邢 震，康洪軍，馬連川，穆建成

（1 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2 唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，河北唐山064000； 3 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044；4 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京100044； 5 鐵道部科技司，北京100844）

列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network，TCN）是一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，報(bào)文帶有明確的時(shí)間限制，這些時(shí)間限制必須滿(mǎn)足，否則任務(wù)未能及時(shí)完成將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。但隨著基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）和中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)3級(jí)（CTCS－3）在我國(guó)的不斷推廣，用于車(chē)輛控制與列車(chē)運(yùn)行的數(shù)據(jù)種類(lèi)會(huì)不斷增長(zhǎng)，可以預(yù)見(jiàn)MVB和WTB的帶寬會(huì)越來(lái)越難以滿(mǎn)足這種信息的增長(zhǎng)。為此提出一種基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)方案，并通過(guò)Vx Works試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于交換式以太網(wǎng)的TCN網(wǎng)絡(luò)方案

1.1 基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該方案把列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)劃分為3層，如圖1所示。

第1層是骨干網(wǎng)——列車(chē)級(jí)控制層，各個(gè)車(chē)廂的交換機(jī)采用級(jí)聯(lián)的方式連接，實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)控制。第2層是車(chē)輛級(jí)控制層，物理介質(zhì)采用雙絞屏蔽線(xiàn)。摒棄傳統(tǒng)TCN中的總線(xiàn)型拓?fù)浞绞剑捎眯切屯負(fù)溥M(jìn)行連接。第3層是設(shè)備控制層，連接鐵路車(chē)輛上車(chē)載可編程設(shè)備。

1.2 基于交換式以太網(wǎng)的TCN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧

基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)方案對(duì)傳統(tǒng)的TCN通信協(xié)議棧做了3大改進(jìn)，如圖2所示。

圖1 列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

首先將用戶(hù)的任務(wù)區(qū)分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)任務(wù)；其次是將TCN網(wǎng)絡(luò)中的RTP協(xié)議用實(shí)時(shí)協(xié)議層表示，并在實(shí)時(shí)協(xié)議層下增加了實(shí)施確定性調(diào)度的實(shí)時(shí)虛擬層；三是最底層使用了交換式以太網(wǎng)。

為了能很好的與現(xiàn)有的TCN網(wǎng)絡(luò)融合，本文使上層的實(shí)時(shí)協(xié)議層完全符合TCN中的實(shí)時(shí)協(xié)議規(guī)定。但這樣做的同時(shí)，也要求下層為實(shí)時(shí)協(xié)議層提供傳輸周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)的服務(wù)，對(duì)此我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)時(shí)虛擬層。它的特點(diǎn)是為上層提供進(jìn)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，同時(shí)也屏蔽了下層以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方式。使得我們能夠用交換式以太網(wǎng)代替原TCN中的傳統(tǒng)以太網(wǎng)。

以上的3大改進(jìn)在不改變TCN網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議的情況下，提高TCN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率，改善TCN網(wǎng)絡(luò)的確定性和實(shí)時(shí)性。

2 實(shí)時(shí)虛擬層

由上文分析可知，為了保證改進(jìn)后列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性，本文引進(jìn)了實(shí)時(shí)虛擬層，下面對(duì)實(shí)時(shí)虛擬層中確保網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的概念和措施進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 虛擬鏈路

傳統(tǒng)的TCN網(wǎng)絡(luò)中采用介質(zhì)共享的有線(xiàn)數(shù)據(jù)連接方式。本文參照文獻(xiàn)［1］中AFDX相關(guān)的概念，在實(shí)時(shí)虛擬層中采用了VL（Virtual Link，虛擬鏈路）的連接方式。為了保證交換式以太網(wǎng)是一個(gè)確定性網(wǎng)絡(luò)，虛擬鏈路具有以下特性：

（1）列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信都是通過(guò)VL來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每條VL都有自己的虛擬鏈路標(biāo)志符。

（2）終端系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)置每條VL的可用帶寬，實(shí)現(xiàn)VL間邏輯上的隔離。

（3）VL由兩個(gè)重要參數(shù)：一條虛擬鏈路內(nèi)部相鄰的兩個(gè)以太網(wǎng)幀之間的最小時(shí)間間隔BAG，其取值范圍定義為1～128 ms；虛擬鏈路中允許傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀的最大長(zhǎng)度Lmax。因此將每條VL分配的最大帶寬定義［1］為

所以說(shuō)對(duì)于一條BAG為1 ms，幀長(zhǎng)度為1 518字節(jié)的虛擬鏈路，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 144 000 b／s。

（4）VL還能通過(guò)自身的兩個(gè)參數(shù)帶寬分配間隔（band width allocation gap）和抖動(dòng)時(shí)延（Jitter），實(shí)現(xiàn)了流量控制的功能。

2.2 虛擬鏈路調(diào)度機(jī)制

除了引進(jìn)虛擬鏈路概念外，在此還參考文獻(xiàn)［1］，在實(shí)時(shí)虛擬層中增加了流量整形和虛擬鏈路調(diào)度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送保證機(jī)制。流量整形是在虛擬鏈路間分配通信資源，即對(duì)每一個(gè)具體的虛擬鏈接按需分配可用帶寬間隔（BAG）和最大發(fā)送的幀長(zhǎng)（Lmax）。流量整形功能是確定性分析的基礎(chǔ)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)流量整形的VL上的數(shù)據(jù)不是均勻傳輸?shù)?，假如VL上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)流量整形后，會(huì)使VL上每個(gè)BAG間隔內(nèi)發(fā)送的消息流不超過(guò)一個(gè)幀。這樣就能防止虛擬鏈路中出現(xiàn)瞬時(shí)數(shù)據(jù)流，決定了聚合流量最壞條件下的排隊(duì)延遲界限。

虛擬鏈路調(diào)度技術(shù)通過(guò)FIFO的方式將以太網(wǎng)幀發(fā)送到物理鏈路上，如圖3所示。

圖3 流量整形和虛擬鏈路調(diào)度［5］

2.3 信息發(fā)送和接收過(guò)程

由于方案中把用戶(hù)數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)和偶發(fā)性數(shù)據(jù)，所以信息發(fā)送就分為兩種情況。當(dāng)列車(chē)中數(shù)據(jù)采集器采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)時(shí)協(xié)議層進(jìn)行封裝（符合TCN的RTP協(xié)議）。實(shí)際中，列車(chē)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都是過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行周期性發(fā)送，且不會(huì)有太大的改變，所以可以把具體的過(guò)程數(shù)據(jù)與具體的虛擬鏈路關(guān)聯(lián)起來(lái)，即在某條虛擬鏈路上只傳輸某幾種特定的過(guò)程數(shù)據(jù)。在實(shí)時(shí)虛擬層上，根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系把過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的虛擬鏈路上，在通過(guò)流量整形器后，對(duì)虛擬鏈路上的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行流量整形。接著多條虛擬鏈路上的數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬鏈路調(diào)度器調(diào)度后在加入U(xiǎn)DP報(bào)頭、IP報(bào)頭和Ether net報(bào)頭，封裝成以太網(wǎng)幀。每個(gè)基本周期中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輪詢(xún)策略（滿(mǎn)足TCN的輪詢(xún)策略）在交換式以太網(wǎng)中廣播一個(gè)主幀，所有設(shè)備接收該主幀并譯碼，并判斷自身是否被要求在這個(gè)基本周期內(nèi)響應(yīng)一個(gè)從幀（可以有多個(gè)設(shè)備被要求響應(yīng)從幀），被確定要求響應(yīng)從幀的設(shè)備隨后向交換式以太網(wǎng)中發(fā)送一個(gè)從幀。

對(duì)于非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)協(xié)議層中的操作與傳統(tǒng)TCN中的操作是一致的，在實(shí)時(shí)虛擬層上，把報(bào)文發(fā)送到相關(guān)的虛擬鏈路上；在交換式以太網(wǎng)層上，把數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀，發(fā)送到交換式以太網(wǎng)中。

接收端接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)各層的協(xié)議進(jìn)行完整性檢查，并去掉各層的報(bào)頭，最后在實(shí)時(shí)協(xié)議層中根據(jù)TCN中的RTP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳遞給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于交換式以太網(wǎng)的TCN方案的實(shí)時(shí)性能，搭建了一個(gè)基于Vx Works的仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)模擬了如圖1的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中交換機(jī)的帶寬是100 Mb／s。計(jì)算出在最不利情況下（所有的設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)）的網(wǎng)絡(luò)最大延遲，為了試驗(yàn)結(jié)果易于分析，仿真系統(tǒng)中每臺(tái)交換機(jī)的負(fù)載數(shù)分別定為10，20，30，35，40，50臺(tái)。

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了能夠模擬上述假設(shè)的高負(fù)載，仿真系統(tǒng)中采用了Vx Works操作系統(tǒng)中的多任務(wù)機(jī)制、任務(wù)間通信機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制。

由于網(wǎng)絡(luò)延遲的時(shí)間非常小，除了使用Vx Works實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)外，還要在試驗(yàn)過(guò)程中消除人為的干擾。accepter會(huì)匹配接收到的數(shù)據(jù)幀，只有接收到了規(guī)定的信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，才能啟動(dòng)計(jì)時(shí)。

當(dāng)交換機(jī)的負(fù)載分別為10，20，30，35，40，50臺(tái)時(shí)，車(chē)輛控制層的試驗(yàn)結(jié)果如表1。

把試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

表1 車(chē)輛控制層試驗(yàn)結(jié)果 ms

圖5 車(chē)輛控制層試驗(yàn)曲線(xiàn)

由于骨干層的試驗(yàn)方法與車(chē)輛控制層的基本相似，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程不再贅述。需要特別指出的是通過(guò)將1個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)劃分成8個(gè)虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）來(lái)模擬8個(gè)實(shí)際的以太網(wǎng)交換機(jī)。試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 骨干層仿真曲線(xiàn)

4 結(jié)果分析

4.1 車(chē)輛控制層延遲分析

由于TCN網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，對(duì)于周期性過(guò)程數(shù)據(jù)，為了達(dá)到硬實(shí)時(shí)性指標(biāo)，必須滿(mǎn)足最壞情況下的應(yīng)答時(shí)延和報(bào)文時(shí)延。

圖7 MVB報(bào)文

根據(jù)文獻(xiàn)［2］對(duì)MVB報(bào)文的規(guī)定可得，如圖7所示：在傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)的MVB總線(xiàn)上，一個(gè)基本周期內(nèi)發(fā)送一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)間為：

式中T＿主表示主幀發(fā)送時(shí)間，固定為22μs；T＿主從主幀與從幀的間隔時(shí)間，取值為2～43μs，為不失一般性，這里取43μs；T＿從表示從幀發(fā)送時(shí)間，分別為22，33，54，102，198μs，為計(jì)算最壞情況，這里取值22μs；T＿從主表示從幀到下一主幀的間隔時(shí)間，取值為2～43μs，這里同樣為不失一般性，取43μs。由上可知：

MVB總線(xiàn)的輪詢(xún)基本周期為1 ms，由文獻(xiàn)［3］中可知，一個(gè)基本周期內(nèi)偶發(fā)相時(shí)間的缺省值為350μs，則周期相時(shí)間為650μs。則根據(jù)公式（3）的結(jié)果可知，一個(gè)基本周期內(nèi)只能有650／130＝5個(gè)設(shè)備發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)。

由圖5仿真結(jié)果分析基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)，定義交換式以太網(wǎng)中過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間：

從圖5試驗(yàn)曲線(xiàn)可知，當(dāng)有5個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)時(shí)，車(chē)輛級(jí)控制層端到端最大延遲為60.668μs，即

T＿S僅占周期相時(shí)間的16.74%。由圖5還可以得出在650μs的周期相中車(chē)輛級(jí)控制層可以滿(mǎn)足45臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)。

所以基于上述的理論分析，從實(shí)時(shí)性方面來(lái)看，基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)在車(chē)輛級(jí)控制層上比原TCN更加有優(yōu)勢(shì)。并且在交換式以太網(wǎng)中傳輸時(shí)，以太網(wǎng)幀可以裝載46 B的過(guò)程數(shù)據(jù)量，每個(gè)交換機(jī)端口都可以獨(dú)占100 Mb／s的帶寬。而傳統(tǒng)TCN中的MVB總線(xiàn)上實(shí)際最大傳輸位數(shù)為297位，并且MVB總線(xiàn)的通信速率只有1.5 Mb／s。兩者相比，在數(shù)據(jù)量和通信帶寬方面，基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)也要優(yōu)于傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)。

4.2 骨干層延遲分析

圖8 WTB報(bào)文

根據(jù)文獻(xiàn)［2］對(duì) WTB報(bào)文的規(guī)定可得，如圖8所示：在傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)的WTB總線(xiàn)上，一個(gè)基本周期內(nèi)發(fā)送一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)間：

傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)中WTB總線(xiàn)中的基本固定周期為25 ms，由文獻(xiàn)［3］可知，一個(gè)基本周期內(nèi)偶發(fā)相時(shí)間占基本周期的40%，則周期相時(shí)間為15 ms。根據(jù)式（5）的結(jié)果可知在WTB總線(xiàn)上，一個(gè)基本周期內(nèi)只能有15 ms／2 646μs＝5個(gè)設(shè)備發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)。

由圖6仿真結(jié)果來(lái)分析基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的骨干層，當(dāng)在骨干層中同時(shí)有5個(gè)設(shè)備發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)時(shí)，最大的端到端延遲為0.446 77 ms；即T＿S從幀＝0.446 77 ms；T＿S主幀＝5.12μs；T＿S主從＝34 μs；根據(jù)式（4）可知：

T＿S僅占周期相時(shí)間的3.24%。由圖6還可以得出當(dāng)每個(gè)交換機(jī)的負(fù)載都為50個(gè)時(shí)，T＿S＝5.3 ms。也只占一個(gè)基本周期中周期相的35.3%。

我們以速度為360 km／h，列車(chē)追蹤間隔為3 min的高速列車(chē)為例，從司機(jī)臺(tái)發(fā)出緊急制動(dòng)命令到車(chē)輛8制動(dòng)單元開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，緊急制動(dòng)數(shù)據(jù)幀時(shí)延為5.3 ms。列車(chē)超速時(shí)ATP制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間不大于500 ms，可以看出數(shù)據(jù)幀時(shí)延只占響應(yīng)時(shí)間的1.06%，有較好的安全性保證。

從上述理論分析中，可以得出基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)在骨干網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性同樣要優(yōu)于傳統(tǒng)的TCN。并且在交換式以太網(wǎng)中傳輸時(shí)，以太網(wǎng)幀可以裝載46 B的過(guò)程數(shù)據(jù)量，相比較于WTB過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文只能裝載1 024位過(guò)程數(shù)據(jù)，前者無(wú)疑具有較大的數(shù)據(jù)吞吐量。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出基于交換式以太網(wǎng)的TCN方案，大大提高了列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸速率，同時(shí)還能保證強(qiáng)實(shí)時(shí)性。能有效地解決列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)信息種類(lèi)和數(shù)量的不斷增長(zhǎng)之間的矛盾，有利于促進(jìn)鐵路的高速發(fā)展。下一步將繼續(xù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)演算對(duì)基于交換式以太網(wǎng)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法進(jìn)行研究。

［1］ARINC.Specification 664：Aircraft data network，part7－deterministic networks［S］.2005.

［2］IEC.Electric rail way equipment－Trainbus－Part 1：Train Communication Network［S］.1999.

［3］IEC.Electric rail way equipment－Trainbus－Part 1：Train Communication Network［S］.2007.

［4］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(dòng)化及儀表，2001，28（6）.

［5］SBS Technologies.Avionics Full Duplex Switched Ethernet（AFDX）white book［M］.