趙聰慧，陳國(guó)政

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，山東 青島 266021； 2.遨?？萍加邢薰?，遼寧 大連 116028)

0 引言

列車通信網(wǎng)絡(luò)是軌道車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，作為列車信息采集與傳輸?shù)拿浇椋瑩?dān)負(fù)著列車可靠、安全運(yùn)行的重任。列車新型大容量業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)及設(shè)計(jì)構(gòu)架的復(fù)雜多樣，使得對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究尤為重要。傳統(tǒng)式列車通信網(wǎng)絡(luò)如CAN、ARCNET、MVB和WTB等因其通用性差、通信帶寬低、傳輸速率慢等問(wèn)題，已經(jīng)滿足不了網(wǎng)絡(luò)帶寬的承載能力和大數(shù)據(jù)高實(shí)時(shí)性的傳輸要求。為了保障列車通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院透邔?shí)時(shí)性，交換式以太網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于列車通信網(wǎng)絡(luò)中。它既避免了傳統(tǒng)式以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題，解決了網(wǎng)絡(luò)帶寬影響網(wǎng)絡(luò)性能造成的瓶頸問(wèn)題，又滿足了大量數(shù)據(jù)通信情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性需求。

目前以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果。文獻(xiàn)[3]提出并行冗余協(xié)議和高可用性無(wú)縫冗余協(xié)議的列車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障零恢復(fù)時(shí)間，但該文獻(xiàn)僅從物理層面考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性，沒(méi)有結(jié)合具體設(shè)備之間的實(shí)際通信情況分析實(shí)時(shí)可靠性，無(wú)法驗(yàn)證大通信數(shù)據(jù)下的網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求。文獻(xiàn)[4]提出一種基于虛擬鏈路的環(huán)形交換式以太網(wǎng)解決方案，但在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性方面，卻忽略了交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性的影響，應(yīng)該考慮網(wǎng)絡(luò)在鏈路、設(shè)備和交換機(jī)這幾個(gè)因素共同影響下的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[5]研究了基于交換式以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)模型，針對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的不同采用了交換機(jī)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，但未考慮到當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增多時(shí)，系統(tǒng)的性能也需要加強(qiáng)。如果引入設(shè)備分配方法，可以減少交換機(jī)時(shí)延，提高系統(tǒng)性能。

為了保障列車通信網(wǎng)絡(luò)性能，需要對(duì)基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]建立模型模擬了3種不同的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，得出環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響最小，但并沒(méi)有提出減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法，且該文獻(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是對(duì)車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，應(yīng)該更深入的探討網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的布局結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[9]提出在鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中增加路由，得出網(wǎng)絡(luò)性能最佳時(shí)路由的位置，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的改善沒(méi)有起到較明顯的效果，并且增加了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本，沒(méi)有對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行系統(tǒng)化的探討，提出減少時(shí)延的方法。文獻(xiàn)[10]從網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)鋬蓚€(gè)方面同時(shí)探討其優(yōu)化問(wèn)題，提出一種容錯(cuò)廉價(jià)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，來(lái)保證數(shù)據(jù)在截止期前完成交付，并減少網(wǎng)絡(luò)成本，但沒(méi)有提出較為通用的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，對(duì)于列車通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)固定這種情況，該方案具有一定的局限性。

本文考慮列車通信網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以確保網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性需求。在列車通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的主要方法是在確保交換機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到交換機(jī)的分配方式。本文依據(jù)列車中各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的實(shí)際數(shù)據(jù)通信情況，給出基于通信量權(quán)值的二分圖分配算法，將列車內(nèi)的設(shè)備重新布局分配，并構(gòu)建新的基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；采用OPNET仿真，對(duì)優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 列車通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延分析

列車通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒅饕獮榭刂?、檢測(cè)和故障診斷等重要信息，該信息對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高。在高速列車通信網(wǎng)絡(luò)中，眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如傳感器、執(zhí)行器和服務(wù)器等在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交互時(shí)，因網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制及數(shù)據(jù)變化帶來(lái)的不確定性，不可避免的造成數(shù)據(jù)碰撞和網(wǎng)絡(luò)堵塞等問(wèn)題，使得網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的產(chǎn)生，進(jìn)而降低列車的穩(wěn)定性和安全性。

1.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延產(chǎn)生的原因

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是指數(shù)據(jù)幀由源節(jié)點(diǎn)起發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)并被完整接收所經(jīng)歷的時(shí)間，圖1給出交換式以太網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延，主要由源節(jié)點(diǎn)時(shí)延、鏈路時(shí)延、交換機(jī)時(shí)延和目的節(jié)點(diǎn)時(shí)延組成，其時(shí)延公式表示為:

圖1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延組成

T

=

T

+

T

+

T

+

T

(1)

4)鏈路傳播時(shí)延

T

。取決于通信節(jié)點(diǎn)間的電纜長(zhǎng)度和信號(hào)的傳播速度。

1.2 降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的方法

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的組成，將時(shí)延分為兩類：常量時(shí)延和變量時(shí)延。常量時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受協(xié)議棧性能、幀長(zhǎng)度、鏈路性能的影響產(chǎn)生的時(shí)延以及交換機(jī)的基本時(shí)延，該部分時(shí)延較為固定；變量時(shí)延是指受網(wǎng)絡(luò)繁忙程度的影響，在源節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)中的排隊(duì)時(shí)延。因此，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的主要辦法就是解決變量時(shí)延。

當(dāng)大容量數(shù)據(jù)從過(guò)多設(shè)備傳輸?shù)浇粨Q機(jī)時(shí)，交換機(jī)需要監(jiān)聽(tīng)到所有數(shù)據(jù)，從而增加了交換機(jī)的工作負(fù)擔(dān)和數(shù)據(jù)排隊(duì)等待的概率，將可能造成通信網(wǎng)絡(luò)的堵塞甚至癱瘓。在高速列車通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)影響很大，且節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的包格式、鏈路速率和交換機(jī)的服務(wù)速率都是造成大量傳輸時(shí)延的主要原因。

綜上分析，通過(guò)優(yōu)化高速列車通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn)部署，可以減少數(shù)據(jù)從底層設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送到服務(wù)器所經(jīng)過(guò)的交換機(jī)跳數(shù)，有效地避免交換機(jī)時(shí)延；還可以減少同一設(shè)備經(jīng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的緩存時(shí)延。因此，本文優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從兩個(gè)方面進(jìn)行：1)保障設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中經(jīng)過(guò)最少的交換機(jī)，以此確保交換機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)在此基礎(chǔ)上，重新分配各節(jié)車輛中設(shè)備節(jié)點(diǎn)到交換機(jī)的分配方式，保證連接同一交換機(jī)的設(shè)備數(shù)量較少，且主要設(shè)備節(jié)點(diǎn)連接編組交換機(jī)，其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)連接子交換機(jī)。

2 基于通信量權(quán)值二分圖分配算法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

列車通信網(wǎng)絡(luò)的性能直接受到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的增加，還會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的可靠性，影響整體網(wǎng)絡(luò)的性能，甚至引發(fā)安全問(wèn)題。如今，針對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)的研究往往忽視了對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化是對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性研究最直觀、最便捷的方式。

本文主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的設(shè)備控制層進(jìn)行研究，考慮列車通信網(wǎng)絡(luò)存在設(shè)備布局相對(duì)受限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小且固定、設(shè)備間通信關(guān)系比較明確等特殊性，提出一種基于通信量權(quán)值二分圖分配算法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署，并構(gòu)建新的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先，根據(jù)各個(gè)固定節(jié)點(diǎn)間的通信情況，建立列車交換式以太網(wǎng)模型，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的通信量權(quán)值，構(gòu)建二分圖；再由各節(jié)車輛內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)確定該節(jié)車輛內(nèi)所需交換機(jī)的數(shù)量，并將每一個(gè)交換機(jī)所在的區(qū)域視為獨(dú)立的局域網(wǎng)；最后以各節(jié)點(diǎn)之間的通信量權(quán)值為依據(jù)，按照由高至低的權(quán)值將所有節(jié)點(diǎn)劃分到不同的區(qū)域內(nèi)，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化。

2.1 列車交換式以太網(wǎng)模型的建立

考慮到交換式以太網(wǎng)中存在大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，為了提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，需要將它們分配到不同的交換機(jī)子網(wǎng)中。設(shè)整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)中有

N

個(gè)節(jié)點(diǎn)，

M

個(gè)交換機(jī)。以

N

×

M

的矩陣

X

來(lái)表示通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到交換機(jī)的分配情況，見(jiàn)公式(2)。若節(jié)點(diǎn)

n

分配到交換機(jī)

m

，則矩陣中元素×=1；否則×=0。

(2)

考慮到各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，故引入節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際通信量，用矩陣來(lái)表示，見(jiàn)公式(3)。矩陣中元素

f

表示節(jié)點(diǎn)

n

向節(jié)點(diǎn)

l

發(fā)送的實(shí)際通信量，取

f

=

L

/T

，其中

L

、

T

分別代表節(jié)點(diǎn)

n

發(fā)送到節(jié)點(diǎn)

l

數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和周期。由于節(jié)點(diǎn)自身不存在數(shù)據(jù)交互的情況，故

f

=0。

(3)

由于列車通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有不同要求的實(shí)時(shí)性，為了方便比較各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際通信量的重要程度，再引入節(jié)點(diǎn)間的通信量權(quán)值，以矩陣來(lái)表示，見(jiàn)公式(4)。其中max{

f

}為矩陣中元素的最大值。

(4)

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟残铦M足一定的約束條件，見(jiàn)公式(5)。

(5)

式(5)中，

Ei

表示第

i

個(gè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的集合，即一個(gè)交換機(jī)所連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；

ki

表示第

i

個(gè)交換機(jī)的端口數(shù)目；

C

1說(shuō)明每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能分配到一個(gè)區(qū)域內(nèi)，即各個(gè)節(jié)點(diǎn)只能連接一個(gè)交換機(jī)；

C

2說(shuō)明所有節(jié)點(diǎn)都被分配到各個(gè)不同區(qū)域內(nèi)，此外，各節(jié)點(diǎn)間不能直接通信連接，需經(jīng)交換機(jī)進(jìn)行通信；

C

3表示各個(gè)區(qū)域內(nèi)被分配的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不能超過(guò)交換機(jī)的端口數(shù)。

2.2 基于通信量權(quán)值二分圖的設(shè)備節(jié)點(diǎn)分配算法

設(shè)

G

=(

V

，

E

)是一個(gè)無(wú)向圖，如果頂點(diǎn)集

G

可以分割為兩個(gè)互不相交的子集(

M

，

N

)，并且圖中每條邊(

i

，

j

)所關(guān)聯(lián)的兩個(gè)頂點(diǎn)

i

∈

M

，

j

∈

N

，則稱圖

G

為一個(gè)二分圖。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)將二分圖與列車中各節(jié)點(diǎn)間的通信量相結(jié)合，引入節(jié)點(diǎn)間的通信量權(quán)值，并依據(jù)權(quán)值的大小來(lái)完成節(jié)點(diǎn)到交換機(jī)的分配?；诙謭D的設(shè)備節(jié)點(diǎn)分配算法步驟如下：1)由各節(jié)車輛內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)確定交換機(jī)數(shù)量，并視連接同一交換機(jī)的節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)楠?dú)立的局域網(wǎng)。其中，交換機(jī)數(shù)量

M

應(yīng)不小于該節(jié)車輛內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)

N

與交換機(jī)端口數(shù)量

k

之比，由于交換機(jī)端口還應(yīng)預(yù)留出鏈路輸入/輸出兩個(gè)端口，故交換機(jī)數(shù)量為公式(6)所示；

(6)

2)根據(jù)公式(3)和公式(4)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的通信量權(quán)值；

3)將設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，構(gòu)建帶有通信量權(quán)值的二分圖。將網(wǎng)絡(luò)抽象為節(jié)點(diǎn)集

N

={

N

，

N

，…，

N

}和帶有通信量權(quán)值的鏈路集

L

={

α

，

α

，…，

α

，-1}共同構(gòu)成的二分圖

G

=(

N

，

L

)；

4)根據(jù)權(quán)值的大小，由高到低的合并權(quán)值數(shù)相近且是相鄰的節(jié)點(diǎn)，使其劃分到同一區(qū)域內(nèi)，但應(yīng)確保節(jié)點(diǎn)的分配情況滿足公式(5)的約束條件。其中，每節(jié)車輛中權(quán)值數(shù)相近的節(jié)點(diǎn)被劃分至同一區(qū)域，擁有高權(quán)值數(shù)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)連接編組交換機(jī)，而擁有較低權(quán)值數(shù)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)連接子交換機(jī)；

5)重復(fù)4)過(guò)程，直至所有節(jié)點(diǎn)被劃分至各個(gè)不同區(qū)域內(nèi)。

2.3 算法實(shí)例

選取某一動(dòng)車組的駕駛室動(dòng)車車輛和客室動(dòng)車車輛，其設(shè)備節(jié)點(diǎn)名稱及英文縮寫(xiě)見(jiàn)表1所示，節(jié)點(diǎn)列表及其編號(hào)見(jiàn)表2所示。

表1 設(shè)備節(jié)點(diǎn)名稱及其英文縮寫(xiě)

表2 節(jié)點(diǎn)列表及其編號(hào)

假設(shè)每個(gè)交換機(jī)的端口數(shù)量均為8個(gè)，由公式(6)可以計(jì)算出駕駛室和動(dòng)車客室的交換機(jī)數(shù)量，考慮到車輛布線和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目等實(shí)際情況，兩車輛的交換機(jī)數(shù)分別為3個(gè)和2個(gè)，其中每節(jié)車輛內(nèi)各有1個(gè)交換機(jī)為車輛級(jí)編組交換機(jī)，其它為子交換機(jī)，如圖2網(wǎng)段示意圖所示。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)例—網(wǎng)段示意圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，矩陣中兩節(jié)點(diǎn)之間的往返數(shù)據(jù)通信量取值相等，即

α

=

α

。取CCU和VCU的數(shù)據(jù)幀大小為64字節(jié)，周期為2 ms；PIS的數(shù)據(jù)幀大小為960字節(jié)，周期為150 ms。由式(3)和式(4)可計(jì)算出CCU與VCU之間通信量權(quán)值為1；VCU與PIS之間通信量權(quán)值為0.2。同理，駕駛室內(nèi)的CCU與每節(jié)車輛內(nèi)的各類控制單元VCU、BCU、TCU、ACU和ATC之間相互通信，其權(quán)值大小依次為1、1、1、1和0.5；每節(jié)車輛內(nèi)的其它設(shè)備DCU、HVAC、PIS和RIOM與本節(jié)車輛的VCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其權(quán)值大小依次為1、1、1、1和0.5；HMI先通過(guò)ERM再與CCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，權(quán)值為0.4和0.5。由各節(jié)點(diǎn)間的通信量權(quán)值構(gòu)建二分圖，依據(jù)分配算法完成所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)的分配，節(jié)點(diǎn)分配流程圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)分配流程圖

按照通信量權(quán)值二分圖的設(shè)備節(jié)點(diǎn)分配算法分配后，各交換機(jī)形成的區(qū)域及其區(qū)域內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)如下所示。

2.4 基于通信量權(quán)值二分圖分配算法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文參考國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)上述設(shè)備分配結(jié)果，構(gòu)建出優(yōu)化后的交換式列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。它分為三層網(wǎng)絡(luò)：最高層為列車級(jí)骨干網(wǎng)層，該層由以太網(wǎng)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)中繼器通過(guò)雙纜鏈路聚合連接；中間層為車輛級(jí)編組網(wǎng)層，由各節(jié)車輛的編組交換機(jī)相互連接形成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；最底層為設(shè)備控制層，該層中高通信量權(quán)值的節(jié)點(diǎn)以編組網(wǎng)層中的編組交換機(jī)為中心呈星型連接，低通信量權(quán)值的節(jié)點(diǎn)以子交換機(jī)為中心，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署。各節(jié)車輛中的編組交換機(jī)與該節(jié)車輛的子交換機(jī)連接。每節(jié)車輛中的編組交換機(jī)和其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)。不同車輛間，通過(guò)編組交換機(jī)與其它車輛進(jìn)行通信；同一車輛內(nèi)，由編組交換機(jī)和子交換連接實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信，構(gòu)成完整的通信鏈路。

圖4 基于通信量權(quán)值二分圖分配算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 列車通信網(wǎng)絡(luò)性能仿真

為驗(yàn)證優(yōu)化后的列車交換式以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，采用OPNET Modeler軟件進(jìn)行仿真，搭建了如圖5所示的交換式列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型，研究了兩個(gè)不同場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器時(shí)延、鏈路率以及吞吐量的影響。

圖5 交換式列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型

場(chǎng)景(1)：以圖4作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷囊罁?jù)，仿真場(chǎng)景大小設(shè)置為200*200 m，8個(gè)子網(wǎng)分別代表動(dòng)車組的8節(jié)車輛，每個(gè)子網(wǎng)由其內(nèi)部編組交換機(jī)采用環(huán)形拓?fù)浞绞竭B接，各個(gè)子網(wǎng)之間相距50 m如圖5(a)所示；各個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部依據(jù)節(jié)點(diǎn)分配算法得出的分配情況，將各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的編組交換機(jī)或子交換機(jī)進(jìn)行連接，圖5(b)是駕駛室動(dòng)車車輛內(nèi)部模型，包括若干電子控制單元(如牽引、制動(dòng)等)和若干終端設(shè)備，其通信連接由編組交換機(jī)或子交換機(jī)呈星型連接完成。此外，由于客室動(dòng)車車輛比客室拖車車輛多了牽引控制單元，故在仿真時(shí)客室拖車車輛沒(méi)有牽引控制單元。

場(chǎng)景(2)：拓?fù)淠Ｐ椭芯W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型與場(chǎng)景(1)相同，但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到交換機(jī)未進(jìn)行優(yōu)化分配，而是隨機(jī)連接。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般用來(lái)描述發(fā)送端數(shù)據(jù)包從進(jìn)入等待發(fā)生狀態(tài)到接收端收到全部數(shù)據(jù)包的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的數(shù)值越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中所耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，其對(duì)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性的危害性越大。在2個(gè)場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仿真結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化前和優(yōu)化后的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延分別為2.133 ms和1.929 ms，這表明優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性。

圖6 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

服務(wù)器作為眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及數(shù)據(jù)變化的不確定性，不可避免的造成數(shù)據(jù)碰撞和網(wǎng)絡(luò)堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的出現(xiàn)。圖7為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器時(shí)延，服務(wù)器時(shí)延由0.112 6 ms減小到0.097 7 ms，說(shuō)明優(yōu)化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以提高網(wǎng)絡(luò)性能，減小時(shí)延。

圖7 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器時(shí)延

鏈路利用率一般用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，鏈路利用率越高，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)越擁堵，當(dāng)鏈路利用率低于25%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中幾乎不會(huì)發(fā)生碰撞。圖8是駕駛室動(dòng)車車輛1與客室拖車車輛3之間的鏈路利用率，由圖8可以看出，列車通信網(wǎng)絡(luò)通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鏈路利用率由25.63%降到8.56%，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況得到改善，可以更好的保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。

圖8 鏈路利用率

吞吐量一般用來(lái)描述發(fā)送端和接收端傳送數(shù)據(jù)的速率，相同時(shí)間內(nèi)，吞吐量的值越大，代表數(shù)據(jù)傳輸速率越快。圖9和圖10分別表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，駕駛室動(dòng)車車輛1和客室拖車車輛3內(nèi)交換機(jī)之間三段鏈路上的吞吐量情況，結(jié)合圖2的網(wǎng)段示意圖可知，編組交換機(jī)1和子交換機(jī)2之間的鏈路為鏈路A，編組交換機(jī)1和子交換機(jī)3之間的鏈路為鏈路B，編組交換機(jī)1和編組交換機(jī)4之間的鏈路為鏈路C。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未優(yōu)化之前各鏈路A、B、C的吞吐量分別為8.535 Mbps、4.265 Mbps和25.629 Mbps。優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各鏈路A、B、C的吞吐量分別為4.251 Mbps、8.562 Mbps和8.558 Mbps。證明了優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量產(chǎn)生了明顯的變化，同時(shí)也可以減少子網(wǎng)間不必要的數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

圖9 未優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量

圖10 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后的吞吐量

通過(guò)各類網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)可以看出，列車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、服務(wù)器時(shí)延、鏈路利用率以及吞吐量具有重要的影響。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅能降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，在改善網(wǎng)絡(luò)性能等方面也起到積極的作用，該結(jié)果為車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到列車通信網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)今發(fā)展的必然趨勢(shì)，而以太網(wǎng)應(yīng)用于列車通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題在于如何提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。本文從優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出一種通信量權(quán)值二分圖分配算法，解決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)備到交換機(jī)的分配問(wèn)題，將通信頻繁的節(jié)點(diǎn)限制在同一交換機(jī)區(qū)域內(nèi)并減少信息傳遞中交換機(jī)的數(shù)量，從而完成整個(gè)列車交換式以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在具有高可靠性的前提下，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性明顯提高，且對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能也有一定的積極影響，說(shuō)明本文優(yōu)化后的列車通信網(wǎng)絡(luò)是具有較高及時(shí)可靠性的網(wǎng)絡(luò)。本文所提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方案在列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延降低、網(wǎng)絡(luò)虛擬提高等方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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電子設(shè)計(jì)工程(2015年6期)2015-02-27 12:05:04