淺談列車通信網絡協議棧的實時性論文

淺談列車通信網絡協議棧的實時性論文

　　引言

　　由于列車的高速化、智能化、信息化和運行密度的提高，常規列車網絡控制系統已很難滿足高速列車實時運行控制的安全性需求。列車通信網絡(train communication network，TCN)保證列車牽引、供電、制動、監控、管理等大量信息安全、快速、準確、可靠地在整個列車上傳輸，達到列車高速安全穩定運行，已經成為現代高速列車網絡控制系統的關鍵技術。IEC61375 提出TCN 具有兩級通信總線層次結構，即多功能車輛總線(multifunction vehicle bus，MVB)和絞線式列車總線(wire train bus，WTB)及共享的上層實時協議(real-time protocols，RTP)。

　　抽象的標準框架、高度的復雜性、開放性實現方法和壟斷廠商的關鍵技術壁壘給TCN 設備協議棧的設計、實現、驗證、一致性測試帶來諸多挑戰。

　　國內外學者基于不同的關注點對TCN 中相關協議做了大量的研究�，F有研究成果中3 種平臺下的TCN 設備協議棧的設計驗證，AweSim+VC6.0[10]、C和Petri 網，主要存在3 個方面的缺點：①硬實時性指標論證不足;②結論缺乏嚴格的事實基礎，仿真場景多停留在單一MVB 總線或WTB 總線的分析與研究，忽略了跨總線數據傳輸和上層應用功能;③驗證平臺存在一定的局限性，如AweSim設計和研究網絡協議專業性不夠，C語言仿真程序分析結果不夠直觀，擴展性差，Petri 網在完整表達模型內涵方面顯得不足。鑒于此，本文依據硬實時指標，建立了一種綜合MVB、WTB和RTP在內的完備的TCN 設備協議棧模型，并針對當前仿真驗證平臺中的不足，基于OPNET+VC6.0 搭建了仿真場景，實現了協議棧模型的實時性分析和可行性論證。

　　1 理論基礎

　　1.1 硬實時系統的特點

　　硬實時系統是指系統的正確性不僅依賴于其邏輯結果，還依賴于所有已接受的硬實時任務完成的時間。在硬實時通信中，報文帶有明確的時間限制，這些時限必須滿足，否則任務未能及時完成將導致災難性后果。高速列車對速度、行車密度和安全性有苛刻的要求，其網絡控制系統也是一種典型的硬實時系統。

　　1.2 TCN 硬實時指標

　　TCN 采用MVB+WTB 層次結構的兩級通信總線，。兩級總線均為周期性主從協議，提供過程數據、消息數據和監控數據3 種服務。

　　TCN 中報文的成功傳輸不僅取決于收到報文的完整性，還依賴于收到報文的時間。其中t_m為主幀傳輸時間，t_s 為從幀傳輸時間，t_ms 為總線主發送完主幀到開始接受響應從幀間的時間間隔。

　　2 TCN 設備協議棧總體架構

　　在Jimenez J 研究成果的基礎上，借鑒OSI 七層參考模型分層而治的思想自頂向下設計TCN 協議體系結構。TCN系統中TCN網關設備功能最復雜，以TCN 網關設備為例， (MVB 設備協議棧類似，但不包括WTB 協議，且各層協議支持較少的功能)�；�于硬實時指標，TCN 必須具備強實時性和高可靠性，這對設備協議棧的構建提出了更高的要求。由于MVB 和WTB 總線的通信速率固定，分別為1.5Mbit/s 和1Mbit/s，線路傳輸時延固定，只能限制報文大小和改進協議機制減小數據幀傳輸時延、排隊時延和處理時延來提高實時性。其中MVB 協議和WTB協議位于協議棧的數據鏈路層，提供高效的底層介質分配和輪詢機制，保證實時高效的數據交換;RTP 協議則根據實時性指標和應用需求，盡量減少排隊時延和處理時延，為兩級總線提供變量和消息兩種通信服務;用戶層實現上層應用配置和網絡管理。

　　3 協議模型設計

　　3.1 MVB 協議模型設計

　　MVB 總線管理設備和WTB 網關設備均提供MVB 總線管理功能，包括過程數據周期輪詢、消息事件仲裁、設備狀態定期掃描和主權轉移功能， MVB 總線上設備主要用來采集列車實時運行狀態，設備功能相對簡單，但通信設備數量較多。按硬實時指標，數據鏈路層必須采用周期性主從協議保證介質的高效分配和變量的快速交換。兼顧總線周期盡可能短和總線上各MVB設備過程數據均能夠實時輪詢，實現中采用短過程數據報文。主設備周期性廣播僅帶8bit 源端地址的主幀，響應從幀可根據應用裝載8bit、16bit、32bit 或64bit 的過程數據，保證高效的小數據交換。實現中MVB 總線基本微周期取1ms，其中周期相占60%，隨機相占40%。即在短至0.6ms 內，MVB總線主完成多個設備的過程數據周期輪詢，在短至0.4ms 內完成設備狀態定期掃描和MVB 中消息事件仲裁。同時，為提供可靠性保證，在MVB 總線上配置了多個總線管理設備(BA) 作為冗余備份，MVB 總線在總線管理主權轉移宏周期中的最后一個微周期按令牌傳遞算法在所有BA設備間執行主權轉移。

　　3.2 WTB 協議模型設計

　　WTB 總線主要實現列車初運行自動配置和列車常規運行功能。初運行中，WTB 總線主完成自我配置，實現相聯車輛的動態拓撲發現、命名和示教。常規運行狀態下實現過程數據輪詢、設備狀態監控、消息事件輪詢等功能。

　　列車啟動時，WTB 總線將完成列車初運行功能，總線主自我配置后，依次對發現車輛進行命名、示教。在示教過程中，收集和分發整輛列車各車輛的動態屬性等拓撲信息，保證WTB 總線上所有車輛網關設備獲得自己的地址、方向、相對于總線主車輛網關設備的位置和所有車輛的動態屬性等拓撲信息。為了保證列車能夠快速啟動，初運行時間必須盡可能短，命名和示教的過程務必快速高效。因此，初運行中拓撲請求、拓撲響應、檢測請求、檢測響應、命名請求和命名響應幀配置較短。同時在WTB 總線中提供了弱設備作為總線主強設備的冗余備份，一定程度上提高了WTB 總線的可靠性。WTB 總線上通信設備較少，但設備功能復雜，除完成列車初運行功能外，同時負責車輛間通信設備消息的路由和轉發。實現中消息數據響應幀上限為1336bit，為兼顧硬實時性指標和消息數據幀正常傳輸，WTB 總線的基本周期取25ms，實時控制等過程數據輪詢周期為25ms。

　　3.3 RTP 協議模型設計

　　根據TCN 系統的通信需求和實時指標，RTP 必須為用戶層提供變量和消息兩種服務，變量一般標記列車的狀態，如速度、發動機狀態、控制命令等，實時性高，主要用于過程數據通信，并使用RTP 協議棧優化通道。為保證苛刻的實時性指標，優化通道中用戶層過程變量直接通過應用接口層與數據鏈路層相連，同時使用共享通信存儲器和變量群集提高變量訪問效率。消息能夠容忍一定的延遲，傳輸信息可能較長，如診斷信息、乘客信息等，實時性相對較低，用于消息通信，使用RTP 常規通道。RTP 常規通道包含網絡層、傳輸層、會話層和應用接口層，提供可靠的消息服務。即使對于實時性不高的消息數據，為保證較低的端端時延，在網絡層維護著站索引、功能索引、組索引和節點索引以提供快速地數據包路由和轉發，減少數據幀的排隊時延和處理時延;傳輸層使用三次握手協議建立可靠的通信連接，采用滑動窗口協議，保證高效的數據傳輸效率。

　　4 TCN 系統實現

　　4.1 系統模型

　　以設計的TCN 設備協議棧模型為研究對象，基于OPNET+VC6.0 搭建了TCN 仿真場景(名稱前綴sta_為普通MVB設備，ba_為MVB 總線管理設備，node_為WTB 網關設備)，

　　仿真場景中列車由四節車輛組成，每節車輛包含一條MVB 總線，各節車輛由WTB 總線互連。WTB 總線層利用多條總線模擬多個信道，并通過動態信道綁定實現列車初運行時主輔進程生命周期控制，達到WTB 網關設備連接方式拓__撲可變。

　　4.2 參數配置

　　每節車輛實際長度為26m，考慮電纜彎曲和延伸，電纜實際長度約為車輛長度的150%。車輛內MVB 總線長度配置為39m，列車中WTB總線長度配置為156m，兩級總線的線路傳輸時延均為6.0 s/km。

　　當存在強設備時，強設備成為WTB 總線的總線主;若不存在強設備或強設備失效時，則弱設備可以成為WTB總線的總線主。初運行后，除總線主外，WTB 總線上所有其它設備都執行從設備功能。過程數據周期表示該設備WTB 總線上過程數據輪詢的最小周期，可短至25ms。TCN 仿真場景中4 條MVB 總線上BA 設備的重要配置參數

　　MVB 總線過程數據輪詢周期為1ms，8 個微周期構成一個宏周期。4 節車輛的MVB 總線每經歷配置的主權轉移宏周期數后執行主權轉移，BA交替成為總線主執行總線介質分配。為保證TCN 中通信設備能夠按需發送面向目標的消息數據，并為兩級總線提供消息服務，結合列車實際應用在用戶/網絡管理層中配置了12 對設備應用程序通信連接。其中10對按時間間隔在區間[10ms,20ms] 內均勻分布建立通信連接，模擬常規消息通信功能，2 對按隨機時間間隔建立通信連接，模擬突發消息通信功能。

　　除此之外，每個MVB設備需配置相應的物理地址和邏輯地址、過程數據輪詢周期和大小、設備狀態掃描頻率、數據傳輸時延參數、連接可信度、最大滑動窗口數、最大連接數、通信連接時間、用戶層應用功能等信息。

　　5 仿真分析

　　5.1 實時指標分析

　　基于多組實例長時間仿真，得出了表5 中最差應答時延、報文時延和端端時延。

　　由表1、表2 和表5 可知，MVB 和WTB 總線上的過程數據的應答時延和報文時延都在實時指標范圍內;TCN 系統中的消息數據端端時延遠低于最大時延時限。各項指標均滿足TCN 硬實時系統需求。為更全面地論證該系統的實時性，以時速360km/h(即100m/s)、列車追蹤時間間隔為3min 的高速列車為例。由表5 可知，從司控臺緊急制定命令主幀開始發出第一個比特到WTB總線主完成緊急制動功能調用，且所有列車制動單元將收到制動命令為止，緊急制動報文時延為1419.9 s，從制動命令發出至各制動單元開始制動，列車僅前進14.199cm�？紤]到WTB 總線周期為25ms，這意味著最壞情況下緊急制動命令25ms 后才能開始發出，緊急制動報文最壞時延為26.419ms，從制動命令發出至各制動單元開始制動，列車只前進2.6419m，列車制動實時，有較好的安全性保證，列車通信網絡中緊急控制命令報文的延遲對列車運行間隔的影響完全可以忽略。由上述分析可知，建立的協議棧模型實現的列車通信系統實時性強，能夠滿足高速列車實時控制和安全性需求。

　　5.2 實時特征分析

　　為驗證列車初運行功能，論證初運行的高效性、實時性和可靠性，仿真分析了強設備位置與初運行時間的關系和弱設備位置與初運行時間的關系。結果表明，將中間設備配置為強設備或弱設備時，強節點未失效，列車在短至0.208 364s 完成初運行進入常規運行狀態;強節點失效，列車也可在短至0.978 364s 完成初運行進入常規運行狀態。列車啟動不足1s即可完成初運行，進入常規運行。整個初運行過程實時、高效，有一定的可靠性。

　　因TCN 中數據包多且各種數據差異顯著。為更好地分析TCN 的實時性能，實現TCN 設備協議棧功能性驗證、實時性分析和網絡整體性能分析，基于4.2 中的仿真配置，分析了仿真系統10 分鐘仿真時間內的數據業務流。介質分配高效，小數據交換頻繁。4 條MVB 總線實際總線周期為2 400 000 個，完成過程數據周期輪詢9 600 000 次，定期設備狀態掃描241 3195 次，主權轉移13 477 次;WTB總線實際總線周期約24 000 個，完成過程數據周期輪詢71 976 次。消息數據通信高效可靠。系統支持最大的消息窗口為3。傳輸層下傳數據報9 250 個，其中7 275 個數據報經過了WTB總線傳輸，1 975 個數據報僅通過MVB 總線完成通信過程。用戶層應用功能實例實際建立740 次通信連接，傳輸層數據分段5 550 個，平均每次通信連接傳輸數據分段7.5 個;發送確認幀2 220 個，平均約3 個數據分段收到一個確認。在5 550 次消息數據分段傳遞過程中，MVB 總線上發生150 次消息沖突并在事件查詢中執行事件仲裁算法，事件仲裁發生的概率為2.70%，消息數據沖突概率低。列車通信過程平穩，網絡性能良好。WTB 總線的吞吐量，平均吞吐量約為8350byte/s，總線利用率約為7%;MVB0 的吞吐量，平均吞吐量約為39 700 byte/s，總線利用率約為21%。

　　6 結束語

　　本文結合TCN 硬實時指標，建立了一種綜合MVB、WTB和RTP 在內完備的設備協議棧模型，并構建了精確的驗證平臺，有效解決了現有研究成果中3 種仿真驗證平臺的不足。同時，仿真驗證了協議棧模型的實時指標和實時特征。結果表明，設備協議棧模型有較好的實時性，能提供列車高速運行控制下的安全性保證，具有一定的工程應用價值。在工程實現中，TCN 網絡的可靠性還可通過MVB 和WTB 雙線冗余備份保證硬實時命令的雙線冗余傳輸來進一步提高。

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