基于時間序列的列車以太網(wǎng)多指標(biāo)綜合性能評估

李興國 王登銳 鑒紀(jì)凱 王朝 王淼

摘? 要：現(xiàn)代列車正朝著舒適智能的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的總線式技術(shù)已經(jīng)不能滿足大容量、高速率的通信需求，列車以太網(wǎng)成為列車控制網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展趨勢。為評估列車以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行健康狀況，本文結(jié)合某型列車的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，選取時延、抖動、丟包率與可利用帶寬作為評估指標(biāo)，提出了一種基于時間序列的多指標(biāo)綜合性能評估模型，對列車內(nèi)各子系統(tǒng)和整體網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評估。最后在實際列車中進(jìn)行評估實驗，實驗證明，該方法能夠有效反映以太網(wǎng)列車網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的健康狀況。

關(guān)鍵詞：列車以太網(wǎng)? 列車控制網(wǎng)絡(luò)? 評估指標(biāo)? 性能評估

中圖分類號：U266? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)不斷發(fā)展，其通信數(shù)據(jù)激增，傳統(tǒng)的總線式技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)這種智能化的發(fā)展需求，而列車以太網(wǎng)技術(shù)因其數(shù)據(jù)容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高以及具有很強(qiáng)的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注，逐漸成為新一代列車控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。然而列車以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)波動較大，如何設(shè)計具體的健康評估方法使運(yùn)維人員能夠獲得對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全面感知，是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。

本文在已有知識體系的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于時間序列的多指標(biāo)綜合性能評估模型，該模型首先對列車內(nèi)不同子系統(tǒng)進(jìn)行健康度定量評價，然后基于所設(shè)計的數(shù)據(jù)融合算法將各子系統(tǒng)的健康評估結(jié)果映射為整體網(wǎng)絡(luò)的健康態(tài)勢。該模型的評估結(jié)果可向現(xiàn)場列車網(wǎng)絡(luò)維護(hù)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(yīng)的研究基礎(chǔ)。

1? 以太網(wǎng)性能評估指標(biāo)研究

1.1 列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

本文基于以某型實際運(yùn)行的以太網(wǎng)地鐵列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇檠芯繉ο螅摼W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎秒p設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)與環(huán)形拓?fù)浔ＷC網(wǎng)絡(luò)通信的可靠型，采用百兆以太網(wǎng)保證通信的實時性[1]，整個拓?fù)浒?個列車級交換機(jī)（T1、T2）、4個車輛級交換機(jī)（T3-T6）以及若干子設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其中列車級交換機(jī)用于不同車輛編組間的通信，車輛級交換機(jī)掛載不同列車子設(shè)備用于車輛編組設(shè)備間的通信[2]，整個拓?fù)浞弦蕴W(wǎng)拓?fù)浼傲熊嚲W(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆p重規(guī)范，簡略結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 評估指標(biāo)選取

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能評估指標(biāo)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(wǎng)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，實際采集指標(biāo)過程中可能會受到某些技術(shù)條件的制約，并且車載環(huán)境中各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與可靠性是必須關(guān)注的問題[4]，在綜合考量以上兩種情況的前提下，結(jié)合IEC61375-3-4[10]中的相關(guān)列車以太網(wǎng)規(guī)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(biāo)，其中時延和抖動指標(biāo)主要用于反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，丟包率與可用帶寬主要用于反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性問題。評估指標(biāo)體系如圖2所示。

1.3 評估指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

在實驗列車中采集的原始指標(biāo)評估數(shù)據(jù)來自不同的子系統(tǒng)，且不同指標(biāo)之間量綱不同，為消除原始臟數(shù)據(jù)單位與尺度間差異的影響，本文通過z-score的標(biāo)準(zhǔn)化方法對采集的原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過去中心化的方式有效減少大數(shù)值指標(biāo)對小數(shù)值指標(biāo)的淹沒現(xiàn)象，并盡量降低極端值和異常值的影響，使各指標(biāo)量在健康評價模型構(gòu)建過程中具有均等貢獻(xiàn)度。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

（1）

式中，N代表樣本數(shù)量，μ代表樣本平均值，σ代表樣本方差。

2? 以太網(wǎng)性能評估模型研究

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能評估模型往往針對局部系統(tǒng)開展，如使用分類算法等，然而在列車運(yùn)行中，其所評估的對象是車輛上復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)車載子系統(tǒng)的不同及分析指標(biāo)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(tǒng)性能評估模型

本文定義健康值與子系統(tǒng)健康程度呈正相關(guān)，即健康度越高，所評價的子系統(tǒng)越健康，相反則表示該子系統(tǒng)的性能越差。根據(jù)評估指標(biāo)的性質(zhì)不同，將其劃分成兩類：正指標(biāo)與負(fù)指標(biāo)，指標(biāo)值與健康值正相關(guān)的指標(biāo)稱為正指標(biāo)，指標(biāo)值與健康值負(fù)相關(guān)的指標(biāo)稱為負(fù)指標(biāo)[8]。其中，時延、抖動以及丟包率為負(fù)指標(biāo)，其數(shù)值越大說明該子系統(tǒng)的運(yùn)行越不正常，可能會給列車以太網(wǎng)正常運(yùn)行帶來負(fù)面影響;相反，可利用帶寬是正指標(biāo)，其值越大表明該子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)越好。

將n個不同列車子系統(tǒng)在t個不同的時間段內(nèi)的某一具體指標(biāo)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(tǒng)隨時間變化的指標(biāo)測量值，列值以子系統(tǒng)為變量，代表特定時間段內(nèi)不同子系統(tǒng)的指標(biāo)測量值。利用式（1）對矩陣A進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計算出模型所需的相對數(shù)據(jù)，稱為功效值。

將樣本指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為功效值后，針對某一時間間隔T，采用功效函數(shù)將不同子系統(tǒng)的功效值映射成子系統(tǒng)的健康性能評估值，評估列車中子系統(tǒng)的健康狀況，該值也適用于列車不同子系統(tǒng)之間的縱向比較，功效函數(shù)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(tǒng)的評估指標(biāo)，k表示選取指標(biāo)總個數(shù)，ωi表示各i項指標(biāo)權(quán)重，dij代表第j個子系統(tǒng)的第i項正指標(biāo)的功效值，dij代表第j個子系統(tǒng)的第i項負(fù)指標(biāo)的功效值。式（4）、式（5）中，xij代表第j個子系統(tǒng)第i項指標(biāo)值，xi（h）代表第i項指標(biāo)的最優(yōu)值，xi（s）代表第i項指標(biāo)的最劣值，其中最劣值的含義是指標(biāo)在測量過程中出現(xiàn)的對應(yīng)指標(biāo)含義上的最差的情況，最優(yōu)值是指在測量過程中能夠出現(xiàn)的對應(yīng)指標(biāo)含義最好的情況。最終得出的列車子系統(tǒng)的性能評估值越高，表明該子系統(tǒng)越健康，系統(tǒng)運(yùn)行性能越好，反之則越不健康。

2.2 網(wǎng)絡(luò)整體性能評估模型

通過上節(jié)中功效函數(shù)的映射可以計算出對應(yīng)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(biāo)進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合處理。若時間間隔T設(shè)置為10s，便可以將原始的數(shù)據(jù)劃分成10s的時間片，并計算這些時間片內(nèi)不同子系統(tǒng)的性能矩陣，得到不同時間片內(nèi)不同子系統(tǒng)的健康狀況評價值。

依據(jù)上述的方法完成對多個指標(biāo)在不同子系統(tǒng)中的表現(xiàn)評估后，需要將這些評估結(jié)果拓展融合至整體的網(wǎng)絡(luò)上層指標(biāo)評估中，此時將網(wǎng)絡(luò)全部子系統(tǒng)的健康度通過全網(wǎng)數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行計算便可得到網(wǎng)絡(luò)整體健康態(tài)勢。該模型如下所示：

（6）式中，QN代表列車以太網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)的性能評估指標(biāo)，n代表列車中子系統(tǒng)數(shù)量，ωi代表不同子系統(tǒng)的在整體網(wǎng)絡(luò)中所占的權(quán)重。

對列車以太網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)中不同的子系統(tǒng)可根據(jù)需要賦予不同的權(quán)重[9]，從而更合理的評估整個列車以太網(wǎng)的健康狀況。依據(jù)該型列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資料中對不同子系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)先級的設(shè)定以及IEC61375-3-4[5]和IEC61375-2-3[11]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合設(shè)備廠商專家經(jīng)驗指導(dǎo)，本模型設(shè)計子系統(tǒng)的權(quán)值如表1所示。

通過公式（6）的計算，結(jié)合上述的子系統(tǒng)權(quán)重分配，最終可以得到該列車以太網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)健康評估結(jié)果。評估值采用百分制，范圍為0～100分，分?jǐn)?shù)越高代表網(wǎng)絡(luò)健康程度越好。

3? 實驗分析

3.1 實驗環(huán)境

在實車實驗中，通過Iperf軟件對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時測試，并通過被動抓包的方式，使用TAP（Test Access Point）設(shè)備從線路中抓取網(wǎng)絡(luò)中各類報文，TAP設(shè)備所抓取的設(shè)備匯聚輸出至個人計算機(jī)，個人計算機(jī)中利用Wireshark軟件對報文進(jìn)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(wǎng)性能評估

3.2.1 子系統(tǒng)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(quán)值進(jìn)行評定，按照工程經(jīng)驗與多次測量結(jié)果，確定權(quán)值為5，1，1。實驗中設(shè)置時間間隔為10s，最后得出各子系統(tǒng)在10～50s的5個時間段內(nèi)的性能評估值，如圖3所示。

可以得到，列車上關(guān)鍵子系統(tǒng)A、C、D均表現(xiàn)較為優(yōu)異，評估時段內(nèi)健康度均達(dá)到90分以上，次重要子系統(tǒng)的健康態(tài)勢則會出現(xiàn)較大的波動，如子系統(tǒng)B的健康值變化區(qū)間達(dá)到30分，此類子系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行檢查維護(hù)。

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(tǒng)的健康程度，其結(jié)果如圖4所示。

3.2.2 整體網(wǎng)絡(luò)評估

對列車中子系統(tǒng)的不同系統(tǒng)賦以不同的權(quán)值，可以得到列車總體的網(wǎng)絡(luò)健康情況，其中權(quán)值的確定按照列車網(wǎng)絡(luò)要求進(jìn)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(wǎng)絡(luò)在測量全時刻的總體健康度狀態(tài)，結(jié)果為90.40分，詳細(xì)結(jié)果如圖5所示。

3.3 結(jié)果分析

針對某一特定子系統(tǒng)，不同時間片的綜合健康度評估結(jié)果體現(xiàn)了該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的最終健康度得分也可以對比不同子系統(tǒng)的健康度差異，找到列車控制網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的短板，采取針對性的措施提升整體網(wǎng)絡(luò)性能。最終，將不同子系統(tǒng)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(tǒng)健康度，根據(jù)相應(yīng)子系統(tǒng)的權(quán)值可以得到網(wǎng)絡(luò)的全時刻健康度。

4? 結(jié)語

本文從當(dāng)前列車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理的需求出發(fā)，提出了基于時間序列的多指標(biāo)綜合評估模型，該模型能夠綜合地評估列車各子系統(tǒng)及整體網(wǎng)絡(luò)的健康狀況，并且可以依據(jù)不同的策略分析不同子系統(tǒng)之間的健康度差異以及同一子系統(tǒng)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(biāo)綜合評估模型可以很好地完成對各子系統(tǒng)和整體網(wǎng)絡(luò)的性能評估、不同子系統(tǒng)之間的縱向健康狀況差異對比以及相同子系統(tǒng)在時間維度上的橫向健康狀況變化規(guī)律。

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