高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

穆俊斌 冀云 孫景輝

摘 要： 現(xiàn)有高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)由于未考慮交換機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時出現(xiàn)的環(huán)路現(xiàn)象，造成網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時的穩(wěn)定性較差，因此對高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，交換機(jī)整體結(jié)構(gòu)由主控制模塊、以太網(wǎng)模塊和POE供電模塊三部分組成。在高精度列車內(nèi)部構(gòu)建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，避免通信時某臺交換機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致其余交換機(jī)不運(yùn)行的狀況發(fā)生；采用快速生成樹協(xié)議算法降低環(huán)網(wǎng)恢復(fù)用時以及數(shù)據(jù)包丟失，促進(jìn)列車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定運(yùn)行；對交換機(jī)連接方式優(yōu)化設(shè)計(jì)時用M12接頭代替以太網(wǎng)接口和USB接口，使交換機(jī)的抗穩(wěn)定能力和列車通信系統(tǒng)各設(shè)備間通信安全性增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高精度列車通信系統(tǒng)中交換機(jī)的環(huán)網(wǎng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)交換機(jī)在高精度列車通信系統(tǒng)中應(yīng)用效果較好，性能佳。

關(guān)鍵詞： 高精度； 列車通信系統(tǒng)； 交換機(jī)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)； 快速生成樹協(xié)議算法

中圖分類號： TN915.05?34； U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0068?04

Abstract： The loop phenomenon occurred during the stable operation of the switcher is not considered in the current high?precision train communication system， resulting in poor stability of network information transmission. Therefore， an optimization design of the switcher is conducted for the high?precision train communication system. The overall structure of the switcher after its optimization design is composed of the main control module， Ethernet module， and POE power supply module. The loop network is constructed inside the high?precision train to avoid the situation that one switcher′s failure causes other switchers′ failure. The fast spanning tree protocol algorithm is adopted to reduce the loop network recovery time and data packet loss， so as to facilitate the stable operation of information transmission in the train internal network. During the optimization for the connection mode of switchers， the M12 connector is used to replace the Ethernet interface and USB interface， so as to enhance the stability of the switcher and the communication security between devices in the train communication system， and realize the loop control of the switcher in the high?precision train communication system. The experimental results show that the designed switcher has a good application effect and performance in the high?precision train communication system.

Keywords： high precision； train communication system； switcher； optimization design； loop network； fast spanning tree protocol algorithm

0 引 言

隨著城市鐵道建設(shè)的不斷發(fā)展，高精度列車如地鐵內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也在高速進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)高精度列車內(nèi)的通信需要采用以太網(wǎng)技術(shù)，其具有數(shù)據(jù)傳輸快、應(yīng)用范圍廣以及設(shè)備兼容性好的優(yōu)勢[1]，成為發(fā)展通信系統(tǒng)的重要應(yīng)用，而交換機(jī)作為實(shí)現(xiàn)通信能力的關(guān)鍵設(shè)備，對其進(jìn)行質(zhì)量、性能和功能上的優(yōu)化改進(jìn)，有利于提升列車內(nèi)通信能力[2]。過去高精度列車通信系統(tǒng)的交換機(jī)未考慮交換機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時出現(xiàn)的環(huán)路現(xiàn)象，造成網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時的穩(wěn)定性較差。為解決該問題，該文對高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)交換機(jī)的應(yīng)用效果，提高高精度列車通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

1 高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該交換機(jī)主要由主控制模塊、以太網(wǎng)模塊和POE供電模塊三部分組成。主控制模塊的構(gòu)成由FPGA處理器和其他設(shè)備構(gòu)成[3]，主要進(jìn)行通信系統(tǒng)的初始化、上層應(yīng)用程序運(yùn)行、設(shè)備的配置和管理工作；以太網(wǎng)主要將系統(tǒng)內(nèi)大量的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；POE供電模塊實(shí)現(xiàn)對通信系統(tǒng)內(nèi)供電設(shè)備的檢測、分級和監(jiān)察等功能。三個模塊相互配合協(xié)作共同構(gòu)成完整的交換機(jī)系統(tǒng)。

1.2 交換機(jī)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使整個由交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)工作更加可靠，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致通信中斷發(fā)生的頻率，本文將交換機(jī)引出的接口互相連接，在高精度列車內(nèi)部構(gòu)建一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)提升網(wǎng)絡(luò)的可信度[4]。交換機(jī)能夠?qū)ε渚W(wǎng)進(jìn)行故障診斷，且支持環(huán)網(wǎng)冗余能依照IEEE 803.1W準(zhǔn)則準(zhǔn)確得到快速生成樹協(xié)議算法，該算法可確保高精度列車內(nèi)交換機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時不出現(xiàn)環(huán)路，同時確保列車內(nèi)以太網(wǎng)總線的冗余性[5]。

生成樹協(xié)議算法采取關(guān)閉、阻塞、監(jiān)聽、學(xué)習(xí)以及轉(zhuǎn)發(fā)等方法對交換機(jī)進(jìn)行智能化管理[6]，對不同端口說明如下：

1） 阻塞：僅能獲取交換網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)包且無法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；

2） 監(jiān)聽：交換機(jī)對環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的各個路線進(jìn)行確認(rèn)，該過程需要15 s左右，但使用者不可進(jìn)行MAC地址學(xué)習(xí)也不可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，只能接收交換網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)；

3） 學(xué)習(xí)：該過程持續(xù)15 s，但使用者不可發(fā)送數(shù)據(jù)包可以交換網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)和MAC地址學(xué)習(xí)；

4） 轉(zhuǎn)發(fā)：使用者數(shù)據(jù)包和交換網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)均可被轉(zhuǎn)發(fā)且MAC地址可進(jìn)行學(xué)習(xí)；

5） 禁用：不接收也不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)支持快速生成樹協(xié)議算法，該算法相較于生成樹算法缺少了監(jiān)聽和學(xué)習(xí)，這兩種狀態(tài)會造成一定時間的延遲，會對高精度列車中其他設(shè)備的使用帶來影響，但快速生成樹協(xié)議算法縮短了環(huán)網(wǎng)的恢復(fù)用時，降低了數(shù)據(jù)包的丟失。

1.3 交換機(jī)連接方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

在交換機(jī)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為使本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)更加符合EN50155鐵路設(shè)備抗震動以及電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)[7]，對交換機(jī)的連接方式采用安全有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)將過去的以太網(wǎng)接口和USB接口用M12接頭代替，加強(qiáng)交換機(jī)在強(qiáng)烈震動時的安全性，提升設(shè)備間通信能力。

1.4 交換機(jī)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)

1.4.1 FLASH接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

交換機(jī)軟件驅(qū)動層主要對交換機(jī)中硬件FLASH的讀寫、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及SMI接口對交換機(jī)芯片進(jìn)行操作，F(xiàn)LASH驅(qū)動包括進(jìn)行FLASH初始化[8]、復(fù)制和讀寫等操作，F(xiàn)LASH驅(qū)動提供7個API函數(shù)，如表1所示。

1.4.2 環(huán)網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)

本文實(shí)現(xiàn)交換機(jī)環(huán)網(wǎng)控制，基于高精度列車以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)實(shí)施動態(tài)規(guī)劃，環(huán)網(wǎng)控制分為網(wǎng)絡(luò)路徑控制線程和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收線程[9]。

網(wǎng)絡(luò)路徑控制線程主要用于發(fā)送報(bào)文和檢查交換設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)采取不同的控制手段[10]，控制過程如下：

1） 心跳檢測報(bào)文和環(huán)路檢測發(fā)送，向中繼口發(fā)送的僅有環(huán)路檢測報(bào)文；

2） 判斷交換機(jī)中繼口鏈路物理性質(zhì)是否發(fā)生變化，若發(fā)生變化，將結(jié)果發(fā)送給通信系統(tǒng)中其他交換機(jī)，執(zhí)行步驟4）操作，反之進(jìn)行步驟3）；

3） 交換機(jī)對心跳檢測報(bào)文的超時標(biāo)識和鏈路通知報(bào)文接收標(biāo)識有效識別，表明需重新進(jìn)行環(huán)網(wǎng)鏈路規(guī)劃，并進(jìn)行下一步操作，反之到步驟7）；

4） 當(dāng)心跳檢測報(bào)文超時標(biāo)識和中繼口鏈路物理狀態(tài)同時改變時，應(yīng)將交換機(jī)自身全部接口封閉，將所有交換機(jī)進(jìn)行同步控制，并進(jìn)行下一步操作；

5） 交換機(jī)將上行中繼口進(jìn)行阻塞保持下行中繼口通暢，并在某個同步時間周期性的發(fā)送環(huán)路檢測報(bào)文，根據(jù)MAC地址交換機(jī)接收來自其他環(huán)路檢測報(bào)文；當(dāng)交換機(jī)接收來自身的檢測報(bào)文時，表示網(wǎng)絡(luò)路徑中存在物理環(huán)路，應(yīng)固定待阻塞端口降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的出現(xiàn)概率，根據(jù)檢測報(bào)文中的端口號確定待阻塞端口，并進(jìn)行下一步操作；

6） 將交換機(jī)上行中繼口打開維持正常通信，在同步等待時間期間將中繼口的MAC地址學(xué)習(xí)表刪除，降低正常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的概率，并進(jìn)行下一步；

7） 若交換機(jī)獲取超時信號量延時，返回步驟1），延時期間獲取報(bào)文可直接進(jìn)入步驟1），重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃。

通過以上7個步驟共同對網(wǎng)絡(luò)路徑控制線程控制，實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)的環(huán)網(wǎng)控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)將本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)放入高低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，將溫度迅速升至85 ℃，測試2 h，測試結(jié)束后在正常室溫下運(yùn)行該交換機(jī)，結(jié)果為正常運(yùn)行說明本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)可以抵抗高溫環(huán)境進(jìn)行正常工作，應(yīng)用范圍較廣。

實(shí)驗(yàn)采用靜電測試對本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)進(jìn)行檢測，判斷本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)的抗干擾能力，靜電測試分為接觸放電和空氣放電兩種。測試標(biāo)準(zhǔn)參照EN61000?4?2的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)測得本文設(shè)計(jì)交換機(jī)可以在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中正常運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

通過測試鏈路質(zhì)量的方式驗(yàn)證本文交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，圖2為鏈路發(fā)送4種數(shù)據(jù)包測試結(jié)果。

測試的固定長度數(shù)據(jù)包大約50 kB，長度逐漸增大，數(shù)據(jù)包大小在1～65 kB間。從圖2中可以看出，交換機(jī)發(fā)送固定長度數(shù)據(jù)包的通信速率大約為10 720 kB/s，交換機(jī)發(fā)送長度逐漸增大數(shù)據(jù)包的通信速率不斷變化，且隨著數(shù)據(jù)包的增大而變慢。當(dāng)數(shù)據(jù)包大小為一定值時，通信速率不再發(fā)生變化。從測試結(jié)果可以看出，超時個數(shù)和錯誤個數(shù)均為0，說明本文設(shè)計(jì)的高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)具有較好的應(yīng)用效果。

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的交換機(jī)軟件的網(wǎng)絡(luò)性能，對CPU端口進(jìn)行測試，對CPU端口的網(wǎng)絡(luò)性能測試?yán)肔evel 1進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)丟包、超時和速率進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)交換機(jī)的丟包率和超時率分別為2.15‰和1.12‰，該數(shù)值非常小說明本文設(shè)計(jì)交換機(jī)的丟包率和超時率極低，且傳輸速率達(dá)到平均水平的1.7 MB/s，說明交換機(jī)軟件網(wǎng)絡(luò)性能良好，符合高精度列車通信系統(tǒng)的要求。

3 結(jié) 論

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的高精度列車通信系統(tǒng)交換機(jī)可以在環(huán)境較為惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行，電磁兼容性效果較好且交換機(jī)的鏈路通信狀況良好，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的高精度列車通信系統(tǒng)應(yīng)用效果顯著。

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