基于OPNET仿真軟件的列車通信網(wǎng)絡(luò)研究

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,201804,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生）

基于OPNET仿真軟件的列車通信網(wǎng)絡(luò)研究

周怡毛中亞

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生）

TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)）和ARCNET（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)輔助資源）是兩種常用的列車通信網(wǎng)絡(luò)。由于工作環(huán)境的特殊性,現(xiàn)代列車通信系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了非常嚴(yán)格的要求。利用OPNET軟件,對(duì)TCN和ARCNET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模仿真,對(duì)比分析了兩者的實(shí)時(shí)性和可靠性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,TCN和ARCNET由于其結(jié)構(gòu)不同,因而有著不同的特性?？傮w表現(xiàn)為：TCN具有較好的實(shí)時(shí)性,ARCNET具有較高的可靠性。因此,開發(fā)同時(shí)具有優(yōu)良的實(shí)踐性和可靠性的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),是列車網(wǎng)絡(luò)的主要研究方向。

列車通信網(wǎng)絡(luò);實(shí)時(shí)性;可靠性

First-author’saddress School of Electronics and Information Engineering Tongji University,201804,Shanghai,China

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和嵌入式微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為九大關(guān)鍵技術(shù)之一,成為現(xiàn)代高速列車不可或缺的部分［1］。列車通信網(wǎng)絡(luò),一方面能為列車司機(jī)提供信息,對(duì)車載設(shè)備進(jìn)行集散式監(jiān)視、控制和管理,反映列車實(shí)時(shí)狀態(tài)和故障信息,作為行車和檢修的重要參考;另一方面參與到列車的牽引與制動(dòng)系統(tǒng)中,其信息傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確性直接影響著行車安全。因此,現(xiàn)代列車系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求非常嚴(yán)格。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）第九技術(shù)委員會(huì)制定了標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375-1［2］, IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）也制定了車載通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std1473-1999標(biāo)準(zhǔn),旨在建立列車通信標(biāo)準(zhǔn),以保證通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性。

1 TCN和ARCNET的組成

在為數(shù)不多的列車通信網(wǎng)絡(luò)中,列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Networks,簡(jiǎn)為TCN）和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)輔助資源（Auxiliary Resource Computer Network,簡(jiǎn)為 ARCNET）是目前國(guó)際上廣泛使用的列車通信網(wǎng)絡(luò)。

TCN采用的是兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),上層為絞線式列車總線（Wire Train Bus,簡(jiǎn)為 WTB）,下層為多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus,簡(jiǎn)為 MVB）［3］。列車總線用于連接數(shù)據(jù)采集總線,是列車設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)與故障診斷的列車級(jí)通信網(wǎng)絡(luò);車輛總線用于連接車輛內(nèi)的各種電氣控制設(shè)備,構(gòu)成車廂級(jí)數(shù)據(jù)采集、控制的車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)［4］。ARCNET是一種基于令牌傳遞協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線［5］。由于 ARCNET具有時(shí)間確定性、組網(wǎng)靈活性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性等特點(diǎn),因此非常適合過程實(shí)時(shí)控制,近年來被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化 領(lǐng) 域,是一種 理 想 的 現(xiàn) 場(chǎng) 總線 技 術(shù)［6］。國(guó) 內(nèi)CRH2型車的列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)已采用 ARCNET網(wǎng)絡(luò)［7］,但發(fā)展尚未成熟。日本新干線 EZ-1000系列高速列車上也成功應(yīng)用此網(wǎng)絡(luò)。

2 TCN和ARCNET的性能比較

TCN的媒體訪問算法使用采用主從方式下的確定性的介質(zhì)訪問控制［8］,連接的設(shè)備只有在受控的確定時(shí)間進(jìn)行訪問,其優(yōu)點(diǎn)是有固定的響應(yīng)時(shí)間,缺點(diǎn)是需要列車控制主節(jié)點(diǎn)發(fā)輪詢幀,總線利用率不高［9］。ARCNET 采用了優(yōu)化 的令牌總線協(xié)議,使用令牌環(huán)機(jī)制仲裁網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的訪問［10］,這就不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng),提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率,使得就算網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重也不會(huì)阻塞。

WTB具有其他列車總線不具備的列車編組自適應(yīng)能力,總線經(jīng)過初運(yùn)行過程,對(duì)列車進(jìn)行重新編組,由列車司機(jī)插入鑰匙來確定司機(jī)室的節(jié)點(diǎn)作為總線主節(jié)點(diǎn),按順序給其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到的地址都是連續(xù)的［4］。因此 WTB適合作為頻繁變動(dòng)編組的列車級(jí)總線,這是它最顯著的特色。ARCNET網(wǎng)絡(luò)不具備此能力。

對(duì)于可靠性,兩種總線都在各自規(guī)定的應(yīng)用條件下具有可靠的檢錯(cuò)能力。WTB和 MVB具備主設(shè)備冗余能力及介質(zhì)冗余能力。

3 研究方法

本文采用 OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,分析對(duì)比TCN和ARCENT兩者的性能特點(diǎn)。

OPNET是世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)之一。它基于離散事件驅(qū)動(dòng)模型,具有靈活的系統(tǒng)構(gòu)架和編程接口,是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件［11］。

OPNET Modeler主要用于設(shè)計(jì)和研究通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議和應(yīng)用,具有以下特點(diǎn)［12］：

（1）三層建模機(jī)制。該軟件提供了網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點(diǎn)層、進(jìn)程層三層網(wǎng)絡(luò)物件層次。用戶可以針對(duì)三個(gè)層次,進(jìn)行任何地方的切入編程,建立模型分析。

（2）基于事件的建模機(jī)制。系統(tǒng)仿真時(shí)間的推進(jìn)靠事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行,在有事件時(shí)進(jìn)行處理,沒有事件時(shí)推進(jìn)仿真時(shí)間線,計(jì)算時(shí)間縮短,效率明顯提高。

（3）混合建模機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)仿真通過 OPNET Modeler中最重要的信息載體——數(shù)據(jù)包,來模擬通信協(xié)議和通信數(shù)據(jù),并且結(jié)合數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,在提高仿真速度的同時(shí),使計(jì)算精度得到保證。

由于TCN和ARCNET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)數(shù)目多,并且其特殊的應(yīng)用環(huán)境對(duì)誤碼率、控制實(shí)時(shí)性和可靠性有著極高的要求,因此采用OPNET Modeler軟件分別針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點(diǎn)層和進(jìn)程層三個(gè)層次進(jìn)行仿真,從而使系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和協(xié)議層的特性要求。

4 實(shí)時(shí)性和可靠性分析

利用OPNET建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型,通過設(shè)置不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目、誤碼率和報(bào)文應(yīng)答等方式對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 實(shí)時(shí)性對(duì)比

4.1.1 TCN 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

利用 OPNET Modeler搭建了 TCN和 ARCNET網(wǎng)絡(luò)仿真模型。圖1為TCN的網(wǎng)絡(luò)域模型。

圖1 TCN的OPNET網(wǎng)絡(luò)域模型

TCN結(jié)構(gòu)主要由 MVB和 WTB組成。node_ 0～node_8分別為3個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)編組,形成3組車輛總線,模擬列車的最底層控制觀測(cè)節(jié)點(diǎn)。上層結(jié)構(gòu)由node_9、node_10、node_11分別模擬3個(gè)相同網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)車輛總線和列車總線的通信。頂層節(jié)點(diǎn)node_12模擬列車總線控制中央控制計(jì)算機(jī),實(shí)時(shí)反饋整車各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息。圖2和圖3分別為 MVB總線的傳輸時(shí)延與TCN總線最遠(yuǎn)端的傳輸時(shí)延。

圖2 MVB總線的傳輸時(shí)延

圖3 TCN總線最遠(yuǎn)距離的傳輸時(shí)延

圖2為底層MVB節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)與點(diǎn)之間的傳輸時(shí)延。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,MVB總線端到端的時(shí)延為0.16 ms左右。圖3為TCN總線最遠(yuǎn)距離的傳輸時(shí)延,即node_0到node_8之間的傳輸時(shí)延。由記錄波形可以看出,該傳輸時(shí)延最大為24 ms。由相關(guān)研究可知,以上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延主要包括源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)延、鏈路傳輸時(shí)延、宿節(jié)點(diǎn)通信處理時(shí)延。鏈路時(shí)延主要取決于傳輸距離和傳輸速度,由于 MVB采用雙絞線、光纖等作為介質(zhì),節(jié)點(diǎn)間距離小,鏈路時(shí)延非常小,可以忽略不計(jì)。仿真過程中,處理時(shí)延顯示為0.16 ms,該數(shù)值小于主幀與相應(yīng)它的從幀時(shí)間間隔4 ms。結(jié)果顯示最大處理時(shí)延為24 ms,雖然時(shí)延幅值較大,但是都小于列車控制過程中的響應(yīng)時(shí)間要求100 ms。因此,基于以上分析,TCN的控制網(wǎng)絡(luò)滿足列車控制的實(shí)時(shí)性要求。

4.1.2 ARCNET的實(shí)時(shí)性

圖4為ARCNET節(jié)點(diǎn)模型。網(wǎng)絡(luò)模型為該系統(tǒng)特有的雙重環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)擁有兩對(duì)收發(fā)器receiver1、trasimitter1 和 receiver2、trasimitter2,分別對(duì)應(yīng)主環(huán)和備用環(huán)。Bursty_gen和sink模塊表示為應(yīng)用層的協(xié)議。tr_mac表示為鏈路層協(xié)議,它采用令牌環(huán)機(jī)制,各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過傳遞令牌來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)。

圖4 ARCNET列車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建模

系統(tǒng)仿真后,對(duì)比沒有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)獲得令牌的時(shí)延和每個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)獲得令牌的時(shí)延,得到表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果比較 μs

根據(jù)ARCNET實(shí)時(shí)性的理論分析可知,網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延主要包括令牌等待時(shí)延和傳輸時(shí)延。表1針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得令牌的時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果的分析比較。經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符,并且都遠(yuǎn)小于10 ms,滿足列車工控環(huán)境下的實(shí)時(shí)性要求。

為了分析傳輸延遲時(shí)間的影響因素,本文對(duì)節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)延進(jìn)行了具體分析。通過圖5的數(shù)據(jù)可見：網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸和查詢幀過程的傳輸延遲分別為53μs和17μs。經(jīng)過分析可知,其延遲大小主要受數(shù)據(jù)包大小影響較大。因此,為提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,可以通過減小各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)包大小、降低系統(tǒng)負(fù)載等一系列方法來優(yōu)化ARCNET。

圖5 節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)延

4.2 可靠性對(duì)比

4.2.1 TCN 的可靠性

由圖6可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)總線的吞吐量受節(jié)點(diǎn)數(shù)目影響較大,隨著系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多,吞吐量逐漸增大。當(dāng)系統(tǒng)只包含3個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)總線吞吐量在2 500包/s左右;當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為8時(shí),吞吐量在4 500包/s左右。

圖6 TCN總線負(fù)載受節(jié)點(diǎn)數(shù)目的影響

圖7為最遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的影響,即node_0到node_8之間端到端的時(shí)延。可以發(fā)現(xiàn),在節(jié)點(diǎn)從0至8變化過程中,最遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的端到端時(shí)延變化始終保持在24 ms上下,受節(jié)點(diǎn)數(shù)目影響因素較小。因此,可以得出結(jié)論：TCN總線傳輸數(shù)據(jù)延遲時(shí)間相對(duì)確定,系統(tǒng)可靠性較高。

圖7 最遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的時(shí)延受節(jié)點(diǎn)數(shù)目的影響

4.2.2 ARCNET的可靠性

圖8為網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)系統(tǒng)的換時(shí)性能。在初始過程（0～0.034 s）中,系統(tǒng)運(yùn)行正常。在0.034 s時(shí)發(fā)生一個(gè)事件使得主網(wǎng)中斷,節(jié)點(diǎn)1～9發(fā)送目的地址為10的數(shù)據(jù)包,一共15個(gè),節(jié)點(diǎn)10接收數(shù)據(jù)包。由圖8可知,初始時(shí)節(jié)點(diǎn)10從網(wǎng)絡(luò)1接收數(shù)據(jù),一共接收11個(gè)數(shù)據(jù)包;在0.04 s發(fā)起事件是網(wǎng)絡(luò)1中斷后,節(jié)點(diǎn)10從網(wǎng)絡(luò)2接收數(shù)據(jù),一共收到4個(gè)數(shù)據(jù)包;因此節(jié)點(diǎn)10總共收到所有15個(gè)數(shù)據(jù)包。因此,可以得知ARCNET在網(wǎng)絡(luò)切換過程中,沒有延遲和數(shù)據(jù)包的丟失,同時(shí)還保證快速的響應(yīng),確保了列車網(wǎng)絡(luò)的高可靠性。

通過上文的對(duì)比分析,可以得出如下結(jié)論：

（1）ARCNET可靠性高。因?yàn)榛诹钆平Y(jié)構(gòu), ARCNET在出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換,系統(tǒng)不發(fā)生丟包現(xiàn)象,并且傳輸延遲穩(wěn)定。

圖8 網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)的性能

（2）TCN總線實(shí)時(shí)性高。系統(tǒng)滿足 TCN中規(guī)定最高優(yōu)先權(quán)的變量在總線之間延遲小于100 ms。同時(shí),TCN總線隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,總線的吞吐量顯著增加。此外,TCN對(duì)信息傳輸時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定,滿足列車控制系統(tǒng)這一特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)語

基于 OPNET軟件平臺(tái),本文針對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)TCN和ARCNET控制系統(tǒng),進(jìn)行了實(shí)時(shí)性和可靠性分析。總結(jié)得出,TCN和 ARCNET由于各自系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同,有著不同的通信特性?？傮w表現(xiàn)為,TCN具有較好的實(shí)時(shí)性,ARCNET具有較高的可靠性。因此,開發(fā)同時(shí)具有優(yōu)良的實(shí)時(shí)性和可靠性的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),是列車網(wǎng)絡(luò)的主要研究方向。

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Train TCN and ARCNET Communication Networks Based on OPNET

Zhou Yi,Mao Zhongya

TCN and ARCNET （auxiliary resource computer network）are two most common train communication networks.A modern train communication system has strict requirements for the network because of the specificity of working conditions.To analyze the real-time performance and reliability property,in this paper a simulation of TCN and ARCNET comunication networks is conducted by using the OPNET software.As the result shows,TCN and Arcnet have different characters because of their different structures,TCN has the preferable real-time performance,while ARCNET has better reliability property.

train communication network （TCN）;realtime property;reliability

U 231.7

2013-06-17）