地鐵列車的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)研究

石艷紅，楊 杰 ，張 杰，耿曉晗

（ 1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)部， 青島 266111；2. 北京交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)管理研究中心， 北京 100044 ）

目前，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)具備通信速度快、帶寬高，組網(wǎng)靈活、成本低的優(yōu)勢(shì)，是地鐵列車上車載通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)際電工委員會(huì)先后制定了以太列車骨干網(wǎng)協(xié)議（IEC61375-2-5）和以太列車編組網(wǎng)協(xié)議（IEC61375-3-4）。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)是一種不確定性網(wǎng)絡(luò)，原因是采用沖突檢測(cè)載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)訪問(wèn)（CSMA/CD）這種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，使得可靠性、實(shí)時(shí)性較差。很多組織或公司在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，誕生了Profinet RT、Ethernet POWERLINK、EtherNet/IP、ModBus TCP、EtherCAT等實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)。

本文針對(duì)ProfinetRT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議特點(diǎn)，采用基于優(yōu)化了協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和使用時(shí)分多路復(fù)用協(xié)議的等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小于2 ms，滿足地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性需求。

1 基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 影響以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的主要因素

根據(jù)IEC 61375關(guān)于列車以太網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，數(shù)據(jù)分類及時(shí)延要求如表1所示。通過(guò)研究分析[3-4]，影響以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的主要因素有：

（1） 網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制；

（2）通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制；

（3）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的媒體訪問(wèn)控制（MAC）沖突；

（4）通信數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；

（5）以太網(wǎng)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

（6）網(wǎng)絡(luò)硬件性能。

數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間長(zhǎng)度主要取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，當(dāng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)幀過(guò)載時(shí)，傳輸時(shí)延及處理器計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)而發(fā)送時(shí)延也變長(zhǎng)，最終使得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性受到嚴(yán)重影響。

1.2 PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議

對(duì)于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議，CSMA/CD傳輸機(jī)制導(dǎo)致傳輸有不確定性，無(wú)法控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延性能。由PROFIBUS國(guó)際組織（PI，PROFIBUS International）推出的PROFINET[5-6]實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案。它通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)協(xié)議棧的第2層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)尋址，極大地減少了數(shù)據(jù)在通信協(xié)議棧中的處理時(shí)間。與傳統(tǒng)的尋址方法不同（通過(guò)IP地址實(shí)現(xiàn)），它通過(guò)接收設(shè)備的MAC地址尋址，同時(shí)，它與其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在同一網(wǎng)絡(luò)中能夠兼容。PROFINET通信協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)分類及時(shí)延性能

圖1 通信協(xié)議架構(gòu)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的通信協(xié)議架構(gòu)能夠允許3種通信方式：TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信，實(shí)時(shí)通信，以及等實(shí)時(shí)通信。

（1）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信：利用傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)通道，主要傳輸對(duì)時(shí)間要求不高的數(shù)據(jù)。比如，列車各設(shè)備初始化數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取、非周期數(shù)據(jù)傳輸、通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)等；

（2）實(shí)時(shí)通信：為了符合實(shí)時(shí)性要求，優(yōu)化了傳統(tǒng)的通信通道。在實(shí)時(shí)通信的通道中，去除了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，直接建立應(yīng)用層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的聯(lián)系，因此，極大地減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)；

（3）等實(shí)時(shí)通信：為了滿足對(duì)時(shí)間要求苛刻的數(shù)據(jù)傳輸。比如，控車數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)的周期性傳輸?shù)?，傳輸?shù)據(jù)的周期可以小于1 ms。

1.3 時(shí)分復(fù)用機(jī)制

為了確保實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸功能，分時(shí)復(fù)用機(jī)制將通信周期分為等實(shí)時(shí)（IRT）通道和開(kāi)放通道兩個(gè)部分，如圖2所示。IRT數(shù)據(jù)在IRT通道時(shí)間段內(nèi)傳輸，而其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則在開(kāi)放通道時(shí)間段傳輸，傳輸過(guò)程中，依次傳輸、互不影響。

圖2 通信周期

實(shí)時(shí)（RT）通道經(jīng)過(guò)優(yōu)化協(xié)議的軟件實(shí)時(shí)控制，旁路掉TCP/IP層，使通信性能進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)時(shí)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)IEEE 802.1Q/P對(duì)報(bào)文定義了優(yōu)先級(jí)，APDU域用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備和數(shù)據(jù)狀況（例如：運(yùn)行，停止，出錯(cuò)），網(wǎng)絡(luò)類型與幀類型標(biāo)識(shí)符的結(jié)合可對(duì)實(shí)時(shí)幀進(jìn)行識(shí)別，用以太網(wǎng)類型和幀類型標(biāo)識(shí)符將幀分配到相應(yīng)信道。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀

IRT通道通過(guò)對(duì)硬件的操作實(shí)現(xiàn)，基于IEEE1588精確時(shí)間同步協(xié)議、專用集成電路（ASIC）實(shí)時(shí)交換芯片，從而減少數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀如圖4所示。等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的傳輸確定性很大程度上取決于幀類型、網(wǎng)絡(luò)類型。與實(shí)時(shí)幀不同，它不使用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）標(biāo)簽分配優(yōu)先級(jí)。

圖4 等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀

在實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀中，以太網(wǎng)類型字段用Ox0800表示IP幀，若值為 0x8892代表實(shí)時(shí)幀，幀類型字段標(biāo)識(shí)傳輸數(shù)據(jù)的類型，即周期性數(shù)據(jù)和非周期數(shù)據(jù)。

如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配有以太網(wǎng)接口，且需要將所有PROFINET協(xié)議中要求的功能都集成到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，只需要對(duì)通信棧進(jìn)行擴(kuò)張，而無(wú)需更改現(xiàn)有硬件，即可在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器上集成PROFINET網(wǎng)絡(luò)。

2 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照IEC61375-2-5和IEC61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)了基于PROFINET協(xié)議的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

列車通信網(wǎng)絡(luò)分為列車級(jí)和車輛級(jí)編組兩層網(wǎng)。列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用雙線冗余的機(jī)制。圖5中，中央控制單元設(shè)在司機(jī)室，列車級(jí)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)可以是0、1個(gè)或多個(gè)。數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)增加中繼器；車輛級(jí)編組網(wǎng)可以跨越多個(gè)車廂，一般采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)通常是星型結(jié)構(gòu)，主要包括：牽引控制裝置、制動(dòng)控制裝置、輔助電源、門(mén)控單元等列車網(wǎng)絡(luò)控制單元。

圖5 基于PROFINET的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)模型

依據(jù)圖論的觀點(diǎn)[7]，任何一個(gè)指定的網(wǎng)絡(luò)都可以抽象成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型G，并且模型G包含節(jié)點(diǎn)集V(G)和邊集E(G)，即：

通過(guò)確定性網(wǎng)絡(luò)演算理論可知，端到端延遲的上界是傳輸路徑上網(wǎng)絡(luò)單元延遲上界之和。用4元組T[S,A,P,D]表示列車網(wǎng)絡(luò)中的通信任務(wù)，其中：S表示任務(wù)的源節(jié)點(diǎn)；A表示任務(wù)的目的節(jié)點(diǎn)；P表示任務(wù)的周期；D表示任務(wù)的截止期。任務(wù)T在某條路徑上的時(shí)延可通過(guò)式（1）計(jì)算。

圖6為地鐵列車網(wǎng)絡(luò)的模型圖。

圖6 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)模型

圖6中，通信任務(wù)T是節(jié)點(diǎn)V0～V7，源節(jié)點(diǎn)V0代表中央控制單元和列車級(jí)交換機(jī)1的特性，節(jié)點(diǎn)V1～V6為地鐵列車網(wǎng)絡(luò)中的車輛級(jí)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，作為過(guò)程節(jié)點(diǎn)；目的節(jié)點(diǎn)V7代表設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列車網(wǎng)絡(luò)控制單元6。

2.3 地鐵列車網(wǎng)絡(luò)及時(shí)可靠度分析

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)可靠度

依據(jù)圖6所示的列車網(wǎng)絡(luò)模型，按照傳輸時(shí)延的算法[8]，針對(duì)通信任務(wù)T，存在兩種路徑，即：路徑R1（V0→e1→V1→e3→V2→e8→V7）和路徑R2（V0→e1→V1→e2→V3→e4→V5→e5→V6→e6→V4→e7→V2→e8→V7），根據(jù)公式（1），路徑R1和R2的延時(shí)分別為D1和D2：

對(duì)通信任務(wù)T而言，若路徑的時(shí)延小于等于任務(wù)的截止期限，則此路徑表示可行，反之，此路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無(wú)效，因此，用任務(wù)路徑時(shí)延Di的權(quán)函數(shù)f(Di)來(lái)表示。

在列車通信網(wǎng)絡(luò)中，至少有一條路徑時(shí)延小于消息截止期，且經(jīng)過(guò)的鏈路和節(jié)點(diǎn)均可用。列車通信網(wǎng)絡(luò)的及時(shí)可靠度R表示為：

采用邊擴(kuò)張（EE，Edge Expansion）構(gòu)造二元決策圖（BDD）結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)鏈路的及時(shí)可靠性。依據(jù)文獻(xiàn)[9]給出的邊擴(kuò)張圖（EED，Edge Expansion Diagram）方法，利用BDD 結(jié)構(gòu)遞歸求解單條鏈路的及時(shí)可靠度，公式（3）可表示為：

2.3.2 及時(shí)可靠度分析

本文考慮的列車網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路“正?！睍r(shí)的傳輸上限延時(shí)約為0.03 ms，“故障”時(shí)約為0.069 ms?？梢栽O(shè)置任務(wù)T的截止期D為1 ms。帶入上述的公式（2）中分析，由于無(wú)論哪種情況下，時(shí)延均滿足截止期D，所以：

兩條路徑均可傳輸數(shù)據(jù)。

車廂控制單元1和車廂控制單元2之間的鏈路“正?！备怕蕿?99%，其他鏈路正常的概率為98%，帶入上述的公式（4）中，及時(shí)可靠度為：

經(jīng)過(guò)BDD結(jié)構(gòu)遞歸求解單條鏈路的及時(shí)可靠度公式驗(yàn)證，鏈路“正?！?概率分別為99%、90%，但是及時(shí)性可靠度相差0.001?？梢?jiàn)，只要保證鏈路正常的情況下，經(jīng)過(guò)IRT協(xié)議優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)，可達(dá)到實(shí)時(shí)性小于1 ms的要求，足以滿足本課題要求的2 ms端到端延時(shí)指標(biāo)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在本文中，參照文獻(xiàn)[8-10]的網(wǎng)絡(luò)仿真方法，模擬實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的地鐵列車仿真網(wǎng)絡(luò)，包括6臺(tái)PC機(jī)（裝有Windows操作系統(tǒng)）和2臺(tái)路由設(shè)備。PC機(jī)模擬列車終端設(shè)備，路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備由1個(gè)工業(yè)計(jì)算機(jī)單元、1個(gè)路由交換單元以及電源輔助單元組成。路由交換單元上聯(lián)網(wǎng)口可提供一加一主備鏈路雙網(wǎng)口，連接骨干網(wǎng)絡(luò)，下聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為8路交換網(wǎng)口，用于連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。選擇其中1臺(tái)路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備為主控設(shè)備節(jié)點(diǎn)（MN），另1臺(tái)為備用主控節(jié)點(diǎn)；PC機(jī)仿真列車設(shè)備從節(jié)點(diǎn)（CN），每3臺(tái)為1組，通過(guò)交換機(jī)連接構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，接到路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，從而形成一個(gè)典型的列車網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，如圖7所示。

在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)都需要配置，其中關(guān)鍵內(nèi)容是對(duì)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典進(jìn)行定義、通信參數(shù)進(jìn) 行配置。

軟件環(huán)境：Windows操作系統(tǒng)（XP及 以 上 ）；Visual-Studio（VS）環(huán)境；網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)軟件pcaplib。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）硬件連接，按照?qǐng)D7所示，通過(guò)交換機(jī)將PC機(jī)相互連接。

圖7 地鐵列車仿真網(wǎng)絡(luò)模型圖

（2）環(huán)境搭建，在PC機(jī)上安裝VS開(kāi)發(fā)環(huán)境，抓包軟件 Wireshark，網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序winpcap。

（3）主、從節(jié)點(diǎn)配置，在objdict.h文件中，修改對(duì)象字典，定義通信對(duì)象和配置通信參數(shù)；修改demo_main.c文件，定義相關(guān)變量并與對(duì)象字典中的對(duì)象鏈接；在函數(shù)AppCbSync()中編寫(xiě)用戶自定義的應(yīng)用程序。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在如圖7所示的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)中，達(dá)到了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的仿真效果。

Wireshark是常用的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析軟件[11]，可以診斷多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包。在中央控制單元的仿真節(jié)點(diǎn)上，安裝Wireshark抓包軟件，使用該軟件來(lái)完成對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆治?，抓取與MN進(jìn)行過(guò)交互的數(shù)據(jù)包并對(duì)其進(jìn)行解包分析。

抓取數(shù)據(jù)包的分析界面如圖8所示，Wireshark有3個(gè)窗口，第1個(gè)窗口是封裝的數(shù)據(jù)包信息列表，包括：中央控制單元發(fā)送的序號(hào)（No）、時(shí)間（Time）、源MAC地址（Source）、目的MAC地址（Destination）、協(xié)議類型（Protocol）、信息（info）等；第2個(gè)窗口是封裝的詳細(xì)信息，給出了Preq幀目的Node ID，即中央控制單元允許某個(gè)列車設(shè)備（dst=1）發(fā)送數(shù)據(jù)；Pres幀包括源Node ID，代表（src=1）的列車設(shè)備給中央控制單元發(fā)數(shù)據(jù)。第3個(gè)窗口是解析器，用16進(jìn)制數(shù)據(jù)給出傳輸?shù)木唧w內(nèi)容。

圖8 抓取數(shù)據(jù)包的分析界面

在第1個(gè)窗口中不僅有數(shù)據(jù)包的基本信息，還能顯示每個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)間戳。將兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳相減即可得知1個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延，考慮到列車長(zhǎng)度一般為25 m，列車級(jí)路由交換設(shè)備之間、交換機(jī)與節(jié)點(diǎn)之間線路不會(huì)超過(guò)50 m，因此，線路傳輸附加時(shí)延數(shù)據(jù)為0.25 μs[12]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，傳輸延時(shí)均小于2 ms，符合列車網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

就網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性而言，運(yùn)用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議機(jī)制能夠滿足車控?cái)?shù)據(jù)傳輸延時(shí)2 ms的要求，仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，文中描述的網(wǎng)絡(luò)方案能夠滿足表1中不同類型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸要求。由于列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)端到端時(shí)延的綜合監(jiān)測(cè)與管理需要從設(shè)備軟硬件、成本等因素綜合考慮，將是進(jìn)一步研究的重要內(nèi)容，也是確保列車網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行的基本保障。