基于時間序列的列車以太網多指標綜合性能評估

李興國 王登銳 鑒紀凱 王朝 王淼

摘? 要：現代列車正朝著舒適智能的方向發展，傳統的總線式技術已經不能滿足大容量、高速率的通信需求，列車以太網成為列車控制網絡的主要發展趨勢。為評估列車以太網的網絡運行健康狀況，本文結合某型列車的網絡拓撲，選取時延、抖動、丟包率與可利用帶寬作為評估指標，提出了一種基于時間序列的多指標綜合性能評估模型，對列車內各子系統和整體網絡的性能進行評估。最后在實際列車中進行評估實驗，實驗證明，該方法能夠有效反映以太網列車網絡運行的健康狀況。

關鍵詞：列車以太網? 列車控制網絡? 評估指標? 性能評估

中圖分類號：U266? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（b）-0092-05

Multi-Index Comprehensive Performance Evaluation of Train Ethernet Based on Time Series

LI Xingguo1? WANG Dengrui2*? JIAN Jikai1? WANG Zhao1? WANG Miao1

（1. CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong Province， 266111 China;2. School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing， 100044? China）

Abstract： The modern train is developing towards to the direction of comfort and intelligence. The traditional bus technology has not been able to meet the communication requirements of large capacity and high speed. So the train Ethernet has become the main development trend of train control network. In order to evaluate the operation performance of train Ethernet， a multi index comprehensive performance evaluation model based on time series is proposed in the paper. On the basis of a train network topology， delay， jitter， packet loss rate and bandwidth was selected in the model to evaluate the performance of each subsystem and the whole network in the train. Finally， an evaluation experiment is carried out in a metro train running over Ethernet， which effectively reflects the health status of Ethernet train network.

Key Words： Tain Ethernet; Train control network; Evaluation index; Performance evaluation

隨著城軌列車技術不斷發展，其通信數據激增，傳統的總線式技術已經難以適應這種智能化的發展需求，而列車以太網技術因其數據容量大、數據傳輸速率高以及具有很強的兼容性等優點，已經受到了越來越多的關注，逐漸成為新一代列車控制網絡的核心技術。然而列車以太網的網絡狀態波動較大，如何設計具體的健康評估方法使運維人員能夠獲得對網絡狀態的全面感知，是目前亟需解決的關鍵問題。

本文在已有知識體系的基礎上，設計了一種基于時間序列的多指標綜合性能評估模型，該模型首先對列車內不同子系統進行健康度定量評價，然后基于所設計的數據融合算法將各子系統的健康評估結果映射為整體網絡的健康態勢。該模型的評估結果可向現場列車網絡維護人員提供基本的維保參考，同時也可為下一步的故障診斷提供相應的研究基礎。

1? 以太網性能評估指標研究

1.1 列車網絡拓撲

本文基于以某型實際運行的以太網地鐵列車網絡拓撲為研究對象，該網絡拓撲采用雙設備冗余結構與環形拓撲保證網絡通信的可靠型，采用百兆以太網保證通信的實時性[1]，整個拓撲包含2個列車級交換機（T1、T2）、4個車輛級交換機（T3-T6）以及若干子設備節點，其中列車級交換機用于不同車輛編組間的通信，車輛級交換機掛載不同列車子設備用于車輛編組設備間的通信[2]，整個拓撲符合以太網拓撲及列車網絡拓撲雙重規范，簡略結構如圖1所示。

1.2 評估指標選取

傳統的網絡性能評估指標包括鏈路利用率、時延、抖動、吞吐量、丟包率等[3]，但是列車以太網運行環境較為復雜，實際采集指標過程中可能會受到某些技術條件的制約，并且車載環境中各種數據傳輸的實時性與可靠性是必須關注的問題[4]，在綜合考量以上兩種情況的前提下，結合IEC61375-3-4[10]中的相關列車以太網規范，本文選取時延、抖動、丟包率和可用帶寬作為核心的綜合性能指標，其中時延和抖動指標主要用于反應數據傳輸的實時性，丟包率與可用帶寬主要用于反應數據傳輸中的可靠性問題。評估指標體系如圖2所示。

1.3 評估指標數據處理

在實驗列車中采集的原始指標評估數據來自不同的子系統，且不同指標之間量綱不同，為消除原始臟數據單位與尺度間差異的影響，本文通過z-score的標準化方法對采集的原始指標數據進行處理，通過去中心化的方式有效減少大數值指標對小數值指標的淹沒現象，并盡量降低極端值和異常值的影響，使各指標量在健康評價模型構建過程中具有均等貢獻度。標準化公式如下：

（1）

式中，N代表樣本數量，μ代表樣本平均值，σ代表樣本方差。

2? 以太網性能評估模型研究

傳統的網絡性能評估模型往往針對局部系統開展，如使用分類算法等，然而在列車運行中，其所評估的對象是車輛上復雜的分布式網絡系統，該網絡系統由多個子系統構成，根據車載子系統的不同及分析指標的不同，也需要從不同的時間及空間維度評估其性能[7]。

2.1 子系統性能評估模型

本文定義健康值與子系統健康程度呈正相關，即健康度越高，所評價的子系統越健康，相反則表示該子系統的性能越差。根據評估指標的性質不同，將其劃分成兩類：正指標與負指標，指標值與健康值正相關的指標稱為正指標，指標值與健康值負相關的指標稱為負指標[8]。其中，時延、抖動以及丟包率為負指標，其數值越大說明該子系統的運行越不正常，可能會給列車以太網正常運行帶來負面影響;相反，可利用帶寬是正指標，其值越大表明該子系統運行狀態越好。

將n個不同列車子系統在t個不同的時間段內的某一具體指標組成n×t的樣本矩陣，用矩陣A表示，如公式（2）所示：

（2）

A的維度為n×t，矩陣的行值以時間為變量，表示相同子系統隨時間變化的指標測量值，列值以子系統為變量，代表特定時間段內不同子系統的指標測量值。利用式（1）對矩陣A進行標準化，計算出模型所需的相對數據，稱為功效值。

將樣本指標值轉化為功效值后，針對某一時間間隔T，采用功效函數將不同子系統的功效值映射成子系統的健康性能評估值，評估列車中子系統的健康狀況，該值也適用于列車不同子系統之間的縱向比較，功效函數的計算方法如式（3）、式（4）、式（5）。

（3）

（4）

（5）

公式（3）中，Q（Lj）表示第j個列車子系統的評估指標，k表示選取指標總個數，ωi表示各i項指標權重，dij代表第j個子系統的第i項正指標的功效值，dij代表第j個子系統的第i項負指標的功效值。式（4）、式（5）中，xij代表第j個子系統第i項指標值，xi（h）代表第i項指標的最優值，xi（s）代表第i項指標的最劣值，其中最劣值的含義是指標在測量過程中出現的對應指標含義上的最差的情況，最優值是指在測量過程中能夠出現的對應指標含義最好的情況。最終得出的列車子系統的性能評估值越高，表明該子系統越健康，系統運行性能越好，反之則越不健康。

2.2 網絡整體性能評估模型

通過上節中功效函數的映射可以計算出對應的性能值矩陣，并且計算過程中有效地將4個不同性能指標進行了數據融合處理。若時間間隔T設置為10s，便可以將原始的數據劃分成10s的時間片，并計算這些時間片內不同子系統的性能矩陣，得到不同時間片內不同子系統的健康狀況評價值。

依據上述的方法完成對多個指標在不同子系統中的表現評估后，需要將這些評估結果拓展融合至整體的網絡上層指標評估中，此時將網絡全部子系統的健康度通過全網數據融合模型進行計算便可得到網絡整體健康態勢。該模型如下所示：

（6）式中，QN代表列車以太網整體網絡的性能評估指標，n代表列車中子系統數量，ωi代表不同子系統的在整體網絡中所占的權重。

對列車以太網整體網絡中不同的子系統可根據需要賦予不同的權重[9]，從而更合理的評估整個列車以太網的健康狀況。依據該型列車網絡系統資料中對不同子系統數據優先級的設定以及IEC61375-3-4[5]和IEC61375-2-3[11]相關標準，同時結合設備廠商專家經驗指導，本模型設計子系統的權值如表1所示。

通過公式（6）的計算，結合上述的子系統權重分配，最終可以得到該列車以太網整體網絡健康評估結果。評估值采用百分制，范圍為0～100分，分數越高代表網絡健康程度越好。

3? 實驗分析

3.1 實驗環境

在實車實驗中，通過Iperf軟件對網絡進行實時測試，并通過被動抓包的方式，使用TAP（Test Access Point）設備從線路中抓取網絡中各類報文，TAP設備所抓取的設備匯聚輸出至個人計算機，個人計算機中利用Wireshark軟件對報文進行保存，最終得到多個測試報文及Iperf測試記錄文件。

3.2 以太網性能評估

3.2.1 子系統性能評估

評估之前需要對抖動、可利用帶寬以及丟包率的權值進行評定，按照工程經驗與多次測量結果，確定權值為5，1，1。實驗中設置時間間隔為10s，最后得出各子系統在10～50s的5個時間段內的性能評估值，如圖3所示。

可以得到，列車上關鍵子系統A、C、D均表現較為優異，評估時段內健康度均達到90分以上，次重要子系統的健康態勢則會出現較大的波動，如子系統B的健康值變化區間達到30分，此類子系統主要用于于列車的視頻通信等，對車輛的正常行駛影響較小，可以選擇性的對這些子系統進行檢查維護。

最后，性能評估模型將所有時刻的健康度取平均值，得到測量全過程中各個子系統的健康程度，其結果如圖4所示。

3.2.2 整體網絡評估

對列車中子系統的不同系統賦以不同的權值，可以得到列車總體的網絡健康情況，其中權值的確定按照列車網絡要求進行評定（見表1），最后將所有時刻的健康度取平均值得到，列車網絡在測量全時刻的總體健康度狀態，結果為90.40分，詳細結果如圖5所示。

3.3 結果分析

針對某一特定子系統，不同時間片的綜合健康度評估結果體現了該系統在時間維度上的健康度變化情況，可以直觀地觀察出該系統的健康變化趨勢。針對某一特定的時間片，通過不同的子系統的最終健康度得分也可以對比不同子系統的健康度差異，找到列車控制網絡中出現的短板，采取針對性的措施提升整體網絡性能。最終，將不同子系統在不同時間片的健康度融合可以得到測試全時刻的子系統健康度，根據相應子系統的權值可以得到網絡的全時刻健康度。

4? 結語

本文從當前列車內網絡管理的需求出發，提出了基于時間序列的多指標綜合評估模型，該模型能夠綜合地評估列車各子系統及整體網絡的健康狀況，并且可以依據不同的策略分析不同子系統之間的健康度差異以及同一子系統在時間維度上的健康變化趨勢。通過實車實驗證明，提出的基于時間序列的多指標綜合評估模型可以很好地完成對各子系統和整體網絡的性能評估、不同子系統之間的縱向健康狀況差異對比以及相同子系統在時間維度上的橫向健康狀況變化規律。

參考文獻

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