基于工業以太網的高速列車通信網絡仿真研究分析*

符偉杰 劉志剛 吳 娟 侯運昌

(1.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都;2.湖南文理學院，415000，常德∥第一作者，研究生)

隨著列車不斷朝著安全、可靠、智能化的方向發展，使新型大數據量業務設備不斷增加，列車通信網絡需要具備滿足對故障診斷系統、視頻監控系統、旅客服務信息系統等功能做出實時處理的能力，故帶寬已成為影響通信網絡性能的主要瓶頸［1］。傳統的通信總線帶寬有限，不能夠滿足大容量數據的傳輸要求，而工業以太網為解決這一問題提供了可能［2］。此外，鐵路專用的網絡設備，其成本較高，采用工業以太網作為列車通信網絡不僅能夠降低成本、提高傳輸性能，而且還具有更好的兼容性［3］。但是，基于CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測機制)的工業以太網，其網絡性能具有不確定性［4－5］，需要對其實時性和可靠性進行深入的研究。

國際電工委員會頒布了基于以太網的列車通信網絡標準IEC 61375－2－5，推進了以太網在列車通信中發展［6－7］。目前，龐巴迪公司正在開發一種新的列車通信系統。該新系統將使用以太網來管理列車上的所有車載設備。

1 以太網通信實時性分析

經研究表明，共享式以太網在網絡負荷低于25%時，可以保證實時性和可靠性［9］。當網絡負荷小于10%時，通信網絡數據報文碰撞的發生率很小，幾乎為零。文獻［9］對以太網和令牌總線性能進行了對比分析，如圖1所示。從圖1中可以看出，以太網在負荷低于25%時，其響應速度比令牌總線網絡快很多。這體現了工業以太網在低負荷情況下具有很好的實時性。

通過對列車網絡通信數據特性的分析，本文把列車通信數據劃分為3類:第1類是周期性數據，主要包括對列車設備進行監控的狀態數據和視頻監控數據;第2類是突發數據，主要是故障情況下產生的數據;第3類是隨機數據，主要是控制命令數據和旅客服務信息。周期數據具有數據連續、穩定和變化量小等特點;故障突發數據具有不確定性和數據量大等特點;隨機數據在網絡中也具有十分重要的作用，尤其是列車控制命令數據，但該數據的數據量較小。

圖1 工業以太網和令牌網的時間響應曲線

1)周期性數據是列車通信網絡中的重要數據之一。該類型報文的分組大小可以事先確定，一般長度固定。在建立周期性數據的數學模型時，需要確定以下參數:Li(周期性數據的長度);Ti(報文產生的間隔時間);Ci(網絡傳送延時);Di(數據端到端的延時)。其中，i為不同的節點。則周期性數據流Mi可以表示為:

2)隨機數據是由外部事件觸發的數據，具有以下主要特性:數據分組會在任何時間段內以概率P出現，與前時間段是否有報文發送無關。由數學統計知識可知，該數據類型符合泊松(Poisson)過程。

式中:

s——某一時刻;

t——時間段;

λ——數據報文的平均達到速率;

N(t+s)－N(t)——在時間段t內數據報文的統計數量;

k=0，1，2…。

3)突發性數據主要是指列車通信設備在發生故障情況下發送的大量故障數據。該數據長度較短，但發生時間比較集中。當有突發數據產生時，會有相對較高的負載，否則網絡會持續一段空閑時間。本文對突發性數據采用的是ON、OFF兩種狀態模型。當持續發生突發性數據時為ON，該狀態持續時間服從Pareto分布;當不發生突發數據時為OFF，該狀態持續時間服從泊松分布。

2 基于工業以太網的列車通信網絡拓撲結構

現分析工業以太網在高速列車中的應用，并以高速動車組CRH 5為例進行分析。CRH 5動車組一共由8節車廂組成，每節車廂長一般是26 m。由于電纜需要彎曲和延伸，故每節車輛電纜總長度是車輛長度的150%。因此，每節車輛的通信電纜長度遠小于最大值 100 m［6］。

基于工業以太網的列車通信網絡，是一種新型的列車網絡。在該網絡中，使用了8臺工業以太網交換機，上層實現列車網絡的互聯，下層連接車廂級各監視、控制設備。其拓撲結構如圖2所示。

圖2 基于工業以太網的列車通信網絡拓撲結構

3 基于OPNET仿真軟件的建模

在仿真模型中，利用OPNET仿真軟件搭建基于以太網的列車通信網絡仿真模型。仿真模型從三個層次搭建，即進程模型、節點模型和網絡模型。通過對列車設備節點特性和網絡拓撲結構的分析，對整個網絡進行配置，以完成整個網絡模型。

3.1 介質訪問控制層進程模型

介質訪問控制層(MAC)進程是以太網協議的核心組成部分。該進程由大量的狀態模塊組成，每個狀態完成不同的過程。在該進程中，每個狀態在不同條件下相互轉化，實現以太網協議。在MAC進程模型(見圖3)中，主要狀態的功能如下:INIT狀態是對相關參數和統計量等方面進行初始化，初始化完成后進入START狀態;TX_WAIT狀態是發送準備狀態，當有數據發送時，狀態轉移到FRM_START狀態，否則維持原狀態;DEF_WAIT是等待觸發條件，當條件滿足時，轉到發送狀態，否則保持等待狀態;TX_START則是對數據進行發送，當觸發條件滿足時才開始發送數據;COLLISION狀態是指對沖突進行檢測，然后重發，當重發超過限定次數，則放棄。

圖3 MAC進程模型

3.2 網絡仿真拓撲結構圖

在仿真模型中，為了提高網絡的可靠性，采用工業以太網環形拓撲結構，如圖4所示。在通信網絡中的設備包括服務器、主機、交換機以及其他標準車載設備。仿真模型中一共搭建了10個子網，其中8個子網分別代表列車的8節車廂。在各子網中，交換機采用三角形連接，提高了系統的可靠性，同時減小了沖突域。

圖4 網絡仿真拓撲結構

圖5是司機控制室網絡。在該網絡中，配置1臺顯示單元DDU，1臺中心控制單元MPU、1臺FTP服務器(FTP_Server)、1臺視頻服務器(Video_Server)以及3臺工業交換機(Switch)。

圖5 司機室局域網拓撲結構

3.3 仿真環境配置

結合對列車通信網絡數據流模型的分析，利用OPNET仿真軟件對整個仿真模型進行配置。在仿真中，利用仿真軟件的Application Config和Profile Config模塊對仿真環境進行全局設置。

3.3.1 周期性數據流

在網絡中，假設每個車廂裝有一個視頻監控裝置，同時向主控室傳遞視頻信息。視頻監控信息為周期性數據量，使用UDP(用戶數據包協議)報文傳輸作為數據報文的通信形式，利用OPNET仿真軟件提供的video conferencing(視頻會議)數據流進行模擬。在 Application Config模塊 中 對 video conferencing應用參數進行設置

1)Low Resolution Video(低分辨率視頻)時，每秒鐘10幀，傳輸的視頻分辨率為128×120像素。此時，網絡視頻的監控效果較差。優先級設置為Best Effort(0)，此時，該數據的優先級最低，為“盡力而為”的傳輸數據。

2)VCR Quality Video(VCR質量視頻)時，每秒鐘30幀，傳輸的視頻分辨率為352×240像素。此時，網絡視頻的監控效果較好，能夠滿足正常的監視需要。優先級設置為Best Effort(0)，此時，該數據的優先級最低，為“盡力而為”的傳輸數據。

3)狀態數據傳輸時數據發送時間間隔為20 ms，每個設備發送的平均數據長度為256 Byte。每個車廂有8臺設備，因此，由MPU傳輸到司機室控制單元的最大數據約為2 000 Byte。優先級設置為Standard(2)，此時，該數據具有標準優先級，和視頻數據流比較具有更高的優先級，能夠有效地保證其可靠性。

3.3.2 隨機數據流

列車網絡中有許多信息屬于隨機數據流，如控制室發出的控制命令信號。由前面分析可知，這類信息服從指數分布［5］。在仿真中，優先級設置為Reserved(7)，此時，該數據具有最高優先級，當信息發生碰撞、沖突時，能夠有效地保證在規定時間內傳達指令。

3.3.3 突發數據流

在節點設備發生故障時會產生大量數據流，通過網絡傳輸給監控設備，數據報文服從Pareto分布［3］。優先級設置為 Excellent Effort(3)，此時，數據具有較高優先級，網絡能夠有效地傳輸故障數據，實現故障診斷和分析。

4 仿真結果分析

4.1 采用帶寬100 M工業以太網的網絡性能分析

視頻監控數據流是列車通信網絡中的重要數據流之一，具有數據量大的特點。從圖6中可以看出在Low Resolution Video和VCR Quality Video視頻監控數據流時列車網絡的延時情況:在前30 s的延時約為11 ms，后30 s的延時為3～4 ms，二者的網絡平均延時差別不大。

圖6 帶寬100 M工業以太網情況下，不同視頻流的網絡延時比較

FTP數據流主要是模擬列車的故障數據，通過及時、準確地傳輸該數據流，以實現設備的在線診斷和控制。在仿真中，設備故障數據在30 s左右開始發送。從圖7中可以看出，在無故障數據時，列車網絡延時大約維持在11 ms左右;在加入了故障數據流后，網絡平均延時時間降低，維持在4 ms左右。這是因為視頻數據的數據包長度較大，傳輸每個數據包需要的時間較長，故平均延時長;而故障數據采用的是FTP數據流進行模擬，該數據流具有數據長度較小，發送時間間隔短的特點，發送數據包的延時較小。所以，當有故障數據時的平均延時比只有視頻數據流時的延時要小。

圖7 帶寬100 M工業以太網情況下，故障數據對網絡延時的影響

控制命令數據對保證列車安全、可靠的運行起著至關重要的作用。司機根據列車設備的實時狀態信息或操作需要，可對列車設備進行控制。從圖8中可以看出，控制信息對列車網絡的延時影響較小。

圖8 帶寬100 M工業以太網情況下，控制命令數據流對網絡延時的影響

4.2 帶寬100 M和1 000 M工業以太網的網絡性能對比分析

圖9、10、11分別是對通信網絡最不利情況下鏈路使用率的對比分析。此時列車通信網絡中同時有VCR視頻監控數據流、故障數據流、設備狀態數據流和命令控制數據流。

圖9是司機控制室1到子網1的控制指令延時:在使用帶寬100 M工業以太網時，網絡控制命令的網絡延時具有較大的波動性，但延時較小，最大不到0.3 ms;在使用帶寬1 000 M工業以太網時，控制命令的網絡延時時間遠小于0.1 ms。因此，對基于帶寬100 M和1 000 M的工業以太網，控制命令數據的實時性可得到保證。

圖10為列車的網絡平均延時性能的分析:在使用帶寬100 M工業以太網時，網絡平均延時較大，最大達到11 ms左右;在使用帶寬1 000 M工業以太網時，網絡延時只有1 ms左右。從圖9、10可以看出:使用帶寬1 000 M的工業以太網，在網絡實時性方面能滿足高速列車的實時性要求。

圖11是網絡鏈路率的使用情況。從圖11中可以看出，在帶寬100 M工業以太網中，網絡鏈路使用率最高達到了80%;此時網絡的可靠性、實時性不能得到保障，可能會發生各種問題，網絡出現不確定性。在使用帶寬1 000 M工業以太網中，網絡鏈路使用率不到10%，這大大低于文獻［9］中25%的標準;此時，網絡幾乎不會發生數據報文的碰撞，能夠保證網絡中各種數據可靠、實時地傳輸。

圖9 控制命令數據流延時特性比較

圖10 帶寬100 M與1 000 M工業以太網列車網絡延時比較

圖11 帶寬100 M與1 000 M網絡鏈路使用率對比

表1是在帶寬100 M和1 000 M工業以太網情況下的部分特性統計。表1的特性統計表明，使用帶寬1 000 M的工業以太網，其列車通信網絡的平均延時降低了93.5%，網絡的平均吞吐量提高了11.1%，網絡的平均利用率減少了90.2%。因此，帶寬1 000 M的工業以太網具有較好的網絡性能。

表1 帶寬100 M和1 000 M的工業以太網的網絡特性對比

5 結語

本文結合列車網絡的實際通信情況，分析了基于工業以太網列車通信網絡的數據類型和特性，并對其進行了分類，建立了仿真模型。仿真結果表明，控制命令和視頻數據流對網絡性能的影響較小，故障數據對網絡性能的影響較大。通過對比分析帶寬100 M和帶寬1 000 M工業以太網在最不利情況下的列車通信性能可知:在采用帶寬1 000 M工業以太網時，列車通信網絡的延時、吞吐量、網絡利用率等方面的性能都有較大的提高;帶寬1 000 M工業以太網在理論上能夠滿足實時性和可靠性等方面的要求。

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