李興國(guó) 王登銳 鑒紀(jì)凱 王朝 王淼

摘? 要：現(xiàn)代列車正朝著舒適智能的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的總線式技術(shù)已經(jīng)不能滿足大容量、高速率的通信需求，列車以太網(wǎng)成為列車控制網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展趨勢(shì)。為評(píng)估列車以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行健康狀況，本文結(jié)合某型列車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，選取時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率與可利用帶寬作為評(píng)估指標(biāo)，提出了一種基于時(shí)間序列的多指標(biāo)綜合性能評(píng)估模型，對(duì)列車內(nèi)各子系統(tǒng)和整體網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)估。最后在實(shí)際列車中進(jìn)行評(píng)估實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠有效反映以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的健康狀況。

關(guān)鍵詞：列車以太網(wǎng)? 列車控制網(wǎng)絡(luò)? 評(píng)估指標(biāo)? 性能評(píng)估

中圖分類號(hào)：U266? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0092-05

Multi-Index Comprehensive Performance Evaluation of Train Ethernet Based on Time Series

LI Xingguo1? WANG Dengrui2*? JIAN Jikai1? WANG Zhao1? WANG Miao1

（1. CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong Province， 266111 China;2. School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing， 100044? China）

Abstract： The modern train is developing towards to the direction of comfort and intelligence. The traditional bus technology has not been able to meet the communication requirements of large capacity and high speed. So the train Ethernet has become the main development trend of train control network. In order to evaluate the operation performance of train Ethernet， a multi index comprehensive performance evaluation model based on time series is proposed in the paper. On the basis of a train network topology， delay， jitter， packet loss rate and bandwidth was selected in the model to evaluate the performance of each subsystem and the whole network in the train. Finally， an evaluation experiment is carried out in a metro train running over Ethernet， which effectively reflects the health status of Ethernet train network.

Key Words： Tain Ethernet; Train control network; Evaluation index; Performance evaluation

隨著城軌列車技術(shù)不斷發(fā)展，其通信數(shù)據(jù)激增，傳統(tǒng)的總線式技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)這種智能化的發(fā)展需求，而列車以太網(wǎng)技術(shù)因其數(shù)據(jù)容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高以及具有很強(qiáng)的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注，逐漸成為新一代列車控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。然而列車以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)波動(dòng)較大，如何設(shè)計(jì)具體的健康評(píng)估方法使運(yùn)維人員能夠獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全面感知，是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。

本文在已有知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間序列的多指標(biāo)綜合性能評(píng)估模型，該模型首先對(duì)列車內(nèi)不同子系統(tǒng)進(jìn)行健康度定量評(píng)價(jià)，然后基于所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)融合算法將各子系統(tǒng)的健康評(píng)估結(jié)果映射為整體網(wǎng)絡(luò)的健康態(tài)勢(shì)。該模型的評(píng)估結(jié)果可向現(xiàn)場(chǎng)列車網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員提供基本的維保參考，同時(shí)也可為下一步的故障診斷提供相應(yīng)的研究基礎(chǔ)。

1? 以太網(wǎng)性能評(píng)估指標(biāo)研究

1.1 列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

本文基于以某型實(shí)際運(yùn)行的以太網(wǎng)地鐵列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎秒p設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)與環(huán)形拓?fù)浔ＷC網(wǎng)絡(luò)通信的可靠型，采用百兆以太網(wǎng)保證通信的實(shí)時(shí)性[1]，整個(gè)拓?fù)浒?個(gè)列車級(jí)交換機(jī)（T1、T2）、4個(gè)車輛級(jí)交換機(jī)（T3-T6）以及若干子設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其中列車級(jí)交換機(jī)用于不同車輛編組間的通信，車輛級(jí)交換機(jī)掛載不同列車子設(shè)備用于車輛編組設(shè)備間的通信[2]，整個(gè)拓?fù)浞弦蕴W(wǎng)拓?fù)浼傲熊嚲W(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆p重規(guī)范，簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 評(píng)估指標(biāo)選取

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估指標(biāo)包括鏈路利用率、時(shí)延、抖動(dòng)、吞吐量、丟包率等[3]，但是列車以太網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，實(shí)際采集指標(biāo)過程中可能會(huì)受到某些技術(shù)條件的制約，并且車載環(huán)境中各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性是必須關(guān)注的問題[4]，在綜合考量以上兩種情況的前提下，結(jié)合IEC61375-3-4[10]中的相關(guān)列車以太網(wǎng)規(guī)范，本文選取時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率和可用帶寬作為核心的綜合性能指標(biāo)，其中時(shí)延和抖動(dòng)指標(biāo)主要用于反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，丟包率與可用帶寬主要用于反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性問題。評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。

1.3 評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)列車中采集的原始指標(biāo)評(píng)估數(shù)據(jù)來自不同的子系統(tǒng)，且不同指標(biāo)之間量綱不同，為消除原始臟數(shù)據(jù)單位與尺度間差異的影響，本文通過z-score的標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)采集的原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過去中心化的方式有效減少大數(shù)值指標(biāo)對(duì)小數(shù)值指標(biāo)的淹沒現(xiàn)象，并盡量降低極端值和異常值的影響，使各指標(biāo)量在健康評(píng)價(jià)模型構(gòu)建過程中具有均等貢獻(xiàn)度。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

（1）

式中，N代表樣本數(shù)量，μ代表樣本平均值，σ代表樣本方差。

2? 以太網(wǎng)性能評(píng)估模型研究

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估模型往往針對(duì)局部系統(tǒng)開展，如使用分類算法等，然而在列車運(yùn)行中，其所評(píng)估的對(duì)象是車輛上復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)車載子系統(tǒng)的不同及分析指標(biāo)的不同，也需要從不同的時(shí)間及空間維度評(píng)估其性能[7]。

2.1 子系統(tǒng)性能評(píng)估模型

本文定義健康值與子系統(tǒng)健康程度呈正相關(guān)，即健康度越高，所評(píng)價(jià)的子系統(tǒng)越健康，相反則表示該子系統(tǒng)的性能越差。根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的性質(zhì)不同，將其劃分成兩類：正指標(biāo)與負(fù)指標(biāo)，指標(biāo)值與健康值正相關(guān)的指標(biāo)稱為正指標(biāo)，指標(biāo)值與健康值負(fù)相關(guān)的指標(biāo)稱為負(fù)指標(biāo)[8]。其中，時(shí)延、抖動(dòng)以及丟包率為負(fù)指標(biāo)，其數(shù)值越大說明該子系統(tǒng)的運(yùn)行越不正常，可能會(huì)給列車以太網(wǎng)正常運(yùn)行帶來負(fù)面影響;相反，可利用帶寬是正指標(biāo)，其值越大表明該子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)越好。

將n個(gè)不同列車子系統(tǒng)在t個(gè)不同的時(shí)間段內(nèi)的某一具體指標(biāo)組成n×t的樣本矩陣，用矩陣A表示，如公式（2）所示：

（2）

A的維度為n×t，矩陣的行值以時(shí)間為變量，表示相同子系統(tǒng)隨時(shí)間變化的指標(biāo)測(cè)量值，列值以子系統(tǒng)為變量，代表特定時(shí)間段內(nèi)不同子系統(tǒng)的指標(biāo)測(cè)量值。利用式（1）對(duì)矩陣A進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算出模型所需的相對(duì)數(shù)據(jù)，稱為功效值。

將樣本指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為功效值后，針對(duì)某一時(shí)間間隔T，采用功效函數(shù)將不同子系統(tǒng)的功效值映射成子系統(tǒng)的健康性能評(píng)估值，評(píng)估列車中子系統(tǒng)的健康狀況，該值也適用于列車不同子系統(tǒng)之間的縱向比較，功效函數(shù)的計(jì)算方法如式（3）、式（4）、式（5）。

（3）

（4）

（5）

公式（3）中，Q（Lj）表示第j個(gè)列車子系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)，k表示選取指標(biāo)總個(gè)數(shù)，ωi表示各i項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，dij代表第j個(gè)子系統(tǒng)的第i項(xiàng)正指標(biāo)的功效值，dij代表第j個(gè)子系統(tǒng)的第i項(xiàng)負(fù)指標(biāo)的功效值。式（4）、式（5）中，xij代表第j個(gè)子系統(tǒng)第i項(xiàng)指標(biāo)值，xi（h）代表第i項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)值，xi（s）代表第i項(xiàng)指標(biāo)的最劣值，其中最劣值的含義是指標(biāo)在測(cè)量過程中出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)含義上的最差的情況，最優(yōu)值是指在測(cè)量過程中能夠出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)含義最好的情況。最終得出的列車子系統(tǒng)的性能評(píng)估值越高，表明該子系統(tǒng)越健康，系統(tǒng)運(yùn)行性能越好，反之則越不健康。

2.2 網(wǎng)絡(luò)整體性能評(píng)估模型

通過上節(jié)中功效函數(shù)的映射可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的性能值矩陣，并且計(jì)算過程中有效地將4個(gè)不同性能指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合處理。若時(shí)間間隔T設(shè)置為10s，便可以將原始的數(shù)據(jù)劃分成10s的時(shí)間片，并計(jì)算這些時(shí)間片內(nèi)不同子系統(tǒng)的性能矩陣，得到不同時(shí)間片內(nèi)不同子系統(tǒng)的健康狀況評(píng)價(jià)值。

依據(jù)上述的方法完成對(duì)多個(gè)指標(biāo)在不同子系統(tǒng)中的表現(xiàn)評(píng)估后，需要將這些評(píng)估結(jié)果拓展融合至整體的網(wǎng)絡(luò)上層指標(biāo)評(píng)估中，此時(shí)將網(wǎng)絡(luò)全部子系統(tǒng)的健康度通過全網(wǎng)數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行計(jì)算便可得到網(wǎng)絡(luò)整體健康態(tài)勢(shì)。該模型如下所示：

（6）式中，QN代表列車以太網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)估指標(biāo)，n代表列車中子系統(tǒng)數(shù)量，ωi代表不同子系統(tǒng)的在整體網(wǎng)絡(luò)中所占的權(quán)重。

對(duì)列車以太網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)中不同的子系統(tǒng)可根據(jù)需要賦予不同的權(quán)重[9]，從而更合理的評(píng)估整個(gè)列車以太網(wǎng)的健康狀況。依據(jù)該型列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資料中對(duì)不同子系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的設(shè)定以及IEC61375-3-4[5]和IEC61375-2-3[11]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合設(shè)備廠商專家經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，本模型設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的權(quán)值如表1所示。

通過公式（6）的計(jì)算，結(jié)合上述的子系統(tǒng)權(quán)重分配，最終可以得到該列車以太網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)健康評(píng)估結(jié)果。評(píng)估值采用百分制，范圍為0～100分，分?jǐn)?shù)越高代表網(wǎng)絡(luò)健康程度越好。

3? 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中，通過Iperf軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，并通過被動(dòng)抓包的方式，使用TAP（Test Access Point）設(shè)備從線路中抓取網(wǎng)絡(luò)中各類報(bào)文，TAP設(shè)備所抓取的設(shè)備匯聚輸出至個(gè)人計(jì)算機(jī)，個(gè)人計(jì)算機(jī)中利用Wireshark軟件對(duì)報(bào)文進(jìn)行保存，最終得到多個(gè)測(cè)試報(bào)文及Iperf測(cè)試記錄文件。

3.2 以太網(wǎng)性能評(píng)估

3.2.1 子系統(tǒng)性能評(píng)估

評(píng)估之前需要對(duì)抖動(dòng)、可利用帶寬以及丟包率的權(quán)值進(jìn)行評(píng)定，按照工程經(jīng)驗(yàn)與多次測(cè)量結(jié)果，確定權(quán)值為5，1，1。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置時(shí)間間隔為10s，最后得出各子系統(tǒng)在10～50s的5個(gè)時(shí)間段內(nèi)的性能評(píng)估值，如圖3所示。

可以得到，列車上關(guān)鍵子系統(tǒng)A、C、D均表現(xiàn)較為優(yōu)異，評(píng)估時(shí)段內(nèi)健康度均達(dá)到90分以上，次重要子系統(tǒng)的健康態(tài)勢(shì)則會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，如子系統(tǒng)B的健康值變化區(qū)間達(dá)到30分，此類子系統(tǒng)主要用于于列車的視頻通信等，對(duì)車輛的正常行駛影響較小，可以選擇性的對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行檢查維護(hù)。

最后，性能評(píng)估模型將所有時(shí)刻的健康度取平均值，得到測(cè)量全過程中各個(gè)子系統(tǒng)的健康程度，其結(jié)果如圖4所示。

3.2.2 整體網(wǎng)絡(luò)評(píng)估

對(duì)列車中子系統(tǒng)的不同系統(tǒng)賦以不同的權(quán)值，可以得到列車總體的網(wǎng)絡(luò)健康情況，其中權(quán)值的確定按照列車網(wǎng)絡(luò)要求進(jìn)行評(píng)定（見表1），最后將所有時(shí)刻的健康度取平均值得到，列車網(wǎng)絡(luò)在測(cè)量全時(shí)刻的總體健康度狀態(tài)，結(jié)果為90.40分，詳細(xì)結(jié)果如圖5所示。

3.3 結(jié)果分析

針對(duì)某一特定子系統(tǒng)，不同時(shí)間片的綜合健康度評(píng)估結(jié)果體現(xiàn)了該系統(tǒng)在時(shí)間維度上的健康度變化情況，可以直觀地觀察出該系統(tǒng)的健康變化趨勢(shì)。針對(duì)某一特定的時(shí)間片，通過不同的子系統(tǒng)的最終健康度得分也可以對(duì)比不同子系統(tǒng)的健康度差異，找到列車控制網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的短板，采取針對(duì)性的措施提升整體網(wǎng)絡(luò)性能。最終，將不同子系統(tǒng)在不同時(shí)間片的健康度融合可以得到測(cè)試全時(shí)刻的子系統(tǒng)健康度，根據(jù)相應(yīng)子系統(tǒng)的權(quán)值可以得到網(wǎng)絡(luò)的全時(shí)刻健康度。

4? 結(jié)語

本文從當(dāng)前列車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理的需求出發(fā)，提出了基于時(shí)間序列的多指標(biāo)綜合評(píng)估模型，該模型能夠綜合地評(píng)估列車各子系統(tǒng)及整體網(wǎng)絡(luò)的健康狀況，并且可以依據(jù)不同的策略分析不同子系統(tǒng)之間的健康度差異以及同一子系統(tǒng)在時(shí)間維度上的健康變化趨勢(shì)。通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)證明，提出的基于時(shí)間序列的多指標(biāo)綜合評(píng)估模型可以很好地完成對(duì)各子系統(tǒng)和整體網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)估、不同子系統(tǒng)之間的縱向健康狀況差異對(duì)比以及相同子系統(tǒng)在時(shí)間維度上的橫向健康狀況變化規(guī)律。

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