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淺談列車通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(guī)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)(train communication network，TCN)保證列車牽引、供電、制動、監(jiān)控、管理等大量信息安全、快速、準(zhǔn)確、可靠地在整個列車上傳輸，達(dá)到列車高速安全穩(wěn)定運行，已經(jīng)成為現(xiàn)代高速列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。IEC61375 提出TCN 具有兩級通信總線層次結(jié)構(gòu)，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(xié)議(real-time protocols，RTP)。
抽象的標(biāo)準(zhǔn)框架、高度的復(fù)雜性、開放性實現(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、實現(xiàn)、驗證、一致性測試帶來諸多挑戰(zhàn)。
國內(nèi)外學(xué)者基于不同的關(guān)注點對TCN 中相關(guān)協(xié)議做了大量的研究�，F(xiàn)有研究成果中3 種平臺下的TCN 設(shè)備協(xié)議棧的設(shè)計驗證，AweSim+VC6.0[10]、C和Petri 網(wǎng)，主要存在3 個方面的缺點：①硬實時性指標(biāo)論證不足;②結(jié)論缺乏嚴(yán)格的事實基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)傳輸和上層應(yīng)用功能;③驗證平臺存在一定的局限性，如AweSim設(shè)計和研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專業(yè)性不夠，C語言仿真程序分析結(jié)果不夠直觀，擴展性差，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)硬實時指標(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，并針對當(dāng)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(xiàn)了協(xié)議棧模型的實時性分析和可行性論證。
1 理論基礎(chǔ)
1.1 硬實時系統(tǒng)的特點
硬實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)的正確性不僅依賴于其邏輯結(jié)果，還依賴于所有已接受的硬實時任務(wù)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(wù)未能及時完成將導(dǎo)致災(zāi)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也是一種典型的硬實時系統(tǒng)。
1.2 TCN 硬實時指標(biāo)
TCN 采用MVB+WTB 層次結(jié)構(gòu)的兩級通信總線，。兩級總線均為周期性主從協(xié)議，提供過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)3 種服務(wù)。
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(fā)送完主幀到開始接受響應(yīng)從幀間的時間間隔。
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)議棧類似，但不包括WTB 協(xié)議，且各層協(xié)議支持較少的功能)。基于硬實時指標(biāo)，TCN 必須具備強實時性和高可靠性，這對設(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，線路傳輸時延固定，只能限制報文大小和改進(jìn)協(xié)議機制減小數(shù)據(jù)幀傳輸時延、排隊時延和處理時延來提高實時性。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)分配和輪詢機制，保證實時高效的數(shù)據(jù)交換;RTP 協(xié)議則根據(jù)實時性指標(biāo)和應(yīng)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(wù);用戶層實現(xiàn)上層應(yīng)用配置和網(wǎng)絡(luò)管理。
3 協(xié)議模型設(shè)計
3.1 MVB 協(xié)議模型設(shè)計
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，包括過程數(shù)據(jù)周期輪詢、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)備主要用來采集列車實時運行狀態(tài)，設(shè)備功能相對簡單，但通信設(shè)備數(shù)量較多。按硬實時指標(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)備過程數(shù)據(jù)均能夠?qū)崟r輪詢，實現(xiàn)中采用短過程數(shù)據(jù)報文。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 的過程數(shù)據(jù)，保證高效的小數(shù)據(jù)交換。實現(xiàn)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(nèi)，MVB總線主完成多個設(shè)備的過程數(shù)據(jù)周期輪詢，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，為提供可靠性保證，在MVB 總線上配置了多個總線管理設(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
WTB 總線主要實現(xiàn)列車初運行自動配置和列車常規(guī)運行功能。初運行中，WTB 總線主完成自我配置，實現(xiàn)相聯(lián)車輛的動態(tài)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、命名和示教。常規(guī)運行狀態(tài)下實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)輪詢、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)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(fā)現(xiàn)車輛進(jìn)行命名、示教。在示教過程中，收集和分發(fā)整輛列車各車輛的動態(tài)屬性等拓?fù)湫畔�，保證WTB 總線上所有車輛網(wǎng)關(guān)設(shè)備獲得自己的地址、方向、相對于總線主車輛網(wǎng)關(guān)設(shè)備的位置和所有車輛的動態(tài)屬性等拓?fù)湫畔�。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(wù)必快速高效。因此，初運行中拓?fù)湔埱�、拓�(fù)漤憫?yīng)、檢測請求、檢測響應(yīng)、命名請求和命名響應(yīng)幀配置較短。同時在WTB 總線中提供了弱設(shè)備作為總線主強設(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，除完成列車初運行功能外，同時負(fù)責(zé)車輛間通信設(shè)備消息的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。實現(xiàn)中消息數(shù)據(jù)響應(yīng)幀上限為1336bit，為兼顧硬實時性指標(biāo)和消息數(shù)據(jù)幀正常傳輸，WTB 總線的基本周期取25ms，實時控制等過程數(shù)據(jù)輪詢周期為25ms。
3.3 RTP 協(xié)議模型設(shè)計
根據(jù)TCN 系統(tǒng)的通信需求和實時指標(biāo)，RTP 必須為用戶層提供變量和消息兩種服務(wù)，變量一般標(biāo)記列車的狀態(tài)，如速度、發(fā)動機狀態(tài)、控制命令等，實時性高，主要用于過程數(shù)據(jù)通信，并使用RTP 協(xié)議棧優(yōu)化通道。為保證苛刻的實時性指標(biāo)，優(yōu)化通道中用戶層過程變量直接通過應(yīng)用接口層與數(shù)據(jù)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(guī)通道。RTP 常規(guī)通道包含網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層和應(yīng)用接口層，提供可靠的消息服務(wù)。即使對于實時性不高的消息數(shù)據(jù)，為保證較低的端端時延，在網(wǎng)絡(luò)層維護(hù)著站索引、功能索引、組索引和節(jié)點索引以提供快速地數(shù)據(jù)包路由和轉(zhuǎn)發(fā)，減少數(shù)據(jù)幀的排隊時延和處理時延;傳輸層使用三次握手協(xié)議建立可靠的通信連接，采用滑動窗口協(xié)議，保證高效的數(shù)據(jù)傳輸效率。
4 TCN 系統(tǒng)實現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)模型
以設(shè)計的TCN 設(shè)備協(xié)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(shè)備，ba_為MVB 總線管理設(shè)備，node_為WTB 網(wǎng)關(guān)設(shè)備)，
仿真場景中列車由四節(jié)車輛組成，每節(jié)車輛包含一條MVB 總線，各節(jié)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(tài)信道綁定實現(xiàn)列車初運行時主輔進(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(nèi)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(dāng)存在強設(shè)備時，強設(shè)備成為WTB 總線的總線主;若不存在強設(shè)備或強設(shè)備失效時，則弱設(shè)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(shè)備都執(zhí)行從設(shè)備功能。過程數(shù)據(jù)周期表示該設(shè)備WTB 總線上過程數(shù)據(jù)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(shè)備的重要配置參數(shù)
MVB 總線過程數(shù)據(jù)輪詢周期為1ms，8 個微周期構(gòu)成一個宏周期。4 節(jié)車輛的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)，并為兩級總線提供消息服務(wù)，結(jié)合列車實際應(yīng)用在用戶/網(wǎng)絡(luò)管理層中配置了12 對設(shè)備應(yīng)用程序通信連接。其中10對按時間間隔在區(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 對按隨機時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MVB設(shè)備需配置相應(yīng)的物理地址和邏輯地址、過程數(shù)據(jù)輪詢周期和大小、設(shè)備狀態(tài)掃描頻率、數(shù)據(jù)傳輸時延參數(shù)、連接可信度、最大滑動窗口數(shù)、最大連接數(shù)、通信連接時間、用戶層應(yīng)用功能等信息。
5 仿真分析
5.1 實時指標(biāo)分析
基于多組實例長時間仿真，得出了表5 中最差應(yīng)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(shù)據(jù)的應(yīng)答時延和報文時延都在實時指標(biāo)范圍內(nèi);TCN 系統(tǒng)中的消息數(shù)據(jù)端端時延遠(yuǎn)低于最大時延時限。各項指標(biāo)均滿足TCN 硬實時系統(tǒng)需求。為更全面地論證該系統(tǒng)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(fā)出第一個比特到WTB總線主完成緊急制動功能調(diào)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(fā)出至各制動單元開始制動，列車僅前進(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命令25ms 后才能開始發(fā)出，緊急制動報文最壞時延為26.419ms，從制動命令發(fā)出至各制動單元開始制動，列車只前進(jìn)2.6419m，列車制動實時，有較好的安全性保證，列車通信網(wǎng)絡(luò)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(xié)議棧模型實現(xiàn)的列車通信系統(tǒng)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(shè)備位置與初運行時間的關(guān)系和弱設(shè)備位置與初運行時間的關(guān)系。結(jié)果表明，將中間設(shè)備配置為強設(shè)備或弱設(shè)備時，強節(jié)點未失效，列車在短至0.208 364s 完成初運行進(jìn)入常規(guī)運行狀態(tài);強節(jié)點失效，列車也可在短至0.978 364s 完成初運行進(jìn)入常規(guī)運行狀態(tài)。列車啟動不足1s即可完成初運行，進(jìn)入常規(guī)運行。整個初運行過程實時、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 的實時性能，實現(xiàn)TCN 設(shè)備協(xié)議棧功能性驗證、實時性分析和網(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 總線實際總線周期為2 400 000 個，完成過程數(shù)據(jù)周期輪詢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總線實際總線周期約24 000 個，完成過程數(shù)據(jù)周期輪詢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9 250 個，其中7 275 個數(shù)據(jù)報經(jīng)過了WTB總線傳輸，1 975 個數(shù)據(jù)報僅通過MVB 總線完成通信過程。用戶層應(yīng)用功能實例實際建立740 次通信連接，傳輸層數(shù)據(jù)分段5 550 個，平均每次通信連接傳輸數(shù)據(jù)分段7.5 個;發(fā)送確認(rèn)幀2 220 個，平均約3 個數(shù)據(jù)分段收到一個確認(rèn)。在5 550 次消息數(shù)據(jù)分段傳遞過程中，MVB 總線上發(fā)生150 次消息沖突并在事件查詢中執(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。列車通信過程平穩(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
本文結(jié)合TCN 硬實時指標(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)建了精確的驗證平臺，有效解決了現(xiàn)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(xié)議棧模型的實時指標(biāo)和實時特征。結(jié)果表明，設(shè)備協(xié)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(yīng)用價值。在工程實現(xiàn)中，TCN 網(wǎng)絡(luò)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(jìn)一步提高。
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