基于OPNET仿真軟件的列車通信網絡研究

（同濟大學電子與信息工程學院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

基于OPNET仿真軟件的列車通信網絡研究

周怡毛中亞

（同濟大學電子與信息工程學院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

TCN（列車通信網絡）和ARCNET（計算機網絡輔助資源）是兩種常用的列車通信網絡。由于工作環境的特殊性,現代列車通信系統對通信網絡的實時性和可靠性提出了非常嚴格的要求。利用OPNET軟件,對TCN和ARCNET網絡進行了建模仿真,對比分析了兩者的實時性和可靠性。試驗數據表明,TCN和ARCNET由于其結構不同,因而有著不同的特性。總體表現為：TCN具有較好的實時性,ARCNET具有較高的可靠性。因此,開發同時具有優良的實踐性和可靠性的網絡控制系統,是列車網絡的主要研究方向。

列車通信網絡;實時性;可靠性

First-author’saddress School of Electronics and Information Engineering Tongji University,201804,Shanghai,China

隨著現場總線技術和嵌入式微機控制技術的發展,列車通信網絡系統作為九大關鍵技術之一,成為現代高速列車不可或缺的部分［1］。列車通信網絡,一方面能為列車司機提供信息,對車載設備進行集散式監視、控制和管理,反映列車實時狀態和故障信息,作為行車和檢修的重要參考;另一方面參與到列車的牽引與制動系統中,其信息傳遞的及時性和準確性直接影響著行車安全。因此,現代列車系統對通信網絡的實時性和可靠性要求非常嚴格。國際電工委員會（IEC）第九技術委員會制定了標準IEC 61375-1［2］, IEEE（電氣和電子工程師協會）也制定了車載通信協議標準IEEE Std1473-1999標準,旨在建立列車通信標準,以保證通信網絡的實時性、可靠性。

1 TCN和ARCNET的組成

在為數不多的列車通信網絡中,列車通信網絡（Train Communication Networks,簡為TCN）和計算機網絡輔助資源（Auxiliary Resource Computer Network,簡為 ARCNET）是目前國際上廣泛使用的列車通信網絡。

TCN采用的是兩層拓撲結構,上層為絞線式列車總線（Wire Train Bus,簡為 WTB）,下層為多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus,簡為 MVB）［3］。列車總線用于連接數據采集總線,是列車設備控制、監測與故障診斷的列車級通信網絡;車輛總線用于連接車輛內的各種電氣控制設備,構成車廂級數據采集、控制的車輛級網絡［4］。ARCNET是一種基于令牌傳遞協議的現場總線［5］。由于 ARCNET具有時間確定性、組網靈活性和數據傳輸可靠性等特點,因此非常適合過程實時控制,近年來被廣泛應用于各種自動化 領 域,是一種 理 想 的 現 場 總線 技 術［6］。國 內CRH2型車的列車級網絡已采用 ARCNET網絡［7］,但發展尚未成熟。日本新干線 EZ-1000系列高速列車上也成功應用此網絡。

2 TCN和ARCNET的性能比較

TCN的媒體訪問算法使用采用主從方式下的確定性的介質訪問控制［8］,連接的設備只有在受控的確定時間進行訪問,其優點是有固定的響應時間,缺點是需要列車控制主節點發輪詢幀,總線利用率不高［9］。ARCNET 采用了優化 的令牌總線協議,使用令牌環機制仲裁網絡上節點的訪問［10］,這就不會存在競爭,提高了網絡傳輸效率,使得就算網絡負載重也不會阻塞。

WTB具有其他列車總線不具備的列車編組自適應能力,總線經過初運行過程,對列車進行重新編組,由列車司機插入鑰匙來確定司機室的節點作為總線主節點,按順序給其他節點自動編號,每個節點分配到的地址都是連續的［4］。因此 WTB適合作為頻繁變動編組的列車級總線,這是它最顯著的特色。ARCNET網絡不具備此能力。

對于可靠性,兩種總線都在各自規定的應用條件下具有可靠的檢錯能力。WTB和 MVB具備主設備冗余能力及介質冗余能力。

3 研究方法

本文采用 OPNET Modeler網絡仿真軟件,分析對比TCN和ARCENT兩者的性能特點。

OPNET是世界上最先進的網絡仿真開發應用平臺之一。它基于離散事件驅動模型,具有靈活的系統構架和編程接口,是業內公認的網絡仿真軟件［11］。

OPNET Modeler主要用于設計和研究通信網絡、設備、協議和應用,具有以下特點［12］：

（1）三層建模機制。該軟件提供了網絡層、節點層、進程層三層網絡物件層次。用戶可以針對三個層次,進行任何地方的切入編程,建立模型分析。

（2）基于事件的建模機制。系統仿真時間的推進靠事件驅動進行,在有事件時進行處理,沒有事件時推進仿真時間線,計算時間縮短,效率明顯提高。

（3）混合建模機制。網絡仿真通過 OPNET Modeler中最重要的信息載體——數據包,來模擬通信協議和通信數據,并且結合數學中的統計學方法,在提高仿真速度的同時,使計算精度得到保證。

由于TCN和ARCNET網絡結構較為復雜,節點數目多,并且其特殊的應用環境對誤碼率、控制實時性和可靠性有著極高的要求,因此采用OPNET Modeler軟件分別針對網絡層、節點層和進程層三個層次進行仿真,從而使系統能滿足實際應用中針對網絡、設備和協議層的特性要求。

4 實時性和可靠性分析

利用OPNET建立網絡仿真模型,通過設置不同的節點數目、誤碼率和報文應答等方式對兩種網絡的性能進行對比分析。

4.1 實時性對比

4.1.1 TCN 系統的實時性

利用 OPNET Modeler搭建了 TCN和 ARCNET網絡仿真模型。圖1為TCN的網絡域模型。

圖1 TCN的OPNET網絡域模型

TCN結構主要由 MVB和 WTB組成。node_ 0～node_8分別為3個節點一個編組,形成3組車輛總線,模擬列車的最底層控制觀測節點。上層結構由node_9、node_10、node_11分別模擬3個相同網關節點,實現車輛總線和列車總線的通信。頂層節點node_12模擬列車總線控制中央控制計算機,實時反饋整車各網絡節點的信息。圖2和圖3分別為 MVB總線的傳輸時延與TCN總線最遠端的傳輸時延。

圖2 MVB總線的傳輸時延

圖3 TCN總線最遠距離的傳輸時延

圖2為底層MVB節點的點與點之間的傳輸時延。從試驗數據可以看出,MVB總線端到端的時延為0.16 ms左右。圖3為TCN總線最遠距離的傳輸時延,即node_0到node_8之間的傳輸時延。由記錄波形可以看出,該傳輸時延最大為24 ms。由相關研究可知,以上網絡數據的傳輸時延主要包括源節點發送時延、鏈路傳輸時延、宿節點通信處理時延。鏈路時延主要取決于傳輸距離和傳輸速度,由于 MVB采用雙絞線、光纖等作為介質,節點間距離小,鏈路時延非常小,可以忽略不計。仿真過程中,處理時延顯示為0.16 ms,該數值小于主幀與相應它的從幀時間間隔4 ms。結果顯示最大處理時延為24 ms,雖然時延幅值較大,但是都小于列車控制過程中的響應時間要求100 ms。因此,基于以上分析,TCN的控制網絡滿足列車控制的實時性要求。

4.1.2 ARCNET的實時性

圖4為ARCNET節點模型。網絡模型為該系統特有的雙重環網絡結構。系統擁有兩對收發器receiver1、trasimitter1 和 receiver2、trasimitter2,分別對應主環和備用環。Bursty_gen和sink模塊表示為應用層的協議。tr_mac表示為鏈路層協議,它采用令牌環機制,各個節點通過傳遞令牌來協調網絡使用權。

圖4 ARCNET列車網絡節點建模

系統仿真后,對比沒有節點發送數據時節點獲得令牌的時延和每個節點都發送數據時節點獲得令牌的時延,得到表1所示的數據。

表1 計算結果與仿真結果比較 μs

根據ARCNET實時性的理論分析可知,網絡傳輸的時延主要包括令牌等待時延和傳輸時延。表1針對每個節點獲得令牌的時間進行了計算結果與仿真結果的分析比較。經過對比可以發現,仿真結果與理論計算結果相符,并且都遠小于10 ms,滿足列車工控環境下的實時性要求。

為了分析傳輸延遲時間的影響因素,本文對節點的通信時延進行了具體分析。通過圖5的數據可見：網絡在進行數據包傳輸和查詢幀過程的傳輸延遲分別為53μs和17μs。經過分析可知,其延遲大小主要受數據包大小影響較大。因此,為提高網絡系統的實時性,可以通過減小各環節數據包大小、降低系統負載等一系列方法來優化ARCNET。

圖5 節點的通信時延

4.2 可靠性對比

4.2.1 TCN 的可靠性

由圖6可以發現,系統總線的吞吐量受節點數目影響較大,隨著系統節點數目的增多,吞吐量逐漸增大。當系統只包含3個節點時,系統總線吞吐量在2 500包/s左右;當節點數目為8時,吞吐量在4 500包/s左右。

圖6 TCN總線負載受節點數目的影響

圖7為最遠距離節點間的時延隨節點數目的影響,即node_0到node_8之間端到端的時延?？梢园l現,在節點從0至8變化過程中,最遠距離節點間的端到端時延變化始終保持在24 ms上下,受節點數目影響因素較小。因此,可以得出結論：TCN總線傳輸數據延遲時間相對確定,系統可靠性較高。

圖7 最遠距離節點間的時延受節點數目的影響

4.2.2 ARCNET的可靠性

圖8為網絡切換時系統的換時性能。在初始過程（0～0.034 s）中,系統運行正常。在0.034 s時發生一個事件使得主網中斷,節點1～9發送目的地址為10的數據包,一共15個,節點10接收數據包。由圖8可知,初始時節點10從網絡1接收數據,一共接收11個數據包;在0.04 s發起事件是網絡1中斷后,節點10從網絡2接收數據,一共收到4個數據包;因此節點10總共收到所有15個數據包。因此,可以得知ARCNET在網絡切換過程中,沒有延遲和數據包的丟失,同時還保證快速的響應,確保了列車網絡的高可靠性。

通過上文的對比分析,可以得出如下結論：

（1）ARCNET可靠性高。因為基于令牌結構, ARCNET在出現故障時發生網絡切換,系統不發生丟包現象,并且傳輸延遲穩定。

圖8 網絡切換時的性能

（2）TCN總線實時性高。系統滿足 TCN中規定最高優先權的變量在總線之間延遲小于100 ms。同時,TCN總線隨著節點數的增加,總線的吞吐量顯著增加。此外,TCN對信息傳輸時延相對穩定,滿足列車控制系統這一特殊環境下的實時性要求。

5 結語

基于 OPNET軟件平臺,本文針對列車網絡TCN和ARCNET控制系統,進行了實時性和可靠性分析?？偨Y得出,TCN和 ARCNET由于各自系統結構有所不同,有著不同的通信特性?？傮w表現為,TCN具有較好的實時性,ARCNET具有較高的可靠性。因此,開發同時具有優良的實時性和可靠性的網絡控制系統,是列車網絡的主要研究方向。

［1］ 奚國華,路向陽,夏寅.我國列車通信網絡的實踐與開發探討［J］.機車電傳動,2000（1）：2.

［2］ 張元林.列車控制網絡技術的現狀與發展趨勢［J］.電力機車與城軌車輛,2006,29（4）：1.

［3］ Liu Ming,Zhang Guoyin,Yao Aihong.Extended Petri net based formal modeling and verification of WTB-TCN device［J］.Computer Science and Information Technology（ICCSIT）,2010 the 3rd IEEE International Conference on Volume,2010（8）：110.

［4］ IEC 61375-1 Train Communication Network..International Electrotechnical Committee［S］.

［5］ 孫小盛.CRH2列車通信網絡仿真平臺監控系統的研究與實現［D］.成都：西南交通大學,2012.

［6］ 聶曉波,王立德,申萍,等.ARCNE網絡系統實時性能分析與研究［J］.鐵道學報,2011,33（1）：58.

［7］ 侯世良,譚獻海,孫小盛.基于以太網的CRH2動車組通信網絡仿真研究［J］.鐵路計算機應用,2012,21（10）：35.

［8］ Guo Chaoyong,Liu Jianqiang,You Xiaojie,et al.Modeling and simulation technology for performance analysis of TCN network based on OPNET Modeler ［J］.Information Networking and Automation （ICINA）,2010 International Conference on Volume,2010（1）：1.

［9］ 謝維達,趙亞輝,徐曉松.現場總線與列車通信網絡［J］.工業控制計算機,2002,15（1）：5.

［10］ 左峰,王立德,聶曉波,等.基于 ARCNET的輕軌列車通信網絡［J］.電力機車與城軌車輛,2009,32（6）：27.

［11］ 王文博,張金文.OPNET Modeler與網絡分析 ［M］.北 京：人民郵電出版社,2003.

［12］ 張劍.基于 OPNET仿真建模方 法研究 ［D］.武 漢：武漢 理工大學,2005.

［13］ 符偉杰,劉志剛,何士玉.基于 CAN 總線的軌道交通列車通信網絡仿真研究［J］.城市軌道交通研究,2012（9）：89.

Train TCN and ARCNET Communication Networks Based on OPNET

Zhou Yi,Mao Zhongya

TCN and ARCNET （auxiliary resource computer network）are two most common train communication networks.A modern train communication system has strict requirements for the network because of the specificity of working conditions.To analyze the real-time performance and reliability property,in this paper a simulation of TCN and ARCNET comunication networks is conducted by using the OPNET software.As the result shows,TCN and Arcnet have different characters because of their different structures,TCN has the preferable real-time performance,while ARCNET has better reliability property.

train communication network （TCN）;realtime property;reliability

U 231.7

2013-06-17）