基于以太網(wǎng)的城軌列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能分析

譚文舉

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西南寧530025）

基于以太網(wǎng)的城軌列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能分析

譚文舉

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西南寧530025）

以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在城市軌道交通列車上，而不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對列車的通信質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)IEC61375構(gòu)建了四種應(yīng)用數(shù)據(jù)，仿真分析了總線性、環(huán)形和梯形三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其網(wǎng)絡(luò)時延、鏈路負(fù)載和鏈路利用率進(jìn)行了比較；通過分析比較得出：在相同的負(fù)載下，梯形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)于線型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；研究結(jié)果為基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了參考。

城軌列車；以太網(wǎng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著城市軌道交通列車技術(shù)的發(fā)展，通過車載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)整列車的實時控制和各類信息的傳遞已成為今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。實際運用表明，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅可以節(jié)省列車車載走線、減輕列車總重，并且可以提高系統(tǒng)的集成度、可靠性和可維護(hù)性[1]。

城軌列車需要應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)列車控制和服務(wù)功能，主要涉及司機指令（牽引/制動）控制，司機顯示屏控制，主變和輔變、防空轉(zhuǎn)/防滑行、列車信號通信控制、故障的診斷及記錄，及通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，例如車門的控制、暖通空調(diào)控制、音視頻通信、照度控制和防火報警等。這就需要列車通信網(wǎng)絡(luò)具有大的通信容量、實時性、可靠性和較好的可維護(hù)性?，F(xiàn)有的列車通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足這種大容量、實時性的要求。以太網(wǎng)以其高帶寬、低成本、通用性強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的TCN、CAN等總線技術(shù)應(yīng)用在城市軌道交通列車的通信網(wǎng)絡(luò)中[2]。為了構(gòu)建合理可靠的城軌列車以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，本文把以太網(wǎng)交換技術(shù)引入列車通信網(wǎng)絡(luò)中，通過仿真方式，分析了總線性、環(huán)形和梯形三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其網(wǎng)絡(luò)時延、鏈路負(fù)載和鏈路利用率進(jìn)行了比較分析。

1 基于以太網(wǎng)的城軌列車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議，使用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為列車級主干網(wǎng)（Ethernet Train Backbone，ETB）和編組網(wǎng)（Ethernet Consist Network，ECN）。主干網(wǎng)貫穿整個列車，實現(xiàn)列車級網(wǎng)絡(luò)管理與控制、VLAN劃分、優(yōu)先級控制、動態(tài)組網(wǎng)等功能。編組網(wǎng)包括單節(jié)、兩節(jié)、三節(jié)或更多車輛組成固定編組時，車輛內(nèi)部及跨車組網(wǎng)，負(fù)責(zé)本節(jié)或本組車輛各接入節(jié)點設(shè)備的數(shù)據(jù)管理，以及本節(jié)或本組車輛的網(wǎng)絡(luò)管理。主干網(wǎng)由0、1、2或多個ECN網(wǎng)組成。對于固定編組運營的城軌列車，可以忽略主干網(wǎng)，全列車簡化為一ECN網(wǎng)絡(luò)。為了提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，網(wǎng)絡(luò)采用冗余技術(shù)。

構(gòu)成基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有兩種：總線技術(shù)和交換技術(shù)?？偩€技術(shù)的主要特點是多個終端設(shè)備連接同一個數(shù)據(jù)傳輸媒介（如TCN、CANopen等）；而交換技術(shù)的主要特點是每一個終端設(shè)備都和交換機連接，能夠在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部主動的傳輸用戶數(shù)據(jù)。本文重點研究以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的交換技術(shù)。

應(yīng)用交換技術(shù)時，列車通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中列車級交換節(jié)點（即列車級交換機），具有ETB和ECN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，即列車級和編組級網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（EndDevice，ED）包括各種傳感器、接入節(jié)點、中心接點、診斷服務(wù)主機和車載無線通信平臺等接入車載交換機提供數(shù)據(jù)源的多種設(shè)備。列車級ETB和編組級ECN網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備之間的通信接口規(guī)范和協(xié)議涉及到OSI的第一層至第七層協(xié)議。

圖1 基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于交換技術(shù)組網(wǎng)，交換機成為網(wǎng)絡(luò)通信的中間橋梁，所有終端設(shè)備直接與交換機連接，每個交換機至少包含兩個端口（接受數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)），這樣能實現(xiàn)從一個端口接收數(shù)據(jù)然后轉(zhuǎn)發(fā)給另一個特定端口，或者以廣播的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到整條鏈路，從而實現(xiàn)了終端設(shè)備與交換機之間或者各交換機內(nèi)部的點到點通信。當(dāng)交換技術(shù)應(yīng)用在城軌列車通信網(wǎng)絡(luò)中時，為了實現(xiàn)不同等級的冗余，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有總線型、環(huán)型和梯型三種，如圖2所示。

圖2 基于交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 城軌列車通信網(wǎng)絡(luò)建模分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模

利用OPNET仿真模型庫，根據(jù)列車編組規(guī)格，設(shè)置6節(jié)車廂，采用4節(jié)動車和2節(jié)拖車的編組方式，每節(jié)車廂配置一臺以太網(wǎng)交換機，每臺交換機接4個工作站，分別用來模擬過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、音視頻流數(shù)據(jù)和“盡力而為”數(shù)據(jù)，第一臺交換機與服務(wù)器相連[3-5]。構(gòu)建總線性、環(huán)型和梯形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對于三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別創(chuàng)建總線型、環(huán)型和梯型三個網(wǎng)絡(luò)場景，采用帶寬100 M以太網(wǎng)傳輸。設(shè)置兩個FTP應(yīng)用業(yè)務(wù)模擬過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)置兩個Video Conference應(yīng)用業(yè)務(wù)模擬音視頻流數(shù)據(jù)和“盡力而為”數(shù)據(jù)的傳輸。仿真時間設(shè)定60 mins，以太網(wǎng)時延、服務(wù)器時延、服務(wù)器負(fù)載和點對點吞吐量仿真結(jié)果如圖4-圖7所示。

圖4 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時延

圖5 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的服務(wù)器時延

圖6 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的服務(wù)器負(fù)載

圖7 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點對點鏈路利用率

2.2 仿真結(jié)果分析

從圖4可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定以后，梯型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時延最小，比環(huán)型結(jié)構(gòu)小15.6%，比線型結(jié)構(gòu)小30.9%，且服務(wù)器時延最小，并且最穩(wěn)定。而線型結(jié)構(gòu)的服務(wù)器時延最大，最不穩(wěn)定，如圖5所示。從圖6可知，服務(wù)器的負(fù)載相差不大，梯型結(jié)構(gòu)的負(fù)載略小。從圖7可以看出三種結(jié)構(gòu)中，服務(wù)器和交換機之間的鏈路利用率基本相同，都小于10%，能夠滿足城軌列車通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆＞C合以上結(jié)果可以得出，在相同的列車車載傳輸環(huán)境下，梯型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能明顯優(yōu)于環(huán)型結(jié)構(gòu)和總線型結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

本文把交換技術(shù)引入以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)中，分析了三種常見城軌列車車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并借助OPNET仿真軟件對三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，得出了梯型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能明顯優(yōu)于環(huán)型和總線型結(jié)構(gòu)。對城軌列車部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，降低網(wǎng)絡(luò)時延、提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，從而保證列車安全、可靠、高效運行具有的指導(dǎo)意義。

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[3]符偉杰，劉志剛，吳娟，等.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[J].城市軌道交通，2012，15（12）：69-77.

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The Performance Analysis of Topologies of Metro Train Based on Ethernet

TAN Wen-ju
（Nanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，Nanning 530025，China）

Ethernet technology has been gradually applied in urban rail transit train，and network topologies can have different impact on the train communication network.Four kinds of application dates have been built according to IEC61375in this paper.Three network topologies which included liner，ring and ladder were simulated with the OPNET modeler.Then，the network delay，network load and the link utilization were compared in the simulation.According to the comparison，the ladder network topology is more superior than that of the linear and the ring network topology under the same load.The results could provide the reference value of the construction of the train network topology based on Ethernet.

urban rail transit train；ethernet；topology structure

TP391.9；U260

：A

：1672-545X（2017）01-0112-04

2016-10-04

譚文舉（1972-），男，廣西來賓人，高級工程師，研究方向：軌道交通機電系統(tǒng)監(jiān)測與控制。