陳 謙，石艷紅，馬國棟，范 昊

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)開發(fā)部，山東 青島 266111)

隨著高速列車智能化程度及安全性要求的不斷提高，需要接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和借助網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量進(jìn)一步增多，促使列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)從傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)，以尋求帶寬與速率的突破。相對(duì)于其他應(yīng)用領(lǐng)域，列車控制系統(tǒng)對(duì)信息傳遞的可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中故障診斷存在的滯后性問題一直沒有得到有效解決。相對(duì)于傳統(tǒng)成熟的列車總線WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)，車載以太網(wǎng)采用交換機(jī)組成信息傳輸?shù)幕炯軜?gòu)，采用組播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，可以提高列車控制系統(tǒng)對(duì)于信息傳遞的可靠性以及實(shí)時(shí)性。

1 列車以太網(wǎng)拓?fù)?/h2>

中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組新一代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)列車控制信息、故障數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息的交互，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為列車級(jí)以太網(wǎng)(ETB)和車輛級(jí)以太網(wǎng)(ECN)兩層結(jié)構(gòu)(圖1)。列車級(jí)采用ETB總線貫穿全車，通過在1車、8車各設(shè)置2個(gè)互為冗余的ETBN實(shí)現(xiàn)跨編組數(shù)據(jù)交互，通信鏈路采用雙線鏈路聚合實(shí)現(xiàn)ETB鏈路冗余；整車分為2個(gè)牽引單元，1～4車為1個(gè)牽引單元，5～8車為1個(gè)牽引單元。單元內(nèi)每輛車采用2個(gè)ECNN交換機(jī)組成ECN環(huán)網(wǎng)貫穿整個(gè)牽引單元；車輛內(nèi)部各子系統(tǒng)單通道接入ECNN，實(shí)現(xiàn)與CCU的通信。

ETBN.骨干以太網(wǎng)交換機(jī)；ERPT.以太網(wǎng)中繼器；ECNN.編組以太網(wǎng)交換機(jī)；CCU.中央控制單元；HMI.人機(jī)接口顯示屏；IOM. 輸入輸出模塊；BCU. 制動(dòng)控制單元；ATDS.軸溫檢測系統(tǒng)；HVAC.空調(diào)控制單元；FAS.煙火報(bào)警系統(tǒng)；DCU.車門控制器；BVDS.振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)；TCU.牽引控制單元；PIS.旅客信息系統(tǒng)；BC.充電機(jī)；WTD.無線傳輸裝置；EEMS.電能監(jiān)控系統(tǒng)。

2 以太網(wǎng)通信質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)容

2.1 設(shè)備及端口

單元內(nèi)每輛車采用2個(gè)ECNN組成ECN環(huán)網(wǎng)貫穿整個(gè)牽引單元，由于車輛內(nèi)部各子系統(tǒng)單通道接入ECNN實(shí)現(xiàn)與CCU的通信，所監(jiān)測端口均接入ECN中。通過監(jiān)測主機(jī)對(duì)表1中所示的設(shè)備及端口進(jìn)行以太網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表1 列車以太網(wǎng)通信設(shè)備端口

2.2 相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2.1 數(shù)據(jù)丟包率

在對(duì)列車控制系統(tǒng)潛在的通信質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)測時(shí)，可以通過分析鏡像端口的丟包率來進(jìn)一步確定列車的通信質(zhì)量。首先，可以根據(jù)鏡像端口所接收到表1中的各個(gè)子系統(tǒng)端口中各個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的序號(hào)標(biāo)識(shí)，確定鏡像端口在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)的丟包率，若該鏡像端口的丟包率較大，則表明待檢測端口的丟包率也較大，進(jìn)而可以針對(duì)該待檢測端口進(jìn)行通信可靠性分析。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)丟包率的統(tǒng)計(jì)由CCU主機(jī)接收端完成，接收端通過監(jiān)測TRDP過程數(shù)據(jù)包的序號(hào)來判斷丟包情況。需要使用TRDP進(jìn)行通信的設(shè)備，必須支持符合IEC 61375-2-3：2014《電子鐵路設(shè)備-列車通信網(wǎng)(TCN)》[1]的TRDP協(xié)議，TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖2所示。

圖2 TRDP過程數(shù)據(jù)報(bào)文格式

TRDP報(bào)文的序號(hào)每發(fā)送一個(gè)報(bào)文，計(jì)數(shù)器加1。CCU底層通過TRDP協(xié)議中的序號(hào)計(jì)數(shù)器判斷接收數(shù)據(jù)包是否有丟包情況，并累計(jì)丟包數(shù)量。計(jì)算5 min內(nèi)丟包數(shù)與接收到的數(shù)據(jù)包的比值即可得到該時(shí)段的丟包率。

2.2.2 通信周期

除了根據(jù)鏡像端口的丟包率分析來進(jìn)行異常預(yù)警或故障報(bào)警以外，還可以根據(jù)該鏡像端口的通信周期確定待檢測端口是否發(fā)生異常。列車以太網(wǎng)監(jiān)測主機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)的位置如圖3所示。

圖3 鏡像端口數(shù)據(jù)抓取

其中，選擇主CCU的以太網(wǎng)端口進(jìn)行端口鏡像，通過鏡像端口連續(xù)抓取本牽引單元以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)所要監(jiān)測端口的5 min時(shí)長的數(shù)據(jù)包，采用Wireshark軟件對(duì)數(shù)據(jù)包的通信周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通信周期為前后2個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔。令第n個(gè)數(shù)據(jù)包在T時(shí)刻的通信周期為Pn，則：

Pn=Tn+1-Tn

(1)

2.2.3 帶寬占用率

除以上2種方式外，還可根據(jù)鏡像端口對(duì)應(yīng)的帶寬占用率確定是否對(duì)待檢測端口進(jìn)行異常預(yù)警。選擇主CCU的以太網(wǎng)端口進(jìn)行端口鏡像，通過鏡像端口連續(xù)抓取本牽引單元以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)所要監(jiān)測端口的5 min時(shí)長的數(shù)據(jù)包，可以根據(jù)鏡像端口所接收到的目標(biāo)數(shù)據(jù)包中各個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的序號(hào)標(biāo)識(shí)，確定該目標(biāo)數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)包的數(shù)量，即確定鏡像端口在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)總共接收到了多少數(shù)據(jù)包，然后，根據(jù)該目標(biāo)數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)包的數(shù)量n以及該預(yù)設(shè)時(shí)間段的時(shí)長t，計(jì)算出鏡像端口的通信速率v，計(jì)算公式如下：

v=n×s/t

(2)

式中：s——每個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)大小。

帶寬占用率即為鏡像端口通信速率與以太網(wǎng)帶寬的比值，本文中所監(jiān)測動(dòng)車組采用百兆以太網(wǎng)帶寬通信，則帶寬占用率σ的計(jì)算公式為：

σ=v/(1 024×100)

(3)

3 以太網(wǎng)通信質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測分析

3.1 數(shù)據(jù)丟包率

實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果顯示，列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)整體通信良好，但部分設(shè)備存在丟包現(xiàn)象。丟包率監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由于5 min采樣時(shí)段較短，采樣時(shí)刻的列車狀態(tài)存在不確定性，部分?jǐn)?shù)據(jù)存在一定的波動(dòng)。

圖4 列車設(shè)備丟包率監(jiān)測結(jié)果

3.2 通信周期符合率及帶寬占用率

分析列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口的通信周期發(fā)現(xiàn)，整車107個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口95%以上滿足通信周期符合性的要求，周期波動(dòng)不超過30%。抽取某日的列車數(shù)據(jù)對(duì)所有的端口進(jìn)行通信周期性統(tǒng)計(jì)，僅有BVDS的通信周期存在抖動(dòng)較大的時(shí)刻，其他系統(tǒng)端口的通信周期符合率均為100%?？紤]到BVDS的丟包率較高，重點(diǎn)對(duì)其端口的通信周期符合率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

TRDP協(xié)議中規(guī)定廠家A的BVDS(1、5、6、7、8車)通信周期設(shè)定為50 ms，因此暫按通信周期50 ms進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。針對(duì)頻繁丟包的BVDS進(jìn)行通信周期符合率的統(tǒng)計(jì)時(shí)，由于廠家B的BVDS(2、3、4車)通信周期存在較大問題，絕大多數(shù)通信周期在150～160 ms之間，個(gè)別通信周期可能達(dá)1 600 ms，按照通信周期延時(shí)不超過30%的標(biāo)準(zhǔn)均不符合要求，因此暫不作統(tǒng)計(jì)。從5 min抓取的一個(gè)典型的BVDS數(shù)據(jù)包通信周期分布圖可以看出，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)包的通信周期分布在50 ms附近，符合設(shè)定周期，但有少數(shù)數(shù)據(jù)包周期偏差較大。經(jīng)監(jiān)測分析，2個(gè)牽引單元占用帶寬平均在7.2 Mb/s左右，通過帶寬占用率計(jì)算公式可得出帶寬占用率。圖5為BVDS端口的通信周期符合率及典型通信周期分布。

圖5 BVDS端口周期符合率及典型通信周期分布

4 通信質(zhì)量可靠性預(yù)測

4.1 灰色預(yù)測模型

通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)分析獲取到的包括端口數(shù)據(jù)丟包率、通信周期符合率、帶寬占用率的列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，得到各個(gè)端口的狀態(tài)信息，結(jié)合目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息對(duì)目標(biāo)列車的端口狀態(tài)信息進(jìn)行分析，進(jìn)而利用預(yù)測算法預(yù)測出目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[2]，同時(shí)結(jié)合誤差分析對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

預(yù)測算法可以利用灰色預(yù)測模型，灰色預(yù)測模型是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分，主要用于灰色不確定性問題的預(yù)測[3]?；疑A(yù)測模型是灰色預(yù)測技術(shù)的基本模型，其建模原理如下。

設(shè)原始特征數(shù)據(jù)序列為：

x(0)={x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n)}

(4)

對(duì)其進(jìn)行一次累加生成新的數(shù)據(jù)序列：

x(1)={x(1)(1)，x(1)(2)，…，x(1)(n)}

(5)

令z(1)為灰色預(yù)測模型的背景值，對(duì)x(1)作緊鄰均值生成：

z(1)={z(1)(2)，z(1)(3)，…，z(1)(n)}

(6)

x(0)(k)+az(1)(k)=b為灰色預(yù)測模型的均值形式。采用一階單變量微分方程擬合并生成序列，得到白化微分方程為：

(7)

式(7)中，a、b分別為灰色預(yù)測模型的發(fā)展系數(shù)和灰作用量。發(fā)展系數(shù)反映預(yù)測還原值的發(fā)展趨勢，灰作用量揭示原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在變化。用最小二乘法可以求得參數(shù)a和b[4]。白化形式的數(shù)據(jù)預(yù)測模型表示為：

(8)

由此得到序列數(shù)據(jù)的預(yù)測：

(9)

4.2 預(yù)測模型評(píng)價(jià)參數(shù)

為了評(píng)估該灰色預(yù)測模型的預(yù)測性能，采用平均絕對(duì)誤差(M)和均方根誤差(R)等指標(biāo)。其中M可以較準(zhǔn)確地反映預(yù)測值和真值之間的差異，而R則是預(yù)測模型最常用的性能指標(biāo)之一，計(jì)算的是預(yù)測值和真值之間差異的標(biāo)準(zhǔn)偏差[5]。M和R計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

式中：yi——真值；

選取本文前述的8車廠家A的BVDS的丟包率、通信周期符合率、帶寬占用率數(shù)據(jù)，結(jié)合目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，利用灰色預(yù)測算法預(yù)測目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的BVDS故障狀態(tài)。

當(dāng)鏡像端口的丟包率大于90%、通信周期符合率小于10%時(shí)，會(huì)使該待檢測端口在完成某項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或者指令的傳輸過程中，數(shù)據(jù)遺缺較大，這些數(shù)據(jù)包即視為無效數(shù)據(jù)包，可以不對(duì)其進(jìn)行預(yù)測分析。當(dāng)鏡像端口的丟包率大于50%、通信周期符合率小于50%時(shí)，這些數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)，針對(duì)存在異常數(shù)據(jù)情況判定該時(shí)刻監(jiān)測端口實(shí)際狀態(tài)為故障狀態(tài)。因此監(jiān)測端口存在無效數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)時(shí)不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析預(yù)測。當(dāng)確定待檢測端口的丟包率較大時(shí)，可以針對(duì)該待檢測端口進(jìn)行異常預(yù)警模型預(yù)測結(jié)果及誤差分析，如表2所示。

表2 8車(廠家A) BVDS狀態(tài)預(yù)測結(jié)果及誤差分析

續(xù)表2

表2中實(shí)際狀態(tài)為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，設(shè)備出現(xiàn)故障為1，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)為0，對(duì)BVDS設(shè)備的故障狀態(tài)預(yù)測值與實(shí)際值之間進(jìn)行了比較，通過絕對(duì)誤差分析得出灰色預(yù)測模型預(yù)測值的平均絕對(duì)誤差為1.99%，均方根誤差為0.47%。可見，灰色預(yù)測值與實(shí)際值之間的符合程度較好，因此，該灰色預(yù)測模型的預(yù)測精度較高。

5 結(jié)束語

本文預(yù)測目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的健康狀態(tài)時(shí)，首先利用端口鏡像的方式接入目標(biāo)列車的車載以太網(wǎng)，以便通過對(duì)應(yīng)的鏡像端口獲取目標(biāo)列車端口的數(shù)據(jù)包，然后再對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，得到各個(gè)端口的狀態(tài)信息，進(jìn)而利用預(yù)測算法，結(jié)合目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，?duì)目標(biāo)列車的端口狀態(tài)信息進(jìn)行分析，預(yù)測出目標(biāo)列車車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

與現(xiàn)有的預(yù)測模型相比，未來多種預(yù)測模型的組合預(yù)測模型可以集成現(xiàn)有單一預(yù)測模型的優(yōu)點(diǎn)，能更好地分析和處理數(shù)據(jù)，提高預(yù)測的精度和穩(wěn)定性。本文用到的灰色預(yù)測模型后續(xù)可用于進(jìn)一步研究其他單一模型的組合，實(shí)現(xiàn)多種預(yù)測方法的改進(jìn)與有機(jī)融合， 進(jìn)一步提高列車網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)測的準(zhǔn)確性。