准“ECN（Ethernet Consist Network）”目前正在以日本提出的方案为基础进行讨论。今后，日本的机电产品企业完全有可能在世界市场上赢得巨大的份额。 

着眼于数据的快速传输 



       铁路行业关注以太网最大的理由在于速度快（图1）。过去的铁路用网络技术最快仅为数Mbit/秒，随着监控并记录车辆和装备的情况、配备客户使用的无线LAN等通信功能、车内监控摄像头像素的增加、车内显示器的大型化和高画质化等功能不断强化，数据传输速度已经无法满足需要。于是，作为能够实现10Mbit/秒以上的数据传输技术，以太网成为了众望所归（注2）。 



       速度快到这种程度，显示器和监控摄像头等信息设备、控制马达的逆变器和制动器等控制设备就可以接入同一网络。已经投入实用的自主标准铁路用以太网似乎采用的就是这种结构。这一点与按照功能，为控制系统和信息系统分割网络的汽车截然不同。有看法认为，造成二者差异的原因之一，在于铁路车辆是在固定轨道上行驶，对于通信实时性等方面的要求不如自由行驶的汽车那样严格。 

规定两个网络 

       但是，虽然没有按照功能分割网络，但正在制定的铁路用以太网标准采用了两级的网络结构（图2）。其目的是为了满足欧洲对于多个编组连接、分离的要求。 

图2：沿袭欧洲的铁路网络结构
IEC正在制定标准的铁路用以太网的网络由连接同编组内设备的“ECN”、连接编组的“ETB”组成。沿袭了欧洲国际铁路使用的网络结构。在欧洲，多列编组之间的连接使用“WTB”，编组内连接使用“MVB”。

       具体来说，除了前面提到的在一列编组内连接各种产品的ECN之外，还准备了连接编组的“ETB（Ethernet Train Backbone）”标准。ETB的作用是确保编组顺利完成分割与合并，作为ECN的上位层发挥功能。 

       这种结构的原型是IEC已经制定完成的标准。欧洲从很早之前，就开始使用由应用于编组之间的“WTB（WireTrain Bus）”和应用于编组之内的“MVB（Multifunction Vehicle Bus）”组成的两级网络。ETB的定位是WTB的新一代标准，ECN则是MVB的新一代标准。 

       WTB与MVB的数据传输速度分别是1Mbit/秒与1.5Mbit/秒。而按照预定，ETB与ECN将分别达到10Mbit/秒与100Mbit/秒。另外，现在已经有企业开发出了1Gbit/秒的铁路用以太网技术，但是因为需求前景不大，所以没有成为标准化的对象。 

采用自主协议 

采用自主协议 

       对于铁路用以太网，提高实时性、确保可靠性也是必不可少的条件。为了确保实时性，ECN与ETB的4～7层都将使用专为铁路用途开发的自主协议“TRDP（Train Real-time Data Protocol）”（图3）。研究表明，铁路控制系统需要确保延迟时间在50ms左右，使用TRDP即可满足这一要求（注3）。 

图3：开发专用协议
铁路车辆企业和机电产品企业等制定了面向铁路车辆用以太网的通信协议“TRDP”。预定通过行业团体“TCNOpen”，以开源的形式公开。

（注3）TRDP的基础是大型铁路企业加拿大庞巴迪提出的技术。最初，该公司与阿尔斯通、西门子3家铁路巨头各执己见，但随着日本企业与庞巴迪联手，这项技术得到了采纳。 

       目前，IEC正在制定TRDP的相关标准。制定完成后，标准将通过行业团体“TCNOpen”，以开源的形式公开。其目的在于促进相应产品的开发，以及铁路用以太网的普及，同时削减铁路运营商和铁路车辆企业采购构件的成本。 

保证冗余提高可靠性 

       提高可靠性依靠的是改进网络结构和数据传输线。网络预定加入冗余。连接编组的ETB将使用两条线路，即使一条线路中断，也可以进行通信（图4）。 

图4：提高可靠性
为了将消费用途的以太网运用于铁路车辆，ETB和ECN增加冗余，提高了可靠性。连接编组的ETB使用两条线路通信，即使1条线路切断，也可使用剩余的1条线路通信。编组内使用的ECN通过梯形网络，连接与各车辆车载设备相连的交换机，使通信不易中断。而且，有的车载设备还通过连接两个交换机增加冗余。

       而编组内使用的ECN是通过环形和梯形网络，连接逆变器和空调等车载设备。而且，有的时候，车载设备还与两个交换机相连，以保证一个交换机故障后，各设备的连接不发生中断。 

       对于数据传输线，有一个方案是通过扩大信号振幅，提高可靠性。其目的是使连接器在端子老化，或是处于恶劣的电磁噪声环境时，能够确保完成数据传输。以标准以太网为例，当传输速度为10Mbit/秒时，信号振幅的峰值将从4V提高到16V。传输速度为100Mbit/秒时，则从4V提高到8V。这虽然不是ECN和ETB必需的规范（mandatory），但预计将作为选项规范得到采纳。现在，强烈要求采纳这一升压规范的主要是日本企业（注4）。 

（注4）这项升压技术的原型是基于以太网的东芝铁路用数据传输技术“TEBus”。该公司从2006年左右，开始向铁路车辆提供TEBus。 

       关于连接器和连接线，IEC也在进行讨论，确定推荐产品。但标准预计将不敲定规范的细节，而是由部件企业展开竞争。 

       实际上，铁路用途将使用耐受重大环境变化和电磁噪声能力强的特殊连接器和连接线。这是因为铁路的使用环境恶劣，温度变化大、湿度大、振动剧烈，而且电磁噪声大。尤其是车辆间的连接部暴露在外，环境更加恶劣。因此，德国HARTING Technology Group等企业正在为铁路用以太网开发可靠性更高的连接器和连接线（图5）。（记者：根津 祯、中道 理）