符偉杰 劉志剛 吳 娟 侯運昌

(1.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都;2.湖南文理學院，415000，常德∥第一作者，研究生)

隨著列車不斷朝著安全、可靠、智能化的方向發(fā)展，使新型大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)設(shè)備不斷增加，列車通信網(wǎng)絡(luò)需要具備滿足對故障診斷系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、旅客服務(wù)信息系統(tǒng)等功能做出實時處理的能力，故帶寬已成為影響通信網(wǎng)絡(luò)性能的主要瓶頸［1］。傳統(tǒng)的通信總線帶寬有限，不能夠滿足大容量數(shù)據(jù)的傳輸要求，而工業(yè)以太網(wǎng)為解決這一問題提供了可能［2］。此外，鐵路專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其成本較高，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)不僅能夠降低成本、提高傳輸性能，而且還具有更好的兼容性［3］。但是，基于CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測機制)的工業(yè)以太網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)性能具有不確定性［4－5］，需要對其實時性和可靠性進行深入的研究。

國際電工委員會頒布了基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)標準IEC 61375－2－5，推進了以太網(wǎng)在列車通信中發(fā)展［6－7］。目前，龐巴迪公司正在開發(fā)一種新的列車通信系統(tǒng)。該新系統(tǒng)將使用以太網(wǎng)來管理列車上的所有車載設(shè)備。

1 以太網(wǎng)通信實時性分析

經(jīng)研究表明，共享式以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)負荷低于25%時，可以保證實時性和可靠性［9］。當網(wǎng)絡(luò)負荷小于10%時，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文碰撞的發(fā)生率很小，幾乎為零。文獻［9］對以太網(wǎng)和令牌總線性能進行了對比分析，如圖1所示。從圖1中可以看出，以太網(wǎng)在負荷低于25%時，其響應(yīng)速度比令牌總線網(wǎng)絡(luò)快很多。這體現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)在低負荷情況下具有很好的實時性。

通過對列車網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)特性的分析，本文把列車通信數(shù)據(jù)劃分為3類:第1類是周期性數(shù)據(jù)，主要包括對列車設(shè)備進行監(jiān)控的狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù);第2類是突發(fā)數(shù)據(jù)，主要是故障情況下產(chǎn)生的數(shù)據(jù);第3類是隨機數(shù)據(jù)，主要是控制命令數(shù)據(jù)和旅客服務(wù)信息。周期數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定和變化量小等特點;故障突發(fā)數(shù)據(jù)具有不確定性和數(shù)據(jù)量大等特點;隨機數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中也具有十分重要的作用，尤其是列車控制命令數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)和令牌網(wǎng)的時間響應(yīng)曲線

1)周期性數(shù)據(jù)是列車通信網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)之一。該類型報文的分組大小可以事先確定，一般長度固定。在建立周期性數(shù)據(jù)的數(shù)學模型時，需要確定以下參數(shù):Li(周期性數(shù)據(jù)的長度);Ti(報文產(chǎn)生的間隔時間);Ci(網(wǎng)絡(luò)傳送延時);Di(數(shù)據(jù)端到端的延時)。其中，i為不同的節(jié)點。則周期性數(shù)據(jù)流Mi可以表示為:

2)隨機數(shù)據(jù)是由外部事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)，具有以下主要特性:數(shù)據(jù)分組會在任何時間段內(nèi)以概率P出現(xiàn)，與前時間段是否有報文發(fā)送無關(guān)。由數(shù)學統(tǒng)計知識可知，該數(shù)據(jù)類型符合泊松(Poisson)過程。

式中:

s——某一時刻;

t——時間段;

λ——數(shù)據(jù)報文的平均達到速率;

N(t+s)－N(t)——在時間段t內(nèi)數(shù)據(jù)報文的統(tǒng)計數(shù)量;

k=0，1，2…。

3)突發(fā)性數(shù)據(jù)主要是指列車通信設(shè)備在發(fā)生故障情況下發(fā)送的大量故障數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)長度較短，但發(fā)生時間比較集中。當有突發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，會有相對較高的負載，否則網(wǎng)絡(luò)會持續(xù)一段空閑時間。本文對突發(fā)性數(shù)據(jù)采用的是ON、OFF兩種狀態(tài)模型。當持續(xù)發(fā)生突發(fā)性數(shù)據(jù)時為ON，該狀態(tài)持續(xù)時間服從Pareto分布;當不發(fā)生突發(fā)數(shù)據(jù)時為OFF，該狀態(tài)持續(xù)時間服從泊松分布。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)分析工業(yè)以太網(wǎng)在高速列車中的應(yīng)用，并以高速動車組CRH 5為例進行分析。CRH 5動車組一共由8節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂長一般是26 m。由于電纜需要彎曲和延伸，故每節(jié)車輛電纜總長度是車輛長度的150%。因此，每節(jié)車輛的通信電纜長度遠小于最大值 100 m［6］。

基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的列車網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，使用了8臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機，上層實現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，下層連接車廂級各監(jiān)視、控制設(shè)備。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3 基于OPNET仿真軟件的建模

在仿真模型中，利用OPNET仿真軟件搭建基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型。仿真模型從三個層次搭建，即進程模型、節(jié)點模型和網(wǎng)絡(luò)模型。通過對列車設(shè)備節(jié)點特性和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分析，對整個網(wǎng)絡(luò)進行配置，以完成整個網(wǎng)絡(luò)模型。

3.1 介質(zhì)訪問控制層進程模型

介質(zhì)訪問控制層(MAC)進程是以太網(wǎng)協(xié)議的核心組成部分。該進程由大量的狀態(tài)模塊組成，每個狀態(tài)完成不同的過程。在該進程中，每個狀態(tài)在不同條件下相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。在MAC進程模型(見圖3)中，主要狀態(tài)的功能如下:INIT狀態(tài)是對相關(guān)參數(shù)和統(tǒng)計量等方面進行初始化，初始化完成后進入START狀態(tài);TX_WAIT狀態(tài)是發(fā)送準備狀態(tài)，當有數(shù)據(jù)發(fā)送時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到FRM_START狀態(tài)，否則維持原狀態(tài);DEF_WAIT是等待觸發(fā)條件，當條件滿足時，轉(zhuǎn)到發(fā)送狀態(tài)，否則保持等待狀態(tài);TX_START則是對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，當觸發(fā)條件滿足時才開始發(fā)送數(shù)據(jù);COLLISION狀態(tài)是指對沖突進行檢測，然后重發(fā)，當重發(fā)超過限定次數(shù)，則放棄。

圖3 MAC進程模型

3.2 網(wǎng)絡(luò)仿真拓撲結(jié)構(gòu)圖

在仿真模型中，為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在通信網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備包括服務(wù)器、主機、交換機以及其他標準車載設(shè)備。仿真模型中一共搭建了10個子網(wǎng)，其中8個子網(wǎng)分別代表列車的8節(jié)車廂。在各子網(wǎng)中，交換機采用三角形連接，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時減小了沖突域。

圖4 網(wǎng)絡(luò)仿真拓撲結(jié)構(gòu)

圖5是司機控制室網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，配置1臺顯示單元DDU，1臺中心控制單元MPU、1臺FTP服務(wù)器(FTP_Server)、1臺視頻服務(wù)器(Video_Server)以及3臺工業(yè)交換機(Switch)。

圖5 司機室局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.3 仿真環(huán)境配置

結(jié)合對列車通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流模型的分析，利用OPNET仿真軟件對整個仿真模型進行配置。在仿真中，利用仿真軟件的Application Config和Profile Config模塊對仿真環(huán)境進行全局設(shè)置。

3.3.1 周期性數(shù)據(jù)流

在網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)每個車廂裝有一個視頻監(jiān)控裝置，同時向主控室傳遞視頻信息。視頻監(jiān)控信息為周期性數(shù)據(jù)量，使用UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)報文傳輸作為數(shù)據(jù)報文的通信形式，利用OPNET仿真軟件提供的video conferencing(視頻會議)數(shù)據(jù)流進行模擬。在 Application Config模塊 中 對 video conferencing應(yīng)用參數(shù)進行設(shè)置

1)Low Resolution Video(低分辨率視頻)時，每秒鐘10幀，傳輸?shù)囊曨l分辨率為128×120像素。此時，網(wǎng)絡(luò)視頻的監(jiān)控效果較差。優(yōu)先級設(shè)置為Best Effort(0)，此時，該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級最低，為“盡力而為”的傳輸數(shù)據(jù)。

2)VCR Quality Video(VCR質(zhì)量視頻)時，每秒鐘30幀，傳輸?shù)囊曨l分辨率為352×240像素。此時，網(wǎng)絡(luò)視頻的監(jiān)控效果較好，能夠滿足正常的監(jiān)視需要。優(yōu)先級設(shè)置為Best Effort(0)，此時，該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級最低，為“盡力而為”的傳輸數(shù)據(jù)。

3)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔為20 ms，每個設(shè)備發(fā)送的平均數(shù)據(jù)長度為256 Byte。每個車廂有8臺設(shè)備，因此，由MPU傳輸?shù)剿緳C室控制單元的最大數(shù)據(jù)約為2 000 Byte。優(yōu)先級設(shè)置為Standard(2)，此時，該數(shù)據(jù)具有標準優(yōu)先級，和視頻數(shù)據(jù)流比較具有更高的優(yōu)先級，能夠有效地保證其可靠性。

3.3.2 隨機數(shù)據(jù)流

列車網(wǎng)絡(luò)中有許多信息屬于隨機數(shù)據(jù)流，如控制室發(fā)出的控制命令信號。由前面分析可知，這類信息服從指數(shù)分布［5］。在仿真中，優(yōu)先級設(shè)置為Reserved(7)，此時，該數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級，當信息發(fā)生碰撞、沖突時，能夠有效地保證在規(guī)定時間內(nèi)傳達指令。

3.3.3 突發(fā)數(shù)據(jù)流

在節(jié)點設(shè)備發(fā)生故障時會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)流，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控設(shè)備，數(shù)據(jù)報文服從Pareto分布［3］。優(yōu)先級設(shè)置為 Excellent Effort(3)，此時，數(shù)據(jù)具有較高優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)能夠有效地傳輸故障數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障診斷和分析。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 采用帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能分析

視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)流是列車通信網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)流之一，具有數(shù)據(jù)量大的特點。從圖6中可以看出在Low Resolution Video和VCR Quality Video視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)流時列車網(wǎng)絡(luò)的延時情況:在前30 s的延時約為11 ms，后30 s的延時為3～4 ms，二者的網(wǎng)絡(luò)平均延時差別不大。

圖6 帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下，不同視頻流的網(wǎng)絡(luò)延時比較

FTP數(shù)據(jù)流主要是模擬列車的故障數(shù)據(jù)，通過及時、準確地傳輸該數(shù)據(jù)流，以實現(xiàn)設(shè)備的在線診斷和控制。在仿真中，設(shè)備故障數(shù)據(jù)在30 s左右開始發(fā)送。從圖7中可以看出，在無故障數(shù)據(jù)時，列車網(wǎng)絡(luò)延時大約維持在11 ms左右;在加入了故障數(shù)據(jù)流后，網(wǎng)絡(luò)平均延時時間降低，維持在4 ms左右。這是因為視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包長度較大，傳輸每個數(shù)據(jù)包需要的時間較長，故平均延時長;而故障數(shù)據(jù)采用的是FTP數(shù)據(jù)流進行模擬，該數(shù)據(jù)流具有數(shù)據(jù)長度較小，發(fā)送時間間隔短的特點，發(fā)送數(shù)據(jù)包的延時較小。所以，當有故障數(shù)據(jù)時的平均延時比只有視頻數(shù)據(jù)流時的延時要小。

圖7 帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下，故障數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)延時的影響

控制命令數(shù)據(jù)對保證列車安全、可靠的運行起著至關(guān)重要的作用。司機根據(jù)列車設(shè)備的實時狀態(tài)信息或操作需要，可對列車設(shè)備進行控制。從圖8中可以看出，控制信息對列車網(wǎng)絡(luò)的延時影響較小。

圖8 帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下，控制命令數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)延時的影響

4.2 帶寬100 M和1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能對比分析

圖9、10、11分別是對通信網(wǎng)絡(luò)最不利情況下鏈路使用率的對比分析。此時列車通信網(wǎng)絡(luò)中同時有VCR視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)流、故障數(shù)據(jù)流、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)流和命令控制數(shù)據(jù)流。

圖9是司機控制室1到子網(wǎng)1的控制指令延時:在使用帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)控制命令的網(wǎng)絡(luò)延時具有較大的波動性，但延時較小，最大不到0.3 ms;在使用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)時，控制命令的網(wǎng)絡(luò)延時時間遠小于0.1 ms。因此，對基于帶寬100 M和1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，控制命令數(shù)據(jù)的實時性可得到保證。

圖10為列車的網(wǎng)絡(luò)平均延時性能的分析:在使用帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)平均延時較大，最大達到11 ms左右;在使用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)延時只有1 ms左右。從圖9、10可以看出:使用帶寬1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)實時性方面能滿足高速列車的實時性要求。

圖11是網(wǎng)絡(luò)鏈路率的使用情況。從圖11中可以看出，在帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)鏈路使用率最高達到了80%;此時網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實時性不能得到保障，可能會發(fā)生各種問題，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不確定性。在使用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)鏈路使用率不到10%，這大大低于文獻［9］中25%的標準;此時，網(wǎng)絡(luò)幾乎不會發(fā)生數(shù)據(jù)報文的碰撞，能夠保證網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)可靠、實時地傳輸。

圖9 控制命令數(shù)據(jù)流延時特性比較

圖10 帶寬100 M與1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)延時比較

圖11 帶寬100 M與1 000 M網(wǎng)絡(luò)鏈路使用率對比

表1是在帶寬100 M和1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下的部分特性統(tǒng)計。表1的特性統(tǒng)計表明，使用帶寬1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，其列車通信網(wǎng)絡(luò)的平均延時降低了93.5%，網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量提高了11.1%，網(wǎng)絡(luò)的平均利用率減少了90.2%。因此，帶寬1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)具有較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

表1 帶寬100 M和1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性對比

5 結(jié)語

本文結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)的實際通信情況，分析了基于工業(yè)以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類型和特性，并對其進行了分類，建立了仿真模型。仿真結(jié)果表明，控制命令和視頻數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)性能的影響較小，故障數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響較大。通過對比分析帶寬100 M和帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)在最不利情況下的列車通信性能可知:在采用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)時，列車通信網(wǎng)絡(luò)的延時、吞吐量、網(wǎng)絡(luò)利用率等方面的性能都有較大的提高;帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)在理論上能夠滿足實時性和可靠性等方面的要求。

［1］ 陳積明，王智，孫優(yōu)賢.工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.化工自動化及儀表，2001(6):1.

［2］ 習博方，彥軍.工業(yè)以太網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究［J］.微計算機信息，2005(2):148.

［3］ 宋佳璟.基于CANopen的車輛級通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［4］ Wailes T S，Meyer D G，Weber J P.Using CSMA-CD arbitration in multiple channel architectures［C］.［s.l.］Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，San Diego，CA，USA:［s.n.］，1993:192.

［5］ Kwok C K，Mukherjee B.Transparent(cut-through)bridging of CSMA/CD networks:Performance analysis and implementation［J］.IEEE Transactions on Computers，1994，43(2):247.

［6］ 苗劍，賀德強，丁超義.基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)及其仿真研究［J］.計算機測量與控制，2010(10):2417.

［7］ IEC 61375－2－5(1999)Train Communication Networks［S］.

［8］ Westermo.以太網(wǎng)列車［J］.軟件，2008(7):60.

［9］ 黃文君，馮衛(wèi)標，葛毅，等.實時控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.機電工程，2000(3):77.