王 健 滕萬秀 張 鐳

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者, 工程師)

MVB(多功能車輛總線)作為連接車輛內(nèi)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，目前在城市軌道交通列車和高速鐵路列車上都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。MVB網(wǎng)絡(luò)性能的預(yù)測(cè)和分析在MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著重要作用。在購(gòu)買昂貴的硬件構(gòu)建實(shí)際系統(tǒng)之前，仿真建模是預(yù)測(cè)和分析MVB的有效方法。

文獻(xiàn)[2]采用GSPN(廣義隨機(jī)Petri網(wǎng))方法，利用TimeNET軟件包建立模型，計(jì)算分析了吞吐性能、有效數(shù)據(jù)傳輸能力和帶寬使用率。文獻(xiàn)[3]引入OPNET軟件模擬基于通用總線的TCN(列車通信網(wǎng))車輛級(jí)總線，通過對(duì)比幾種不同的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停?yàn)證了模型的合理性。文獻(xiàn)[4]基于Matlab/Simulink軟件，從節(jié)點(diǎn)的角度建立了發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的狀態(tài)機(jī)模型。為了提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)性能，本文提出了一種全新的評(píng)價(jià)MVB網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的方法。該網(wǎng)絡(luò)模型是采用Stateflow工具箱，利用FSM (有限狀態(tài)機(jī))理論建立的。與上述模型相比，該模型利用更為成熟的軟件工具箱，可用于分析影響MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的因素。

1 MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

MVB網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能可以通過網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。上述指標(biāo)計(jì)算時(shí)需要利用MVB周期的概念。

1.1 MVB周期

MVB通信分為若干個(gè)周期，其中，最短的稱為基本周期Tbp，它包括1個(gè)周期相(用于過程數(shù)據(jù))和1個(gè)偶發(fā)相(用于消息數(shù)據(jù))。主設(shè)備周期數(shù)據(jù)的特征周期Tip輪詢每個(gè)周期數(shù)據(jù)，Tip為基本周期的2n倍，其中n為正整數(shù)。將MVB上所有節(jié)點(diǎn)的最長(zhǎng)特征周期定義為宏周期Tmacro，即MVB完成一次完整通信所用的時(shí)間。

1.2 網(wǎng)絡(luò)效率

網(wǎng)絡(luò)效率采用MVB一次完整通信中所有報(bào)文發(fā)送有效數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)之和與全部報(bào)文總傳輸延時(shí)的比值表示，并且采用1個(gè)宏周期內(nèi)的延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

單個(gè)報(bào)文的有效數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)Te為：

(1)

式中：

Ne——報(bào)文中有效數(shù)據(jù)的位數(shù)；

V——MVB通信速率。

單個(gè)報(bào)文的總傳輸延時(shí)Tt為：

(2)

式中：

Nm——主幀數(shù)據(jù)的位數(shù)，取定值33；

Ns——從幀數(shù)據(jù)的位數(shù)；

Tr——應(yīng)答延時(shí)，表示從主幀結(jié)束到從幀開始時(shí)段內(nèi)可能的最大延時(shí)，見式(3)。

Tr=TrptNrpt+TwstL

(3)

式中：

Trpt——單個(gè)中繼器可能引入的最大延時(shí)；

Nrpt——MVB中的中繼器個(gè)數(shù)；

Twst——最差情況下單位長(zhǎng)度線纜引入的延時(shí)，一般取6 μs/km；

L——線纜長(zhǎng)度。

網(wǎng)絡(luò)效率ξe為：

(4)

式中：

M——總線上的設(shè)備數(shù)量；

Tmacro——宏周期，即MVB上所有節(jié)點(diǎn)的最長(zhǎng)特征周期;

Tip,i——設(shè)備i的特征周期；

Tep,i——設(shè)備i的過程數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)；

Tes,i——設(shè)備i的消息數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)；

Ttp,i——設(shè)備i的過程數(shù)據(jù)的總傳輸延時(shí)；

Tts,i——設(shè)備i的消息數(shù)據(jù)的總傳輸延時(shí)，計(jì)算方法如式(1)—式(3)所示。

1.3 網(wǎng)絡(luò)利用率

網(wǎng)絡(luò)利用率ξu表示有效數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用程度，可以采用MVB一次完整通信中網(wǎng)絡(luò)傳輸有效數(shù)據(jù)時(shí)間與宏周期的比值表示，其計(jì)算方法為：

(5)

1.4 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量Qe采用MVB一次完整通信中網(wǎng)絡(luò)傳輸有效數(shù)據(jù)總量與宏周期的比值表示，表征MVB的有效數(shù)據(jù)傳輸能力，其計(jì)算方法為：

(6)

式中：

Nep,i——設(shè)備i的過程數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)位數(shù)；

Nes,i——設(shè)備i的消息數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)位數(shù)。

2 MVB網(wǎng)絡(luò)模型的整體架構(gòu)

本文基于FSM(標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展)理論，利用Stateflow工具箱，在Matlab/Simulink平臺(tái)上模塊化建立MVB網(wǎng)絡(luò)模型。FSM是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)模型，它由有限狀態(tài)(包括初始狀態(tài)和1個(gè)或多個(gè)結(jié)束狀態(tài))組成。1組輸入事件、1組輸出事件或1個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)可以觸發(fā)模型將一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)。該模型以模塊的形式建立，共分為4個(gè)模塊，包括總線模塊、信號(hào)源模塊、主設(shè)備模塊和從設(shè)備模塊。MVB網(wǎng)絡(luò)模型的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MVB網(wǎng)絡(luò)模型的整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of MVB network model

2.1 總線模塊

總線模塊包括模擬各設(shè)備的訪問權(quán)限、MVB的傳輸延時(shí)等功能，并記錄傳輸數(shù)據(jù)以監(jiān)控MVB上的數(shù)據(jù)流?？偩€模塊接收到的數(shù)據(jù)有4種訪問方式。符合數(shù)據(jù)類型條件的數(shù)據(jù)可以通過相應(yīng)的訪問方式獲得對(duì)總線模塊的訪問權(quán)限。函數(shù)“send=slave(data)”和“send=master(data)”可處理接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)包分配給目標(biāo)設(shè)備。函數(shù)“t1=delay(length)”模擬總線造成的延時(shí)。函數(shù)“data=readframe()”負(fù)責(zé)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等，計(jì)算方式見式(4)—式(6)。

總線模塊的工作方式如圖2所示。

圖2 總線模塊的工作方式Fig.2 Operation mode of bus module

2.2 主設(shè)備模塊

主設(shè)備模塊是一個(gè)時(shí)間觸發(fā)邏輯設(shè)備，它能夠分配帶寬，生成調(diào)度算法，制定過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的輪詢策略?；跁r(shí)間觸發(fā)機(jī)制建立MVB網(wǎng)絡(luò)模型。如圖3所示，主設(shè)備模塊有1個(gè)輸入端口，用于接收來自總線模塊的幀；同時(shí)其有2個(gè)輸出端口，分別生成主幀和相轉(zhuǎn)換觸發(fā)器。在主設(shè)備模塊的基本周期劃分模塊中，周期時(shí)間開關(guān)用于將基本周期劃分為周期相和偶發(fā)相。

圖3 主設(shè)備模塊的工作方式Fig.3 Operation mode of master device module

2.3 從設(shè)備模塊

從設(shè)備模塊根據(jù)設(shè)備狀態(tài)(發(fā)送或接收)和時(shí)間相(周期相或偶發(fā)相)的不同，包含4種數(shù)據(jù)訪問方式，如圖4所示。函數(shù)“senddata=pack(vals) ”

圖4 從設(shè)備模塊的工作方式Fig.4 Operation mode of slave device module

將端口存儲(chǔ)或消息數(shù)據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)打包，作為從幀發(fā)送。函數(shù)“receivedata=store(vals)”識(shí)別接收到的幀數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在一起，然后由從設(shè)備進(jìn)行接收。

2.4 信號(hào)源模塊

信號(hào)源模塊的功能是模擬速度傳感器、壓力傳感器、閥門等產(chǎn)生的信號(hào)。根據(jù)IEC 61375-1: 2012 Railway equipment-Train communication network (TCN)-Part 3-1: Multifunction Vehicle Bus (MVB)，信號(hào)源模塊包括過程數(shù)據(jù)信號(hào)模塊和消息數(shù)據(jù)信號(hào)模塊兩部分。因過程數(shù)據(jù)是周期性的，故采用周期函數(shù)發(fā)生器來模擬過程數(shù)據(jù)的信號(hào)。從設(shè)備以端口存儲(chǔ)的形式存儲(chǔ)過程數(shù)據(jù)，即讀取端口存儲(chǔ)值時(shí)，存儲(chǔ)值不發(fā)生變化，但一旦被寫入，該值就會(huì)被覆蓋。根據(jù)數(shù)據(jù)類型和設(shè)備的不同，可以配置過程數(shù)據(jù)的大小和特征周期。由于消息數(shù)據(jù)是非周期性的，消息數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間間隔服從泊松分布。采用服從泊松分布的隨機(jī)數(shù)字函數(shù)發(fā)生器來模擬消息數(shù)據(jù)的信號(hào)。消息數(shù)據(jù)以隊(duì)列形式存儲(chǔ)，可以配置消息數(shù)據(jù)的大小和頻率。

3 MVB模型系統(tǒng)仿真分析

3.1 MVB模型系統(tǒng)的基本參數(shù)

考慮到實(shí)際車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的典型數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮攸c(diǎn)，采用某6節(jié)編組地鐵列車MVB組網(wǎng)并進(jìn)行簡(jiǎn)化，作為MVB模型仿真系統(tǒng)的參數(shù)選擇基礎(chǔ)。仿真中的MVB通信系統(tǒng)包括1條MVB、1個(gè)主設(shè)備和若干從設(shè)備，且該系統(tǒng)采用EMD(電氣中間距離)介質(zhì)。MVB通信速率為1.5 Mbit/s，基本周期為1.0 ms，周期相為0.65 ms，偶發(fā)相為0.35 ms。每個(gè)設(shè)備產(chǎn)生過程數(shù)據(jù)的特征周期(宏周期)為256 ms，模擬時(shí)間設(shè)置為1 024 ms，產(chǎn)生消息數(shù)據(jù)的到達(dá)率為0.1幀/ms。

3.2 從設(shè)備數(shù)量對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

將每個(gè)從設(shè)備產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)均設(shè)置為256位，總線中有1個(gè)中繼器，線纜長(zhǎng)度為100 m。仿真分析不同從設(shè)備數(shù)量下，MVB網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化如圖5所示。

由圖5可見，網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)利用率隨設(shè)備數(shù)量的增加而增長(zhǎng)，而網(wǎng)絡(luò)效率則緩慢下降。究其原因主要是由于網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)利用率的大小取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量，而網(wǎng)絡(luò)效率的大小取決于幀的長(zhǎng)度。設(shè)備數(shù)量的增加與幀長(zhǎng)度無關(guān)，反而會(huì)導(dǎo)致用于尋找等待設(shè)備的輪詢幀數(shù)量增加。相較設(shè)備數(shù)量增加前的MVB網(wǎng)絡(luò)，輪詢幀數(shù)增加，而有效數(shù)據(jù)大小不變，這將不可避免地導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率降低。

圖5 從設(shè)備數(shù)量對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的影響Fig.5 Impact of slave device number on the dynamic performance of MVB network

3.3 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

將從設(shè)備數(shù)量設(shè)置為12，總線中有1個(gè)中繼器，線纜長(zhǎng)度為100 m。仿真中，過程數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度分別為16 bit、32 bit、64 bit、128 bit、256 bit時(shí)，MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)變化如圖6所示。

圖6 過程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的影響Fig.6 Impact of process data length on the dynamic performance of MVB network

由圖6可見，隨著過程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度增加，網(wǎng)絡(luò)利用率、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸提高。過程數(shù)據(jù)的增加相當(dāng)于過程數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，故網(wǎng)絡(luò)吞吐量也隨之增長(zhǎng)。為提高M(jìn)VB的網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)效率，建議將盡可能多的數(shù)據(jù)打包成同一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

3.4 傳輸介質(zhì)對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

將從設(shè)備數(shù)量設(shè)置為12，傳輸介質(zhì)分為3種條件：①1個(gè)中繼器，100 m長(zhǎng)線纜；②2個(gè)中繼器，150 m長(zhǎng)線纜；③3個(gè)中繼器，180 m長(zhǎng)線纜。仿真中，過程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分別為16 bit、32 bit、64 bit、128 bit、256 bit時(shí)，上述3種傳輸介質(zhì)的MVB網(wǎng)絡(luò)效率，見圖7。

由圖7可見，隨著中繼器數(shù)量和線纜長(zhǎng)度的增加，MVB的網(wǎng)絡(luò)效率越來越低，這是因?yàn)橹欣^器數(shù)量和線纜長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致應(yīng)答延時(shí)的增加。此外，隨著過程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的增加，不同傳輸介質(zhì)條件下的網(wǎng)絡(luò)效率都隨之提高，從而使傳輸介質(zhì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)效率的影響有所緩解。因此，將特征周期相同的過程數(shù)據(jù)打包為同一個(gè)數(shù)據(jù)幀有利于網(wǎng)絡(luò)效率的提升。

圖7 傳輸介質(zhì)對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)效率的影響Fig.7 Impact of transmission medium on the dynamic performance of MVB network

4 結(jié)語

本文對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的仿真分析方法進(jìn)行了研究。選取了網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量等影響MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，并推導(dǎo)了該評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式；構(gòu)建了基于FSM的模塊化MVB網(wǎng)絡(luò)模型，詳細(xì)闡述了總線模塊、主設(shè)備模塊、從設(shè)備模塊和信號(hào)源模塊的工作方式；利用該模型分析了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、設(shè)備數(shù)量、傳輸介質(zhì)等因素對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的影響。