基于工业以太网的高速列车通信网络仿真研究分析*

符伟杰 刘志刚 吴 娟 侯运昌

(1.西南交通大学电气工程学院，610031，成都;2.湖南文理学院，415000，常德∥第一作者，研究生)

随着列车不断朝着安全、可靠、智能化的方向发展，使新型大数据量业务设备不断增加，列车通信网络需要具备满足对故障诊断系统、视频监控系统、旅客服务信息系统等功能做出实时处理的能力，故带宽已成为影响通信网络性能的主要瓶颈［1］。传统的通信总线带宽有限，不能够满足大容量数据的传输要求，而工业以太网为解决这一问题提供了可能［2］。此外，铁路专用的网络设备，其成本较高，采用工业以太网作为列车通信网络不仅能够降低成本、提高传输性能，而且还具有更好的兼容性［3］。但是，基于CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测机制)的工业以太网，其网络性能具有不确定性［4－5］，需要对其实时性和可靠性进行深入的研究。

国际电工委员会颁布了基于以太网的列车通信网络标准IEC 61375－2－5，推进了以太网在列车通信中发展［6－7］。目前，庞巴迪公司正在开发一种新的列车通信系统。该新系统将使用以太网来管理列车上的所有车载设备。

1 以太网通信实时性分析

经研究表明，共享式以太网在网络负荷低于25%时，可以保证实时性和可靠性［9］。当网络负荷小于10%时，通信网络数据报文碰撞的发生率很小，几乎为零。文献［9］对以太网和令牌总线性能进行了对比分析，如图1所示。从图1中可以看出，以太网在负荷低于25%时，其响应速度比令牌总线网络快很多。这体现了工业以太网在低负荷情况下具有很好的实时性。

通过对列车网络通信数据特性的分析，本文把列车通信数据划分为3类:第1类是周期性数据，主要包括对列车设备进行监控的状态数据和视频监控数据;第2类是突发数据，主要是故障情况下产生的数据;第3类是随机数据，主要是控制命令数据和旅客服务信息。周期数据具有数据连续、稳定和变化量小等特点;故障突发数据具有不确定性和数据量大等特点;随机数据在网络中也具有十分重要的作用，尤其是列车控制命令数据，但该数据的数据量较小。

图1 工业以太网和令牌网的时间响应曲线

1)周期性数据是列车通信网络中的重要数据之一。该类型报文的分组大小可以事先确定，一般长度固定。在建立周期性数据的数学模型时，需要确定以下参数:Li(周期性数据的长度);Ti(报文产生的间隔时间);Ci(网络传送延时);Di(数据端到端的延时)。其中，i为不同的节点。则周期性数据流Mi可以表示为:

2)随机数据是由外部事件触发的数据，具有以下主要特性:数据分组会在任何时间段内以概率P出现，与前时间段是否有报文发送无关。由数学统计知识可知，该数据类型符合泊松(Poisson)过程。

式中:

s——某一时刻;

t——时间段;

λ——数据报文的平均达到速率;

N(t+s)－N(t)——在时间段t内数据报文的统计数量;

k=0，1，2…。

3)突发性数据主要是指列车通信设备在发生故障情况下发送的大量故障数据。该数据长度较短，但发生时间比较集中。当有突发数据产生时，会有相对较高的负载，否则网络会持续一段空闲时间。本文对突发性数据采用的是ON、OFF两种状态模型。当持续发生突发性数据时为ON，该状态持续时间服从Pareto分布;当不发生突发数据时为OFF，该状态持续时间服从泊松分布。

2 基于工业以太网的列车通信网络拓扑结构

现分析工业以太网在高速列车中的应用，并以高速动车组CRH 5为例进行分析。CRH 5动车组一共由8节车厢组成，每节车厢长一般是26 m。由于电缆需要弯曲和延伸，故每节车辆电缆总长度是车辆长度的150%。因此，每节车辆的通信电缆长度远小于最大值 100 m［6］。

基于工业以太网的列车通信网络，是一种新型的列车网络。在该网络中，使用了8台工业以太网交换机，上层实现列车网络的互联，下层连接车厢级各监视、控制设备。其拓扑结构如图2所示。

图2 基于工业以太网的列车通信网络拓扑结构

3 基于OPNET仿真软件的建模

在仿真模型中，利用OPNET仿真软件搭建基于以太网的列车通信网络仿真模型。仿真模型从三个层次搭建，即进程模型、节点模型和网络模型。通过对列车设备节点特性和网络拓扑结构的分析，对整个网络进行配置，以完成整个网络模型。

3.1 介质访问控制层进程模型

介质访问控制层(MAC)进程是以太网协议的核心组成部分。该进程由大量的状态模块组成，每个状态完成不同的过程。在该进程中，每个状态在不同条件下相互转化，实现以太网协议。在MAC进程模型(见图3)中，主要状态的功能如下:INIT状态是对相关参数和统计量等方面进行初始化，初始化完成后进入START状态;TX_WAIT状态是发送准备状态，当有数据发送时，状态转移到FRM_START状态，否则维持原状态;DEF_WAIT是等待触发条件，当条件满足时，转到发送状态，否则保持等待状态;TX_START则是对数据进行发送，当触发条件满足时才开始发送数据;COLLISION状态是指对冲突进行检测，然后重发，当重发超过限定次数，则放弃。

图3 MAC进程模型

3.2 网络仿真拓扑结构图

在仿真模型中，为了提高网络的可靠性，采用工业以太网环形拓扑结构，如图4所示。在通信网络中的设备包括服务器、主机、交换机以及其他标准车载设备。仿真模型中一共搭建了10个子网，其中8个子网分别代表列车的8节车厢。在各子网中，交换机采用三角形连接，提高了系统的可靠性，同时减小了冲突域。

图4 网络仿真拓扑结构

图5是司机控制室网络。在该网络中，配置1台显示单元DDU，1台中心控制单元MPU、1台FTP服务器(FTP_Server)、1台视频服务器(Video_Server)以及3台工业交换机(Switch)。

图5 司机室局域网拓扑结构

3.3 仿真环境配置

结合对列车通信网络数据流模型的分析，利用OPNET仿真软件对整个仿真模型进行配置。在仿真中，利用仿真软件的Application Config和Profile Config模块对仿真环境进行全局设置。

3.3.1 周期性数据流

在网络中，假设每个车厢装有一个视频监控装置，同时向主控室传递视频信息。视频监控信息为周期性数据量，使用UDP(用户数据包协议)报文传输作为数据报文的通信形式，利用OPNET仿真软件提供的video conferencing(视频会议)数据流进行模拟。在 Application Config模块 中 对 video conferencing应用参数进行设置

1)Low Resolution Video(低分辨率视频)时，每秒钟10帧，传输的视频分辨率为128×120像素。此时，网络视频的监控效果较差。优先级设置为Best Effort(0)，此时，该数据的优先级最低，为“尽力而为”的传输数据。

2)VCR Quality Video(VCR质量视频)时，每秒钟30帧，传输的视频分辨率为352×240像素。此时，网络视频的监控效果较好，能够满足正常的监视需要。优先级设置为Best Effort(0)，此时，该数据的优先级最低，为“尽力而为”的传输数据。

3)状态数据传输时数据发送时间间隔为20 ms，每个设备发送的平均数据长度为256 Byte。每个车厢有8台设备，因此，由MPU传输到司机室控制单元的最大数据约为2 000 Byte。优先级设置为Standard(2)，此时，该数据具有标准优先级，和视频数据流比较具有更高的优先级，能够有效地保证其可靠性。

3.3.2 随机数据流

列车网络中有许多信息属于随机数据流，如控制室发出的控制命令信号。由前面分析可知，这类信息服从指数分布［5］。在仿真中，优先级设置为Reserved(7)，此时，该数据具有最高优先级，当信息发生碰撞、冲突时，能够有效地保证在规定时间内传达指令。

3.3.3 突发数据流

在节点设备发生故障时会产生大量数据流，通过网络传输给监控设备，数据报文服从Pareto分布［3］。优先级设置为 Excellent Effort(3)，此时，数据具有较高优先级，网络能够有效地传输故障数据，实现故障诊断和分析。

4 仿真结果分析

4.1 采用带宽100 M工业以太网的网络性能分析

视频监控数据流是列车通信网络中的重要数据流之一，具有数据量大的特点。从图6中可以看出在Low Resolution Video和VCR Quality Video视频监控数据流时列车网络的延时情况:在前30 s的延时约为11 ms，后30 s的延时为3～4 ms，二者的网络平均延时差别不大。

图6 带宽100 M工业以太网情况下，不同视频流的网络延时比较

FTP数据流主要是模拟列车的故障数据，通过及时、准确地传输该数据流，以实现设备的在线诊断和控制。在仿真中，设备故障数据在30 s左右开始发送。从图7中可以看出，在无故障数据时，列车网络延时大约维持在11 ms左右;在加入了故障数据流后，网络平均延时时间降低，维持在4 ms左右。这是因为视频数据的数据包长度较大，传输每个数据包需要的时间较长，故平均延时长;而故障数据采用的是FTP数据流进行模拟，该数据流具有数据长度较小，发送时间间隔短的特点，发送数据包的延时较小。所以，当有故障数据时的平均延时比只有视频数据流时的延时要小。

图7 带宽100 M工业以太网情况下，故障数据对网络延时的影响

控制命令数据对保证列车安全、可靠的运行起着至关重要的作用。司机根据列车设备的实时状态信息或操作需要，可对列车设备进行控制。从图8中可以看出，控制信息对列车网络的延时影响较小。

图8 带宽100 M工业以太网情况下，控制命令数据流对网络延时的影响

4.2 带宽100 M和1 000 M工业以太网的网络性能对比分析

图9、10、11分别是对通信网络最不利情况下链路使用率的对比分析。此时列车通信网络中同时有VCR视频监控数据流、故障数据流、设备状态数据流和命令控制数据流。

图9是司机控制室1到子网1的控制指令延时:在使用带宽100 M工业以太网时，网络控制命令的网络延时具有较大的波动性，但延时较小，最大不到0.3 ms;在使用带宽1 000 M工业以太网时，控制命令的网络延时时间远小于0.1 ms。因此，对基于带宽100 M和1 000 M的工业以太网，控制命令数据的实时性可得到保证。

图10为列车的网络平均延时性能的分析:在使用带宽100 M工业以太网时，网络平均延时较大，最大达到11 ms左右;在使用带宽1 000 M工业以太网时，网络延时只有1 ms左右。从图9、10可以看出:使用带宽1 000 M的工业以太网，在网络实时性方面能满足高速列车的实时性要求。

图11是网络链路率的使用情况。从图11中可以看出，在带宽100 M工业以太网中，网络链路使用率最高达到了80%;此时网络的可靠性、实时性不能得到保障，可能会发生各种问题，网络出现不确定性。在使用带宽1 000 M工业以太网中，网络链路使用率不到10%，这大大低于文献［9］中25%的标准;此时，网络几乎不会发生数据报文的碰撞，能够保证网络中各种数据可靠、实时地传输。

图9 控制命令数据流延时特性比较

图10 带宽100 M与1 000 M工业以太网列车网络延时比较

图11 带宽100 M与1 000 M网络链路使用率对比

表1是在带宽100 M和1 000 M工业以太网情况下的部分特性统计。表1的特性统计表明，使用带宽1 000 M的工业以太网，其列车通信网络的平均延时降低了93.5%，网络的平均吞吐量提高了11.1%，网络的平均利用率减少了90.2%。因此，带宽1 000 M的工业以太网具有较好的网络性能。

表1 带宽100 M和1 000 M的工业以太网的网络特性对比

5 结语

本文结合列车网络的实际通信情况，分析了基于工业以太网列车通信网络的数据类型和特性，并对其进行了分类，建立了仿真模型。仿真结果表明，控制命令和视频数据流对网络性能的影响较小，故障数据对网络性能的影响较大。通过对比分析带宽100 M和带宽1 000 M工业以太网在最不利情况下的列车通信性能可知:在采用带宽1 000 M工业以太网时，列车通信网络的延时、吞吐量、网络利用率等方面的性能都有较大的提高;带宽1 000 M工业以太网在理论上能够满足实时性和可靠性等方面的要求。

［1］ 陈积明，王智，孙优贤.工业以太网的研究现状及展望［J］.化工自动化及仪表，2001(6):1.

［2］ 习博方，彦军.工业以太网中网络通信技术的研究［J］.微计算机信息，2005(2):148.

［3］ 宋佳璟.基于CANopen的车辆级通信网络应用研究［D］.成都:西南交通大学，2008.

［4］ Wailes T S，Meyer D G，Weber J P.Using CSMA-CD arbitration in multiple channel architectures［C］.［s.l.］Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，San Diego，CA，USA:［s.n.］，1993:192.

［5］ Kwok C K，Mukherjee B.Transparent(cut-through)bridging of CSMA/CD networks:Performance analysis and implementation［J］.IEEE Transactions on Computers，1994，43(2):247.

［6］ 苗剑，贺德强，丁超义.基于工业以太网的列车通信网络及其仿真研究［J］.计算机测量与控制，2010(10):2417.

［7］ IEC 61375－2－5(1999)Train Communication Networks［S］.

［8］ Westermo.以太网列车［J］.软件，2008(7):60.

［9］ 黄文君，冯卫标，葛毅，等.实时控制系统网络设计［J］.机电工程，2000(3):77.