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淺談列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)時(shí)性論文
引言
由于列車(chē)的高速化、智能化、信息化和運(yùn)行密度的提高，常規(guī)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已很難滿(mǎn)足高速列車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行控制的安全性需求。列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)(train communication network，TCN)保證列車(chē)牽引、供電、制動(dòng)、監(jiān)控、管理等大量信息安全、快速、準(zhǔn)確、可靠地在整個(gè)列車(chē)上傳輸，達(dá)到列車(chē)高速安全穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)成為現(xiàn)代高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。IEC61375 提出TCN 具有兩級(jí)通信總線層次結(jié)構(gòu)，即多功能車(chē)輛總線(multifunction vehicle bus，MVB)和絞線式列車(chē)總線(wire train bus，WTB)及共享的上層實(shí)時(shí)協(xié)議(real-time protocols，RTP)。
抽象的標(biāo)準(zhǔn)框架、高度的復(fù)雜性、開(kāi)放性實(shí)現(xiàn)方法和壟斷廠商的關(guān)鍵技術(shù)壁壘給TCN 設(shè)備協(xié)議棧的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、一致性測(cè)試帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同的關(guān)注點(diǎn)對(duì)TCN 中相關(guān)協(xié)議做了大量的研究�，F(xiàn)有研究成果中3 種平臺(tái)下的TCN 設(shè)備協(xié)議棧的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，AweSim+VC6.0[10]、C和Petri 網(wǎng)，主要存在3 個(gè)方面的缺點(diǎn)：①硬實(shí)時(shí)性指標(biāo)論證不足;②結(jié)論缺乏嚴(yán)格的事實(shí)基礎(chǔ)，仿真場(chǎng)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(shù)據(jù)傳輸和上層應(yīng)用功能;③驗(yàn)證平臺(tái)存在一定的局限性，如AweSim設(shè)計(jì)和研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專(zhuān)業(yè)性不夠，C語(yǔ)言仿真程序分析結(jié)果不夠直觀，擴(kuò)展性差，Petri 網(wǎng)在完整表達(dá)模型內(nèi)涵方面顯得不足。鑒于此，本文依據(jù)硬實(shí)時(shí)指標(biāo)，建立了一種綜合MVB、WTB和RTP在內(nèi)的完備的TCN 設(shè)備協(xié)議棧模型，并針對(duì)當(dāng)前仿真驗(yàn)證平臺(tái)中的不足，基于OPNET+VC6.0 搭建了仿真場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議棧模型的實(shí)時(shí)性分析和可行性論證。
1 理論基礎(chǔ)
1.1 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)
硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的正確性不僅依賴(lài)于其邏輯結(jié)果，還依賴(lài)于所有已接受的硬實(shí)時(shí)任務(wù)完成的時(shí)間。在硬實(shí)時(shí)通信中，報(bào)文帶有明確的時(shí)間限制，這些時(shí)限必須滿(mǎn)足，否則任務(wù)未能及時(shí)完成將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。高速列車(chē)對(duì)速度、行車(chē)密度和安全性有苛刻的要求，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也是一種典型的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
1.2 TCN 硬實(shí)時(shí)指標(biāo)
TCN 采用MVB+WTB 層次結(jié)構(gòu)的兩級(jí)通信總線，。兩級(jí)總線均為周期性主從協(xié)議，提供過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)3 種服務(wù)。
TCN 中報(bào)文的成功傳輸不僅取決于收到報(bào)文的完整性，還依賴(lài)于收到報(bào)文的時(shí)間。其中t_m為主幀傳輸時(shí)間，t_s 為從幀傳輸時(shí)間，t_ms 為總線主發(fā)送完主幀到開(kāi)始接受響應(yīng)從幀間的時(shí)間間隔。
2 TCN 設(shè)備協(xié)議�？傮w架構(gòu)
在Jimenez J 研究成果的基礎(chǔ)上，借鑒OSI 七層參考模型分層而治的思想自頂向下設(shè)計(jì)TCN 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。TCN系統(tǒng)中TCN網(wǎng)關(guān)設(shè)備功能最復(fù)雜，以TCN 網(wǎng)關(guān)設(shè)備為例， (MVB 設(shè)備協(xié)議棧類(lèi)似，但不包括WTB 協(xié)議，且各層協(xié)議支持較少的功能)�；谟矊�(shí)時(shí)指標(biāo)，TCN 必須具備強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性，這對(duì)設(shè)備協(xié)議棧的構(gòu)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(shí)延固定，只能限制報(bào)文大小和改進(jìn)協(xié)議機(jī)制減小數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和處理時(shí)延來(lái)提高實(shí)時(shí)性。其中MVB 協(xié)議和WTB協(xié)議位于協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層，提供高效的底層介質(zhì)分配和輪詢(xún)機(jī)制，保證實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)交換;RTP 協(xié)議則根據(jù)實(shí)時(shí)性指標(biāo)和應(yīng)用需求，盡量減少排隊(duì)時(shí)延和處理時(shí)延，為兩級(jí)總線提供變量和消息兩種通信服務(wù);用戶(hù)層實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用配置和網(wǎng)絡(luò)管理。
3 協(xié)議模型設(shè)計(jì)
3.1 MVB 協(xié)議模型設(shè)計(jì)
MVB 總線管理設(shè)備和WTB 網(wǎng)關(guān)設(shè)備均提供MVB 總線管理功能，包括過(guò)程數(shù)據(jù)周期輪詢(xún)、消息事件仲裁、設(shè)備狀態(tài)定期掃描和主權(quán)轉(zhuǎn)移功能， MVB 總線上設(shè)備主要用來(lái)采集列車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但通信設(shè)備數(shù)量較多。按硬實(shí)時(shí)指標(biāo)，數(shù)據(jù)鏈路層必須采用周期性主從協(xié)議保證介質(zhì)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(shè)備過(guò)程數(shù)據(jù)均能夠?qū)崟r(shí)輪詢(xún)，實(shí)現(xiàn)中采用短過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文。主設(shè)備周期性廣播僅帶8bit 源端地址的主幀，響應(yīng)從幀可根據(jù)應(yīng)用裝載8bit、16bit、32bit 或64bit 的過(guò)程數(shù)據(jù)，保證高效的小數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)中MVB 總線基本微周期取1ms，其中周期相占60%，隨機(jī)相占40%。即在短至0.6ms 內(nèi)，MVB總線主完成多個(gè)設(shè)備的過(guò)程數(shù)據(jù)周期輪詢(xún)，在短至0.4ms 內(nèi)完成設(shè)備狀態(tài)定期掃描和MVB 中消息事件仲裁。同時(shí)，為提供可靠性保證，在MVB 總線上配置了多個(gè)總線管理設(shè)備(BA) 作為冗余備份，MVB 總線在總線管理主權(quán)轉(zhuǎn)移宏周期中的最后一個(gè)微周期按令牌傳遞算法在所有BA設(shè)備間執(zhí)行主權(quán)轉(zhuǎn)移。
3.2 WTB 協(xié)議模型設(shè)計(jì)
WTB 總線主要實(shí)現(xiàn)列車(chē)初運(yùn)行自動(dòng)配置和列車(chē)常規(guī)運(yùn)行功能。初運(yùn)行中，WTB 總線主完成自我配置，實(shí)現(xiàn)相聯(lián)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、命名和示教。常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)輪詢(xún)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、消息事件輪詢(xún)等功能。
列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，WTB 總線將完成列車(chē)初運(yùn)行功能，總線主自我配置后，依次對(duì)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛進(jìn)行命名、示教。在示教過(guò)程中，收集和分發(fā)整輛列車(chē)各車(chē)輛的動(dòng)態(tài)屬性等拓?fù)湫畔�，保證WTB 總線上所有車(chē)輛網(wǎng)關(guān)設(shè)備獲得自己的地址、方向、相對(duì)于總線主車(chē)輛網(wǎng)關(guān)設(shè)備的位置和所有車(chē)輛的動(dòng)態(tài)屬性等拓?fù)湫畔�。為了保證列車(chē)能夠快速啟動(dòng)，初運(yùn)行時(shí)間必須盡可能短，命名和示教的過(guò)程務(wù)必快速高效。因此，初運(yùn)行中拓?fù)湔?qǐng)求、拓?fù)漤憫?yīng)、檢測(cè)請(qǐng)求、檢測(cè)響應(yīng)、命名請(qǐng)求和命名響應(yīng)幀配置較短。同時(shí)在WTB 總線中提供了弱設(shè)備作為總線主強(qiáng)設(shè)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(shè)備較少，但設(shè)備功能復(fù)雜，除完成列車(chē)初運(yùn)行功能外，同時(shí)負(fù)責(zé)車(chē)輛間通信設(shè)備消息的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)中消息數(shù)據(jù)響應(yīng)幀上限為1336bit，為兼顧硬實(shí)時(shí)性指標(biāo)和消息數(shù)據(jù)幀正常傳輸，WTB 總線的基本周期取25ms，實(shí)時(shí)控制等過(guò)程數(shù)據(jù)輪詢(xún)周期為25ms。
3.3 RTP 協(xié)議模型設(shè)計(jì)
根據(jù)TCN 系統(tǒng)的通信需求和實(shí)時(shí)指標(biāo)，RTP 必須為用戶(hù)層提供變量和消息兩種服務(wù)，變量一般標(biāo)記列車(chē)的狀態(tài)，如速度、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、控制命令等，實(shí)時(shí)性高，主要用于過(guò)程數(shù)據(jù)通信，并使用RTP 協(xié)議棧優(yōu)化通道。為保證苛刻的實(shí)時(shí)性指標(biāo)，優(yōu)化通道中用戶(hù)層過(guò)程變量直接通過(guò)應(yīng)用接口層與數(shù)據(jù)鏈路層相連，同時(shí)使用共享通信存儲(chǔ)器和變量群集提高變量訪問(wèn)效率。消息能夠容忍一定的延遲，傳輸信息可能較長(zhǎng)，如診斷信息、乘客信息等，實(shí)時(shí)性相對(duì)較低，用于消息通信，使用RTP 常規(guī)通道。RTP 常規(guī)通道包含網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層和應(yīng)用接口層，提供可靠的消息服務(wù)。即使對(duì)于實(shí)時(shí)性不高的消息數(shù)據(jù)，為保證較低的端端時(shí)延，在網(wǎng)絡(luò)層維護(hù)著站索引、功能索引、組索引和節(jié)點(diǎn)索引以提供快速地?cái)?shù)據(jù)包路由和轉(zhuǎn)發(fā)，減少數(shù)據(jù)幀的排隊(duì)時(shí)延和處理時(shí)延;傳輸層使用三次握手協(xié)議建立可靠的通信連接，采用滑動(dòng)窗口協(xié)議，保證高效的數(shù)據(jù)傳輸效率。
4 TCN 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)模型
以設(shè)計(jì)的TCN 設(shè)備協(xié)議棧模型為研究對(duì)象，基于OPNET+VC6.0 搭建了TCN 仿真場(chǎng)景(名稱(chēng)前綴sta_為普通MVB設(shè)備，ba_為MVB 總線管理設(shè)備，node_為WTB 網(wǎng)關(guān)設(shè)備)，
仿真場(chǎng)景中列車(chē)由四節(jié)車(chē)輛組成，每節(jié)車(chē)輛包含一條MVB 總線，各節(jié)車(chē)輛由WTB 總線互連。WTB 總線層利用多條總線模擬多個(gè)信道，并通過(guò)動(dòng)態(tài)信道綁定實(shí)現(xiàn)列車(chē)初運(yùn)行時(shí)主輔進(jìn)程生命周期控制，達(dá)到WTB 網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接方式拓__撲可變。
4.2 參數(shù)配置
每節(jié)車(chē)輛實(shí)際長(zhǎng)度為26m，考慮電纜彎曲和延伸，電纜實(shí)際長(zhǎng)度約為車(chē)輛長(zhǎng)度的150%。車(chē)輛內(nèi)MVB 總線長(zhǎng)度配置為39m，列車(chē)中WTB總線長(zhǎng)度配置為156m，兩級(jí)總線的線路傳輸時(shí)延均為6.0 s/km。
當(dāng)存在強(qiáng)設(shè)備時(shí)，強(qiáng)設(shè)備成為WTB 總線的總線主;若不存在強(qiáng)設(shè)備或強(qiáng)設(shè)備失效時(shí)，則弱設(shè)備可以成為WTB總線的總線主。初運(yùn)行后，除總線主外，WTB 總線上所有其它設(shè)備都執(zhí)行從設(shè)備功能。過(guò)程數(shù)據(jù)周期表示該設(shè)備WTB 總線上過(guò)程數(shù)據(jù)輪詢(xún)的最小周期，可短至25ms。TCN 仿真場(chǎng)景中4 條MVB 總線上BA 設(shè)備的重要配置參數(shù)
MVB 總線過(guò)程數(shù)據(jù)輪詢(xún)周期為1ms，8 個(gè)微周期構(gòu)成一個(gè)宏周期。4 節(jié)車(chē)輛的MVB 總線每經(jīng)歷配置的主權(quán)轉(zhuǎn)移宏周期數(shù)后執(zhí)行主權(quán)轉(zhuǎn)移，BA交替成為總線主執(zhí)行總線介質(zhì)分配。為保證TCN 中通信設(shè)備能夠按需發(fā)送面向目標(biāo)的消息數(shù)據(jù)，并為兩級(jí)總線提供消息服務(wù)，結(jié)合列車(chē)實(shí)際應(yīng)用在用戶(hù)/網(wǎng)絡(luò)管理層中配置了12 對(duì)設(shè)備應(yīng)用程序通信連接。其中10對(duì)按時(shí)間間隔在區(qū)間[10ms,20ms] 內(nèi)均勻分布建立通信連接，模擬常規(guī)消息通信功能，2 對(duì)按隨機(jī)時(shí)間間隔建立通信連接，模擬突發(fā)消息通信功能。
除此之外，每個(gè)MVB設(shè)備需配置相應(yīng)的物理地址和邏輯地址、過(guò)程數(shù)據(jù)輪詢(xún)周期和大小、設(shè)備狀態(tài)掃描頻率、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延參數(shù)、連接可信度、最大滑動(dòng)窗口數(shù)、最大連接數(shù)、通信連接時(shí)間、用戶(hù)層應(yīng)用功能等信息。
5 仿真分析
5.1 實(shí)時(shí)指標(biāo)分析
基于多組實(shí)例長(zhǎng)時(shí)間仿真，得出了表5 中最差應(yīng)答時(shí)延、報(bào)文時(shí)延和端端時(shí)延。
由表1、表2 和表5 可知，MVB 和WTB 總線上的過(guò)程數(shù)據(jù)的應(yīng)答時(shí)延和報(bào)文時(shí)延都在實(shí)時(shí)指標(biāo)范圍內(nèi);TCN 系統(tǒng)中的消息數(shù)據(jù)端端時(shí)延遠(yuǎn)低于最大時(shí)延時(shí)限。各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足TCN 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)需求。為更全面地論證該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，以時(shí)速360km/h(即100m/s)、列車(chē)追蹤時(shí)間間隔為3min 的高速列車(chē)為例。由表5 可知，從司控臺(tái)緊急制定命令主幀開(kāi)始發(fā)出第一個(gè)比特到WTB總線主完成緊急制動(dòng)功能調(diào)用，且所有列車(chē)制動(dòng)單元將收到制動(dòng)命令為止，緊急制動(dòng)報(bào)文時(shí)延為1419.9 s，從制動(dòng)命令發(fā)出至各制動(dòng)單元開(kāi)始制動(dòng)，列車(chē)僅前進(jìn)14.199cm�？紤]到WTB 總線周期為25ms，這意味著最壞情況下緊急制動(dòng)命令25ms 后才能開(kāi)始發(fā)出，緊急制動(dòng)報(bào)文最壞時(shí)延為26.419ms，從制動(dòng)命令發(fā)出至各制動(dòng)單元開(kāi)始制動(dòng)，列車(chē)只前進(jìn)2.6419m，列車(chē)制動(dòng)實(shí)時(shí)，有較好的安全性保證，列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中緊急控制命令報(bào)文的延遲對(duì)列車(chē)運(yùn)行間隔的影響完全可以忽略。由上述分析可知，建立的協(xié)議棧模型實(shí)現(xiàn)的列車(chē)通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足高速列車(chē)實(shí)時(shí)控制和安全性需求。
5.2 實(shí)時(shí)特征分析
為驗(yàn)證列車(chē)初運(yùn)行功能，論證初運(yùn)行的高效性、實(shí)時(shí)性和可靠性，仿真分析了強(qiáng)設(shè)備位置與初運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系和弱設(shè)備位置與初運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明，將中間設(shè)備配置為強(qiáng)設(shè)備或弱設(shè)備時(shí)，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)未失效，列車(chē)在短至0.208 364s 完成初運(yùn)行進(jìn)入常規(guī)運(yùn)行狀態(tài);強(qiáng)節(jié)點(diǎn)失效，列車(chē)也可在短至0.978 364s 完成初運(yùn)行進(jìn)入常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)。列車(chē)啟動(dòng)不足1s即可完成初運(yùn)行，進(jìn)入常規(guī)運(yùn)行。整個(gè)初運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)、高效，有一定的可靠性。
因TCN 中數(shù)據(jù)包多且各種數(shù)據(jù)差異顯著。為更好地分析TCN 的實(shí)時(shí)性能，實(shí)現(xiàn)TCN 設(shè)備協(xié)議棧功能性驗(yàn)證、實(shí)時(shí)性分析和網(wǎng)絡(luò)整體性能分析，基于4.2 中的仿真配置，分析了仿真系統(tǒng)10 分鐘仿真時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流。介質(zhì)分配高效，小數(shù)據(jù)交換頻繁。4 條MVB 總線實(shí)際總線周期為2 400 000 個(gè)，完成過(guò)程數(shù)據(jù)周期輪詢(xún)9 600 000 次，定期設(shè)備狀態(tài)掃描241 3195 次，主權(quán)轉(zhuǎn)移13 477 次;WTB總線實(shí)際總線周期約24 000 個(gè)，完成過(guò)程數(shù)據(jù)周期輪詢(xún)71 976 次。消息數(shù)據(jù)通信高效可靠。系統(tǒng)支持最大的消息窗口為3。傳輸層下傳數(shù)據(jù)報(bào)9 250 個(gè)，其中7 275 個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)過(guò)了WTB總線傳輸，1 975 個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)僅通過(guò)MVB 總線完成通信過(guò)程。用戶(hù)層應(yīng)用功能實(shí)例實(shí)際建立740 次通信連接，傳輸層數(shù)據(jù)分段5 550 個(gè)，平均每次通信連接傳輸數(shù)據(jù)分段7.5 個(gè);發(fā)送確認(rèn)幀2 220 個(gè)，平均約3 個(gè)數(shù)據(jù)分段收到一個(gè)確認(rèn)。在5 550 次消息數(shù)據(jù)分段傳遞過(guò)程中，MVB 總線上發(fā)生150 次消息沖突并在事件查詢(xún)中執(zhí)行事件仲裁算法，事件仲裁發(fā)生的概率為2.70%，消息數(shù)據(jù)沖突概率低。列車(chē)通信過(guò)程平穩(wěn)，網(wǎng)絡(luò)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(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合TCN 硬實(shí)時(shí)指標(biāo)，建立了一種綜合MVB、WTB和RTP 在內(nèi)完備的設(shè)備協(xié)議棧模型，并構(gòu)建了精確的驗(yàn)證平臺(tái)，有效解決了現(xiàn)有研究成果中3 種仿真驗(yàn)證平臺(tái)的不足。同時(shí)，仿真驗(yàn)證了協(xié)議棧模型的實(shí)時(shí)指標(biāo)和實(shí)時(shí)特征。結(jié)果表明，設(shè)備協(xié)議棧模型有較好的實(shí)時(shí)性，能提供列車(chē)高速運(yùn)行控制下的安全性保證，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。在工程實(shí)現(xiàn)中，TCN 網(wǎng)絡(luò)的可靠性還可通過(guò)MVB 和WTB 雙線冗余備份保證硬實(shí)時(shí)命令的雙線冗余傳輸來(lái)進(jìn)一步提高。
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淺談汽車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用論文06-25
淺談網(wǎng)絡(luò)新聞的倫理規(guī)范論文05-01
異構(gòu)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析論文11-07
網(wǎng)絡(luò)安全與通信技術(shù)研究論文11-07
無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)遭遇的論文挑戰(zhàn)及對(duì)策論文04-01