基于工業(yè)以太網(wǎng)的高速列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真研究分析*

符偉杰 劉志剛 吳 娟 侯運(yùn)昌

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都;2.湖南文理學(xué)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(fā)展，使新型大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)設(shè)備不斷增加，列車通信網(wǎng)絡(luò)需要具備滿足對故障診斷系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、旅客服務(wù)信息系統(tǒng)等功能做出實(shí)時(shí)處理的能力，故帶寬已成為影響通信網(wǎng)絡(luò)性能的主要瓶頸［1］。傳統(tǒng)的通信總線帶寬有限，不能夠滿足大容量數(shù)據(jù)的傳輸要求，而工業(yè)以太網(wǎng)為解決這一問題提供了可能［2］。此外，鐵路專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其成本較高，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為列車通信網(wǎng)絡(luò)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(jiān)聽多路訪問/沖突檢測機(jī)制)的工業(yè)以太網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)性能具有不確定性［4－5］，需要對其實(shí)時(shí)性和可靠性進(jìn)行深入的研究。

國際電工委員會(huì)頒布了基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375－2－5，推進(jìn)了以太網(wǎng)在列車通信中發(fā)展［6－7］。目前，龐巴迪公司正在開發(fā)一種新的列車通信系統(tǒng)。該新系統(tǒng)將使用以太網(wǎng)來管理列車上的所有車載設(shè)備。

1 以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性分析

經(jīng)研究表明，共享式以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于25%時(shí)，可以保證實(shí)時(shí)性和可靠性［9］。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小于10%時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文碰撞的發(fā)生率很小，幾乎為零。文獻(xiàn)［9］對以太網(wǎng)和令牌總線性能進(jìn)行了對比分析，如圖1所示。從圖1中可以看出，以太網(wǎng)在負(fù)荷低于25%時(shí)，其響應(yīng)速度比令牌總線網(wǎng)絡(luò)快很多。這體現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)在低負(fù)荷情況下具有很好的實(shí)時(shí)性。

通過對列車網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)特性的分析，本文把列車通信數(shù)據(jù)劃分為3類:第1類是周期性數(shù)據(jù)，主要包括對列車設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù);第2類是突發(fā)數(shù)據(jù)，主要是故障情況下產(chǎn)生的數(shù)據(jù);第3類是隨機(jī)數(shù)據(jù)，主要是控制命令數(shù)據(jù)和旅客服務(wù)信息。周期數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定和變化量小等特點(diǎn);故障突發(fā)數(shù)據(jù)具有不確定性和數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn);隨機(jī)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中也具有十分重要的作用，尤其是列車控制命令數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)和令牌網(wǎng)的時(shí)間響應(yīng)曲線

1)周期性數(shù)據(jù)是列車通信網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)之一。該類型報(bào)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(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要確定以下參數(shù):Li(周期性數(shù)據(jù)的長度);Ti(報(bào)文產(chǎn)生的間隔時(shí)間);Ci(網(wǎng)絡(luò)傳送延時(shí));Di(數(shù)據(jù)端到端的延時(shí))。其中，i為不同的節(jié)點(diǎn)。則周期性數(shù)據(jù)流Mi可以表示為:

2)隨機(jī)數(shù)據(jù)是由外部事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)，具有以下主要特性:數(shù)據(jù)分組會(huì)在任何時(shí)間段內(nèi)以概率P出現(xiàn)，與前時(shí)間段是否有報(bào)文發(fā)送無關(guān)。由數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知，該數(shù)據(jù)類型符合泊松(Poisson)過程。

式中:

s——某一時(shí)刻;

t——時(shí)間段;

λ——數(shù)據(jù)報(bào)文的平均達(dá)到速率;

N(t+s)－N(t)——在時(shí)間段t內(nèi)數(shù)據(jù)報(bào)文的統(tǒng)計(jì)數(shù)量;

k=0，1，2…。

3)突發(fā)性數(shù)據(jù)主要是指列車通信設(shè)備在發(fā)生故障情況下發(fā)送的大量故障數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)長度較短，但發(fā)生時(shí)間比較集中。當(dāng)有突發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，會(huì)有相對較高的負(fù)載，否則網(wǎng)絡(luò)會(huì)持續(xù)一段空閑時(shí)間。本文對突發(fā)性數(shù)據(jù)采用的是ON、OFF兩種狀態(tài)模型。當(dāng)持續(xù)發(fā)生突發(fā)性數(shù)據(jù)時(shí)為ON，該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間服從Pareto分布;當(dāng)不發(fā)生突發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)為OFF，該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間服從泊松分布。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)分析工業(yè)以太網(wǎng)在高速列車中的應(yīng)用，并以高速動(dòng)車組CRH 5為例進(jìn)行分析。CRH 5動(dòng)車組一共由8節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂長一般是26 m。由于電纜需要彎曲和延伸，故每節(jié)車輛電纜總長度是車輛長度的150%。因此，每節(jié)車輛的通信電纜長度遠(yuǎn)小于最大值 100 m［6］。

基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的列車網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，使用了8臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，上層實(shí)現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，下層連接車廂級(jí)各監(jiān)視、控制設(shè)備。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型。仿真模型從三個(gè)層次搭建，即進(jìn)程模型、節(jié)點(diǎn)模型和網(wǎng)絡(luò)模型。通過對列車設(shè)備節(jié)點(diǎn)特性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，以完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型。

3.1 介質(zhì)訪問控制層進(jìn)程模型

介質(zhì)訪問控制層(MAC)進(jìn)程是以太網(wǎng)協(xié)議的核心組成部分。該進(jìn)程由大量的狀態(tài)模塊組成，每個(gè)狀態(tài)完成不同的過程。在該進(jìn)程中，每個(gè)狀態(tài)在不同條件下相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。在MAC進(jìn)程模型(見圖3)中，主要狀態(tài)的功能如下:INIT狀態(tài)是對相關(guān)參數(shù)和統(tǒng)計(jì)量等方面進(jìn)行初始化，初始化完成后進(jìn)入START狀態(tài);TX_WAIT狀態(tài)是發(fā)送準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到FRM_START狀態(tài)，否則維持原狀態(tài);DEF_WAIT是等待觸發(fā)條件，當(dāng)條件滿足時(shí)，轉(zhuǎn)到發(fā)送狀態(tài)，否則保持等待狀態(tài);TX_START則是對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)才開始發(fā)送數(shù)據(jù);COLLISION狀態(tài)是指對沖突進(jìn)行檢測，然后重發(fā)，當(dāng)重發(fā)超過限定次數(shù)，則放棄。

圖3 MAC進(jìn)程模型

3.2 網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在仿真模型中，為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。在通信網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備包括服務(wù)器、主機(jī)、交換機(jī)以及其他標(biāo)準(zhǔn)車載設(shè)備。仿真模型中一共搭建了10個(gè)子網(wǎng)，其中8個(gè)子網(wǎng)分別代表列車的8節(jié)車廂。在各子網(wǎng)中，交換機(jī)采用三角形連接，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)減小了沖突域。

圖4 網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5是司機(jī)控制室網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，配置1臺(tái)顯示單元DDU，1臺(tái)中心控制單元MPU、1臺(tái)FTP服務(wù)器(FTP_Server)、1臺(tái)視頻服務(wù)器(Video_Server)以及3臺(tái)工業(yè)交換機(jī)(Switch)。

圖5 司機(jī)室局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 仿真環(huán)境配置

結(jié)合對列車通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流模型的分析，利用OPNET仿真軟件對整個(gè)仿真模型進(jìn)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(huán)境進(jìn)行全局設(shè)置。

3.3.1 周期性數(shù)據(jù)流

在網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)每個(gè)車廂裝有一個(gè)視頻監(jiān)控裝置，同時(shí)向主控室傳遞視頻信息。視頻監(jiān)控信息為周期性數(shù)據(jù)量，使用UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)報(bào)文傳輸作為數(shù)據(jù)報(bào)文的通信形式，利用OPNET仿真軟件提供的video conferencing(視頻會(huì)議)數(shù)據(jù)流進(jìn)行模擬。在 Application Config模塊 中 對 video conferencing應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行設(shè)置

1)Low Resolution Video(低分辨率視頻)時(shí)，每秒鐘10幀，傳輸?shù)囊曨l分辨率為128×120像素。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)視頻的監(jiān)控效果較差。優(yōu)先級(jí)設(shè)置為Best Effort(0)，此時(shí)，該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)最低，為“盡力而為”的傳輸數(shù)據(jù)。

2)VCR Quality Video(VCR質(zhì)量視頻)時(shí)，每秒鐘30幀，傳輸?shù)囊曨l分辨率為352×240像素。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)視頻的監(jiān)控效果較好，能夠滿足正常的監(jiān)視需要。優(yōu)先級(jí)設(shè)置為Best Effort(0)，此時(shí)，該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)最低，為“盡力而為”的傳輸數(shù)據(jù)。

3)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔為20 ms，每個(gè)設(shè)備發(fā)送的平均數(shù)據(jù)長度為256 Byte。每個(gè)車廂有8臺(tái)設(shè)備，因此，由MPU傳輸?shù)剿緳C(jī)室控制單元的最大數(shù)據(jù)約為2 000 Byte。優(yōu)先級(jí)設(shè)置為Standard(2)，此時(shí)，該數(shù)據(jù)具有標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)，和視頻數(shù)據(jù)流比較具有更高的優(yōu)先級(jí)，能夠有效地保證其可靠性。

3.3.2 隨機(jī)數(shù)據(jù)流

列車網(wǎng)絡(luò)中有許多信息屬于隨機(jī)數(shù)據(jù)流，如控制室發(fā)出的控制命令信號(hào)。由前面分析可知，這類信息服從指數(shù)分布［5］。在仿真中，優(yōu)先級(jí)設(shè)置為Reserved(7)，此時(shí)，該數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級(jí)，當(dāng)信息發(fā)生碰撞、沖突時(shí)，能夠有效地保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳達(dá)指令。

3.3.3 突發(fā)數(shù)據(jù)流

在節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)流，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控設(shè)備，數(shù)據(jù)報(bào)文服從Pareto分布［3］。優(yōu)先級(jí)設(shè)置為 Excellent Effort(3)，此時(shí)，數(shù)據(jù)具有較高優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)能夠有效地傳輸故障數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障診斷和分析。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 采用帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能分析

視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流是列車通信網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)流之一，具有數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。從圖6中可以看出在Low Resolution Video和VCR Quality Video視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流時(shí)列車網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況:在前30 s的延時(shí)約為11 ms，后30 s的延時(shí)為3～4 ms，二者的網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)差別不大。

圖6 帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下，不同視頻流的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)比較

FTP數(shù)據(jù)流主要是模擬列車的故障數(shù)據(jù)，通過及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸該數(shù)據(jù)流，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線診斷和控制。在仿真中，設(shè)備故障數(shù)據(jù)在30 s左右開始發(fā)送。從圖7中可以看出，在無故障數(shù)據(jù)時(shí)，列車網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大約維持在11 ms左右;在加入了故障數(shù)據(jù)流后，網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)時(shí)間降低，維持在4 ms左右。這是因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包長度較大，傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)包需要的時(shí)間較長，故平均延時(shí)長;而故障數(shù)據(jù)采用的是FTP數(shù)據(jù)流進(jìn)行模擬，該數(shù)據(jù)流具有數(shù)據(jù)長度較小，發(fā)送時(shí)間間隔短的特點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)包的延時(shí)較小。所以，當(dāng)有故障數(shù)據(jù)時(shí)的平均延時(shí)比只有視頻數(shù)據(jù)流時(shí)的延時(shí)要小。

圖7 帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下，故障數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的影響

控制命令數(shù)據(jù)對保證列車安全、可靠的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。司機(jī)根據(jù)列車設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或操作需要，可對列車設(shè)備進(jìn)行控制。從圖8中可以看出，控制信息對列車網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)影響較小。

圖8 帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下，控制命令數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的影響

4.2 帶寬100 M和1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能對比分析

圖9、10、11分別是對通信網(wǎng)絡(luò)最不利情況下鏈路使用率的對比分析。此時(shí)列車通信網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)有VCR視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流、故障數(shù)據(jù)流、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)流和命令控制數(shù)據(jù)流。

圖9是司機(jī)控制室1到子網(wǎng)1的控制指令延時(shí):在使用帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制命令的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)具有較大的波動(dòng)性，但延時(shí)較小，最大不到0.3 ms;在使用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，控制命令的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)小于0.1 ms。因此，對基于帶寬100 M和1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，控制命令數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性可得到保證。

圖10為列車的網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)性能的分析:在使用帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)較大，最大達(dá)到11 ms左右;在使用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)只有1 ms左右。從圖9、10可以看出:使用帶寬1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性方面能滿足高速列車的實(shí)時(shí)性要求。

圖11是網(wǎng)絡(luò)鏈路率的使用情況。從圖11中可以看出，在帶寬100 M工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)鏈路使用率最高達(dá)到了80%;此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實(shí)時(shí)性不能得到保障，可能會(huì)發(fā)生各種問題，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不確定性。在使用帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)鏈路使用率不到10%，這大大低于文獻(xiàn)［9］中25%的標(biāo)準(zhǔn);此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)幾乎不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)報(bào)文的碰撞，能夠保證網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)可靠、實(shí)時(shí)地傳輸。

圖9 控制命令數(shù)據(jù)流延時(shí)特性比較

圖10 帶寬100 M與1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)延時(shí)比較

圖11 帶寬100 M與1 000 M網(wǎng)絡(luò)鏈路使用率對比

表1是在帶寬100 M和1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)情況下的部分特性統(tǒng)計(jì)。表1的特性統(tǒng)計(jì)表明，使用帶寬1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)，其列車通信網(wǎng)絡(luò)的平均延時(shí)降低了93.5%，網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量提高了11.1%，網(wǎng)絡(luò)的平均利用率減少了90.2%。因此，帶寬1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)具有較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

表1 帶寬100 M和1 000 M的工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性對比

5 結(jié)語

本文結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際通信情況，分析了基于工業(yè)以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類型和特性，并對其進(jìn)行了分類，建立了仿真模型。仿真結(jié)果表明，控制命令和視頻數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)性能的影響較小，故障數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)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(yè)以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)時(shí)，列車通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)、吞吐量、網(wǎng)絡(luò)利用率等方面的性能都有較大的提高;帶寬1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)在理論上能夠滿足實(shí)時(shí)性和可靠性等方面的要求。

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