硕士学位论文-基于GSMR的铁路动态旅客信息系统.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 基于gsm-r的铁路动态旅客信息系统（dpis） 姓名：刘军 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：钟章队 20060201 北京交通大学硕七学位论文 飞r 8 7 9 9 6 2 摘要 摘要 铁路动态旅客信息系统( d p i s ) 是以铁路综台数字移动通信系 统( g s m - r ) 为平台和基础，它利用现代铁路的通信技术，补充和推 进客车管理、运营、服务部门信息化建设，提高旅客服务质量，把车 载计算机网络与地面服务系统融合起来，畅通车地服务信息通道和提 高信息共享程度，从而极大地提高铁路在客运方面的竞争力。本文对 d p i s 作了全面的闽述，对t c n 基本原理进行详细总结，重点阐述了 t c n 网络在本系统中的应用以及利用g s m r 进行数据通信的工作原 理。 本文的第一章首先对g s m r 和t c n 的业务功能进行了简要介绍， 总结了铁路旅客列车的业务需求并进行分类，同时指出哪些业务是通 过d p i s 实现，并对d p i s 总体结构予以阐述。 第二章对t c n 网络结构及功能进行洋细分析。 第三章重点分析rt c n 网络在d p i s 系统中的应j = j ，对列车级和 车辆级的两级网络的组成进行了设计。 第四章重点分析了数据业务互联的原理以及数据业务瓦联应用， 给出车一地通信的解决方案。 第五章阐述了地面应用予系统的主要功能和技术方案。 第六章对全文进行了总结和展望，提出了未来的发展方向币j 要解 决的问题。 【关键词】 d p i sg s m - rt c n车地通信 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ) p i st a k e sg s m ra st h ep l a t f o ma n dt o u n d a t i o na n dm a k e su s eo f m o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g j e sf o rr a i l w a y d p i ss u p p i e m e n t sa n d a d v a n c e st h et r a i nm a n a g e m e n t 、 o p e r a t i o n 、j n f o r m a t i o nc o n s t n l c t j o no f s e r v i c es e c t o ra n di m p r o v e st h ep a s s e n g e rg r a d eo fs e r v i c e a 1 s o ，d p i s c o n n e c t st h ev e h i c l ec o m p u t e rn e t w o r ka n dt h eg r o u n ds e r v j c es y s t e m 、 s n l o o t h e st h es e n ，j c ei n f o r m a t i o nc h a n n e la n de n h a n c e st h ej n f o r m a t i o n s h a r i n gd e g r e e ，t h u se n o r m o u s l ye n h a n c e st h er a i l w a yc o m p e t i t i v ea b i l i t y j n t h e p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t j o na s p e c t t h i s p a p e r m a k e st h e c o m p r e h e n s i v ee l a b o r a t i o nt od p i s ，c a r f i e so nad e t a j l e ds u n l m a r yt ot h e t c nb a s i cp r i n c i p l e ，e l a b o r a t e sw i t he m p h a s i sl h ea p p l j c a t i o no ft c n n e t w o r kj nt h i s s y s t e ma n dt h ew o r kp r i n c j p l eo f d a t ac o m m u n i c a t i o n u s i n gg s m r t h ef i r s tc h a p t e rg i v e sas i m p i ei n t r o d u c t i o nt of h es e r v i c ef u n c t i o no f g s m ra n dt c n ，s u m m a r i z ea n dc l a s s i f yt h es e n ，i c er e q u j r e m e n t s a t t h es a m et i m e ，“p o i n t so u tw h i c hs e r v i c e sa r ei m p l e m e n t e db yd p i sa n d j n t r o d u c e st h eg e n e r a la r c h i t e c t u r eo fd p i s i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t j o n so ft c nn e t w o r k a r ed e e p l yi n t r o d u c e d t h et h i t dc h a p t e ra n a l y s e st h ea p p l i c a t i o no ft c nn e t w o r ki nd p i s s y s t e ma n dd e s i g n sat w ol e v e ln e t w o r k ，t h a ti st r a i nl e v e la n d t h ef o u r t hc h a p t e rg i v e sat h o r o u g ha n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o nf o rd a t as e r v i c ei n t e r w o r k i n g ，p r o p o s i n gt h es o l u t i o ns c h e m e f o rt r a i n - g r o u n dc o m m u n i c a t i o n i nt h ef i f t hc h a p t er ，t h em a i nf u n c t j o n sa n dt h es o l u t i o ns c h e m ef o r g r o u n da p p l i c a t i o ns u b s y s t e ma r ej n t r o d u c e d t h el a s tc h a p t e rg i v e saw h o l es u m m a r ya n dp o i n t so u tt h ef i e l d sf o r f u r t h e rs l u d y 【k e yw o r d s 】d p i s g s m rt c n t r a j n g r o u n dc o m m u n i c a t j o n 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1问题的提出 解决客运交通主要方式有公路、铁路以及航空等，其中铁路以安 全经济在客运交通方面占有一定的优势。如何在激烈的竞争中保持这 种优势并且不断的扩大这种优势，赢得更大的客流量，充分发挥国家 铁路运营基础投资的效能，始终是一个课题。 一直以来，列车是个信息的孤岛，随着计算机网络技术和无线通 信技术的发展，解决列车与地面的通信已成可能，车地信息的传输， 可以将列车运行中的动态信息通过无线通信网络与地面站互相通信， 地面站可以随时查询旅客列车的运行状态及车内有关数据，同时，列 车上的所需信息也可适时得到更新，提高旅客列车的安全监控能力， 同时整合资源，用来传送旅客服务信息提高旅客列车的服务质量，铁 路动态旅客信息系统( d p i s ) 将为此提供业务传输的平台，实现信息 共享，提高旅客列车运行的安全性和舒适性，满足日益增长的铁路客 运需求。 此系统基于g s m r ( 铁路综合数字移动通信系统) 来实现。 1 2g s m r 的发展及业务功能 1 2 1g s m r 的发展 近1 0 年来，我国铁路经历了重载运输、电气化改造、既有线提速、 秦沈客运专线建设等一系列的技术进步，推动了铁路通信信号的发展。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 在这样庞大的铁路交通运输网中，要想大幅度提高铁路复线率、电气 化率、自动闭塞比重，实现主要繁忙干线客货分线运输，只能选择一 种新的铁路数字移动通信技术。铁路提速和客运专线网络化、智能化、 综合化的行车调度指挥系统需要高度可靠、高度安全、快速接入的综 合移动通信系统，以及透明、双向、大容量的车一地安全和调度指挥 的信息传输通道。在新的形势下，如何根据我国铁路的实际情况，融 合世界先进通信与网络技术，快速而又高效地建设与形成我国铁路通 信网络，对于加快铁路信息化建设步伐，促进铁路现代化发展，提高 铁路的竞争能力，更好地为社会提供运输服务都具有非常重要的意义。 g s m r 是一种基于目前世界最成熟的、最通用的公共无线通信系 统g s m 平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系 统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁 路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统，其 网络结构如图1 2 所示。由于g s m r 可实现跨越国界的高速列车和一 般列车之间的通信，能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中， 而且g s m 已经提供了大量的业务，g s m - r 在引入铁路专用功能时只 需进行最低限度的改动，故能保证价格低廉、网络的性能可靠性。 g s m r 在欧洲取得了巨大的成功，g s m r 的基本特性已在铁路 网的m o r a n e ( 欧洲铁路移动无线系统) 试验中得到安装、测试和验 证。目前超过3 0 个铁路公司已承诺在其国际铁路网中使用该技术。截 至2 0 0 3 年6 月底，有德国、瑞典、瑞士、意大利、西班牙、英国、比 利时、荷兰、芬兰等国家签订了全国铁路商用化合同，预计在2 0 0 5 年 至2 0 0 8 年完成全国网络的建设。 与世界其他国家铁路相比，中国铁路运输无论在运输模式、客货 运输量、行车指挥和控制方式等方面，都存在着不同程度的差别。这 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 就决定了我国铁路部门在引入g s m r 系统的同时必须使其适应中国 铁路应用的需要，在借鉴和吸收欧洲各国铁路发展的成功经验的同时， 形成满足中国铁路实际需要的网络标准，使中国铁路综合数字移动通 信系统蓬勃、持续的发展下去。 2 0 0 3 年1 2 月，铁道部与华为公司签订了大秦铁路g s m r 工程合 作框架。华为公司已承建大同至秦皇岛铁路的g s m r 系统工程，为全 长6 0 0 余公里的晋煤东运主干线提供综合通信服务保障。一时间， g s m r 这项针对铁路通信所设计和使用的技术在经历了多年的争议 之后，终于在中国落户。 2 0 0 4 年3 月，铁道部与北电网络签署了青藏铁路g s m r 网络的 试用协议。该试验网覆盖长达1 8 6 公里的铁路线，是亚洲第一条采用 g s m r 来传输用于列车控制的安全数据的试验网，并采用双网覆盖的 解决方案来增强系统的可靠性，而无需传统的模拟系统作为后备支持。 北电网络将提供先进的无线网络设备，其中包括i n 、m s c 、b s c 和 b t s ，并将g p r s 引入g s m r 的网络中。g p r s 是g s m r 的主要组 成部分，可支持数据传输应用和面向无线局域网( w l a n ) 等全新的 位置特定服务和应用。该项目已于2 0 0 4 年的1 1 月中旬完成g s m r 系 统的建设和测试工作，g p r s 系统的建设将与2 0 0 5 年2 月完成。 大秦铁路和青藏铁路g s m r 工程的建设和试验的开展，无疑会加 快g s m r 系统在中国的实现和发展，加快铁路信息化建设的步伐，促 进铁路现代化的发展，提高铁路的竞争能力，更好地为社会提供运输 服务。虽然我国的g s m r 尚处于初期建设阶段，但是随着高速铁路建 设的迅速发展，对铁路信息化水平要求不断提升，大规模部署g s m r 将是迟早的事情，同时新技术的发展和应用也将为g s m r 带来更广阔 的发展空间。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2g s m r 的业务功能 g s m r 是基于g s m 平台，专门为满足铁路应用而开发的数字无 线通信系统。它支持所有的g s m 电信业务、承载业务和补充业务，还 引入了a s i c ( 高级语音呼叫业务) ，即通用集群功能。同时还针对铁 路特殊应用开发了功能寻址、基于位置的寻址、f 0 1 l o w m e 功能、调车 编组作业通信、列车自动控制数据传输等具有铁路特色的业务与功能。 g s m r 对铁路沿线进行覆盖 群通信的角度来看，g s m r 又是 通信的需要。 较好地解决了区间通信问题。从集 种数字式集群系统，满足铁路应急 此外，利用g s m r 平台的无线数字传输能力，可以代替轨道电路 实现连续、双向的车地数据通信。具有信息量大，可同时实现多重任 务的传输与交换，及时将列车的动态报警、位置、速度及旅客预订座 位和意外情况等信息由列车传输至地面通信接入服务器及地面应用子 系统，实现列车运行安全监控和动态旅客服务信息的传输和处理。 g s m r 与i s d n 等有线通信网络有标准的互联接口，可以同铁路 现有的有线网紧密结合，实现现代铁路综合、全覆盖通信平台。g s m r 系统能够满足列车最高速度达5 0 0 k m h 的无线通信要求，具有灵活、 经济、少维护、便于引进新的服务业务等特点。 1 3 列车通信网络的发展及业务功能 1 - 3 1 列车通信网络的发展 随着微机技术和通信技术的发展，列车通信网络在初期的串行通 信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准发展为国际 标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列 4 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。1 9 9 9 年，i e c 在众多 的控制网络通信标准中通过比选把t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) 作为列车通信网络标准之一( i e c 6 1 3 7 5 1 ) 。t c n 起源于 欧洲，是针对列车控制领域制定的特定的标准，因而在功能特性和通 信实时性等方面具有较强的优势，当时受到a d t r a n z 公司、s i e m e n s 公 司和其它运输供应商的支持。 在我国，2 0 0 2 年2 月9 日铁道部首次制订并发布了列车通信网 络t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 行业标准，本标准于2 0 0 2 年7 月1 日正式实施，标准文号为t b 厂r 3 0 3 5 2 0 0 2 ，该标准结合国内铁道牵引 的实际情况并参照两个国际标准制订。两个国际标准为： 国际电工委员会i e c 6 1 3 7 5 1 ：1 9 9 9 铁道电气设备列车总线 第1 部分：列车通信网络； 美国电气与电子工程师协会i e e e1 4 7 3 ：1 9 9 9 列车通信协议。 本标准规定了两种类型的列车通信网络：t 型和l 型。其中t 型 即为本文所述的t c n 网络。 1 3 2 列车通信网络的业务功能 列车通信网络是用于列车这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求 高、实时性强、与控制系统紧密相关的特殊计算机网络。i e c t c 9 w g 2 2 在制订t c n 标准时首先考虑的是用户，特别是u i c 的需求。为此列 车区分为在运营中不改变编组的列车和改变编组的列车。标准重点放 在后者，也可用于前者。t c n 所有总线都遵循相同的操作原则，共享 实时协议。列车总线上的业务可以分为牵引信息、车辆的照明、车门、 空调、倾摆控制和报警、列车设备故障和维修等信息、旅客服务信息 显示、意外情况报警、转车预订座位、本车座位信息等等。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 为了不同来源的车辆能够相互通信，在t c n 标准的基础之上， u i c 5 5 6 规定了w t b 上传输的数据及其格式，这一切奠定了t c n 作为 开放网络的基础。 1 4 旅客列车信息服务需求 近十年来，我国铁路经历了几次提速，服务质量上也有很大的提 高，转变了过去铁老大的作风，真正为乘客考虑，做到设施服务人性 化，另外，随着列车通信网络的发展，在这个开放的网络上我们可以 开发一些新业务，提升旅客列车的服务功能。 1 4 1旅客列车动态信息服务的业务需求： 基于g s m r 的旅客列车动态信息服务业务需求主要有以下几个 方面： ( 1 ) 列车控制 调度通信 铁路紧急通信 高速数字通信 尾部风压监测 区间移动通信 ( 2 ) 旅客列车运行安全监控信息收集、处理、传输 防滑器、制动系统和转向架系统的设备故障报警 客车车电综合设备运行情况监控及报警( 包括空调、轴温、车 门、供电、火灾探测等方面) 上述设备故障的远程渗断和维修指导 ( 3 ) 铁路旅客动态服务信息处理、传输 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 移动售票 座位预订；包括火车及飞机预订信息、出租车、酒店的预订信 息 列车供水信息 车内物理环境监测( 包括温度和湿度、有害气体含量等) 车厢实时显示： 1 1 当前时刻、日期和星期 2 1 列车前方到达车站名，正点到站时间和停留时间 3 1 列车运行状态( 包括晚点信息和临时停车信息) 4 1 列车运行速度 5 1 车厢外温度 意外情况报警信息：包括暴力事件、突发疾病等 1 4 2 上述业务目前国内的实现情况 随着铁路无线通信技术的发展，铁路客运需求的解决有了更坚实 的理论基础，下表是对上述业务实现情况的总结： 表1 1旅客列车信息服务业务实现情况 l 序号业务需求业务实现情况备注 在列车通信网络、无线局域网、无线 客车运行公网或专网、铁路既有通信网络的基以青藏线为实验 1 安全监控础上已开发山t c d s 系统，实现了线路 车地的取向通信 在g s m r 的基础上已开发出铁路调在青藏线、人秦 2 列车控制度通信系统、机车同步操控系统、列线展开全面的实 尾风乐监测系统等验和建设 本文结合铁路 铁路动态 目前尚未开发出专门系统米整体解 g s m r 技术发展 3 旅客信息现状从理论l 分 服务 决 析了d p i s 系统 的可行性 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 把铁路动态旅客信息系统的实现作为一个课题提出来。首 先在这里对此给出一个总体的概括：铁路动态旅客信息需要通过车地 无线通信网络实时传送给地面相应的服务器，同时，地面可以实时发 送旅客关心的各种信息并通过车厢显示设备及时告知旅客，实现以上 功能的列车通信网络、车地无线通信子系统、地面应用子系统构成本 文所述的铁路动态旅客信息系统( d p i s ) 。 1 5 动态旅客信息系统( d p i s ) 的总体组成 系统由车载子系统( 列车通信网络) 、车地无线通信子系统、地面 应有子系统( 包括地面应有实体和相关服务系统) 三部分组成。如图 1 1 所示。 图1 1 系统构成 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 1 ( 车载子系统) 列车通信网络的结构： 列车通信网络为两级总线式网络结构，由连接同一列车上的不同 车厢的列车总线w t b 和连接同一车厢内不同功能单元的车厢级总线 m v b 所组成。 1 5 2 车地无线通信子系统 通过g s m r 网络实现车地信息的传输，整个车地无线通信予系统 分为车载功能单元( 包括g s m r 数据通信模块和各种车载应用实体) 和地面功能单元两大部分( 包括通信接入服务器以及各种地面应用实 体) 。 1 5 3 地面应用子系统 d p i s 地面应用子系统由旅客信息综合服务子系统、车辆供水控制 子系统、车厢内物理环境专家分析子系统等组成。 北京交通大学硕十学位论文 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 2 1列车通信网络( t c n ) 概述 图2 1t c n 的结构示意图 为了遵从列车和车辆的拓扑结构，采用了两种总线的分层结构， 即w t b 和m v b 。w t b 为联结列车各个车辆的列车级总线( t r a i nb u s ) ， 提供列车上基本操作单元之间的互联。而m v b 为联结列车各个车辆内 部设备的车辆级总线( v e h i c l eb u s ) ，提供基本操作单元内车载通信 设备之间的互联。 对于列车及车辆级来说，都需要一个数据通信的国际化标准。日 常运营服务中改变编组的列车，如地铁、城际及国际列车等，需要一 个数据通信的标准形式来进行列车控制、诊断及提供旅客信息。当车 辆在轨道上连接时，这种通信必须进行自我配置。在车辆级上，设备 的标准接入将对制造商、供应商及运营商有利。制造商可以组装经过 预测的单元。不同制造商和供应商使用符合某一标准的接口部件，以 降低研发成本，而运营商则可减少备件，简化维护及部件更换。 1 0 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 2 2 列车通信网络( t c n ) 基本原理 2 2 1 一般结构 t c n 对出现在机车车辆上的所有相关配置寻址，包括连接各车辆 的列车总线及连接车辆内部或车组设备的车辆总线( 图2 2 ) 。 臣型圈 列车总线 、噩= 一心一”二过：一q 一逊二一“ 崮囱回 望早圈【粤避芏既罕j 舞疆! 鳃仝l 匿墨 车辆总线车辆总线车辆总线 图2 2t c n 的一般结构 一节车辆可以没有车辆总线，或有一至若干种车辆总线。车辆总 线可以跨越几节车辆，如在闩常运营服务中不分开的车组( 单元) ， 如图2 3 所示。 卜一8 6 0 m ( 无中继器) - 无节点无车辆总线 一种车辆总线两种车辆总线 ( 标准m v b ) ( 标准和非标准m v b ) ( a ) _ 一2 0 0 m ( 无中继嚣) - 图2 3 中 标准车辆总线 非标准车辆总线 ( b ) 幽2 ，3 总线布置几种常见形式 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 ( a ) 开式列车，m v b 作为车辆总线( 在某些车辆中) ，w t b 作为列车总 线： ( b ) 车组之间采用w t b 作为列车总线m v b 作为组内车辆之间的互联； 2 2 2 列车总线( w t b ) w t b 本质上是串行数据通信总线，它提供为需要经常连接或分开 的车辆之间的互联。w t b 满足u i cl e a f l e t5 5 6 的规定，即满足最多可 达由2 2 个车辆组成的u i c 标准列车的通信要求。它的主要组成部分 如下图所示： 拉 拂点与 一末端车辆- - f i 一中同车辆叫一中间车辆- - 1 l 一末端车辆叫 节点号 6 3 一一一一一 o l0 2 0 3 0 4 图2 4 绞线式列车总线( 叮b ) w t b 由两个重要的部件组成： 列车总线：其功能为采用一致的协议连接一列车的所有车辆。 节点：w t b 上的设备，可作为列车总线和车辆总线之间的网 关。 在上图中可以看到只有一个主节点，其他的都是从节点。常规的 结构不允许有多个主节点。 在主节点的控制下，w t b 广播进程数据和消息数据。 进程数据：周期性传输，目的是机车牵引控制和列车通信控制。 消息数掘：在需要时传输，消息数据用柬传递旅客信息和检测、 维修信息。 北京交通大学硕士学位论文 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 为解决列车重组或者节点故障主节点身份可以转移。例如当车辆 联结时组成成分发生转变，主节点身份可能转移。 一个节点同时即可以是主节点也可是从节点。虽然只有一个主节 点，但其它个别的节点具有主节点的能力当一旦主节点发生故障时， 它们会提供冗余来保证传输的可靠性。 w t b 的传输介质为有屏蔽的双绞线，要连接不同的车辆，因此 它应具有较高的机械稳定性。 媒质特征：以l m b i t ，s 速率传输的屏蔽双绞线，wtb 的传输距 离可跨越86o m ，节点数最多可达6 3 个。上述特征，使w t b 可支持 2 2 个车辆( 每个车辆长2 6 m ) 组成的u i c 标准列车的通信。w t b 可 以通过自动耦合或者手动插塞电缆连接不同的车辆。车辆的方向是未 知的，通常布线时在车的端部通过两个连接器贯通。每个跳线和另一 列车插槽相连，自然地形成配线冗余。w t b 在原则上采用冗余布线， 即车辆每侧布一条线。如下图示： 车雕眈线 车藤 鬻 、一 蘸 鏊豢 莲接嚣 ， l 一 图2 5 w t b 俯视图 在w t b 上二进制数据并不是以1 和o 的序列来传输的，也就是 技术上常说的不归零法，也就是曼彻斯特编码方案。 w t b 最显著、同时也是在铁道行业中独有的特点，便是它自动将 节点接顺序编码，而且使所有节点区分列车的左、右侧和盼后方向。 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 每当列车编组发生变化，例如，在增加或减少车辆之后，列车总线节 点执行初运行程序，将各个节点电气互联，并给各个节点分配连续地 址。通常一节车有一个节点，但有时也许会有多个节点或无节点( 如 图2 4 中所示) 。当初运行完成之后，所有车辆均识别列车的拓扑结构： 自己的地址、方向( 左及右) 、相对于总线的位置( 前及后) ； 其他车辆的编号及在列车中的位置； 其他车辆的型号及版本( 如机车、客车等) 并支持他们的功能； 自己及其他车辆的动态特性( 是否有列车级主机的存在) 。 每个节点由2 个高级数据链控制通道组成，每个方向( 前及后) 各 一个( 如图2 6 ) 。 卜型堕一- * 一塑塑卜塑一 2 个通道澈活1 个通道激活1 个遥道激活2 个通道激活 幽2 6 、w b 结构图 在操作中端节点插入终端电阻来闭合总线，而中间节点在端节点 问建立联接。在端节点上，2 个通道都处于激活状态，而另一个为减少 总线负载而被隔离。当一列有n 个节点编组的列车在运行时，它的端 点每隔50ms 在开端上发出“我们有n 个节点”的数据帧，其他时间内 它监视增加的节点。当有m 个节点的第二个编组与它连接时，则第一 个编组的端点检测到“我们有m 个节点”的数据帧而新编组检测到“我 们有n 个节点”的编组。接下来则要看各自节点的数量，若第二个编组 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 有更多的节点( 即m n ) ，则第一编组解散。 原理虽然很简单，然而初运行是复杂的，因为在许多情况下它要 求正确的节点编号与标识。比如节点可以在已初运行的编组中间从低 能耗的休眠模式过渡到激活状态，节点可以作为备份开始工作以防工 作节点失效或一条冗余总线失败，而且这样可以不影响编号。为在总 线故障后能快速恢复，每个节点均可成为总线主节点，在这种情况下， 总线主节点权自动转移到相邻的节点。因为当所有t c n 通信都是从一 从方式，则不能控制列车。当有32 个节点时，最坏情况下的恢复时间 不超过1s 。 一旦初始运行完成，节点便开始互相通报自己的配置，例如以表 征它们是机车、动力车或司机控制车等。w t b 的数据通信和每个变量 及每位( b i t ) 的确切定义在u i c5 5 6 中已标准化。 2 2 3 多功能车辆总线( m v b ) m v b 是连接同一车辆或不同车辆内部的标准设备到列车通信网络 的车辆级总线。它不仅提供可编程设备内部的交互联系，而且提供这 种设备和它的传感器以及其它参与者的互联。m v b 最多容纳4 0 9 5 个设 备，在多方通信中最多可联结2 5 6 个智能总线站。m v b 可以在操作期 间不分开的列车上用作列车总线。 m v b 将一节车辆或闭式列车组中若干节车辆内的设备连接起柬。 m v b 在下列传输介质中以1 5 m b p s 的传输速率工作。 ( 1 ) 当距离超过2 0 0 m 或在对电磁干扰较敏感的环境( 机车上) 时，使用光缆。m v b 指定使用2 4 蛳m 的光缆，与标准电信光缆相比， 它不易破裂且抗振动。 ( 2 ) 在2 0 0 m 的距离内，使用变压器耦合的1 2 0 0 的双绞线来连接 北京交通大学硕士学位论文 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 列车组中2 3 节车辆。这些规范与i e c6 1 1 5 8 类似，但使用1 2 0 0 阻抗以 增强耐用性及降低衰减度。 ( 3 ) 对于在同一屏柜内或在无电隔离的一块背板上且对成本影 响较大的设备连接，采用r s 4 8 5 1 2 0 0 电缆。当有电隔离时，此电缆可 以将闭式列车组中不同车辆上的设备连接起来。因为这些不同的介质 以同样的速率传送同样的信号，它们可通过中继器直接互连。 一个专用的总线主节点控制m v b 并可以有一个冗余的总线主节 点作为备份以提高可用性。m v b 控制器在物理层提供冗余：设备在冗 余线上传输信息，但在监视另一个时只听从于一个。其他的特点包括 如高集成度以防止数据破坏，并且由于强劲的曼彻斯特编码及校验和， 可达到i e c6 0 8 7 0 5 f 1 2 等级的要求。 2 2 4 公共协议 尽管在物理层及链接层上有诸多不同，但它们均遵循同样的工作 原理。 2 2 4 1 数据传送 t c n 总线传输两种类型的数据：过程变量及消息。过程变量反映 列车的状态，如速度、电机电流及操作者的命令。过程变量的传输时 间必须短而确定。铁路应用要求列车通信网络( t c n ) 保证：连接在 列车总线上的两节车中，数据能从一节车辆的车辆总线上的设备传输 到另一节车的车辆总线的设备，传输延迟时l 司不得超过1 0 0m s 。车辆 总线e 的牵引控制则须保证，关键变量的传输延迟时阳j 不得超过1 6 m s 。为保证这些传输延迟时间，列车通信网络( t c n ) 周期性地传输 所有的过程变量。引进旅客服务信息之后，传输消息数据也经常发生， 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 通常它有可能是比较氏的数据，如告警信息及乘客信息等。消息数据 长度可以有几个字节至几千个字节。消息数据的传输时间总体上要求 短，但应用允许有几秒的延迟。故此可以降低要求，让t c n 根据命令 发送消息数据。 2 2 4 2 周期性传输及偶尔性传输的控制 t c n 总线提供两种基本的传输方式，概括为： ( 1 ) 周期性方式( 用于过程变量等) ； ( 2 ) 偶尔性方式( 用于命令响应的数据传输，如消息数据) 。 周期性及偶尔性数据的传输共用同一总线，但总线设备分别处理 它们。总线主节点设备控制周期性数据及偶尔性数据的传输，保证确 定的功能单元存取。为达到这一点，总线主节点在周期相与偶尔相问 切换( 如图2 _ 8 所示) 。 ：一 一1r 1 周期性相 l i 一偶尔性相 周期性相 。；偶尔性相 冈f习冈闫南甬冈冈同南冈同同同面甬同冈同h 冈冈一 事件? 一 事件? ；一 时间 保护时间 保护时间 图2 - 8 w t b 结构图 传输被分成固定宽度的基本周期，在m v b 上可以是1m s 或2m s ， 而w t b 可以是2 5m s 。在每一周期丌始后，总线主节点确定的时间周 期一周期相之内按顺序轮询过程变量。为减少传输量，紧急数据在每 个周期内均被传输，而不甚紧急的数据则采用特征周期传输，特征周 期是基本周期的2 、4 、8 等倍数，最长为1 0 2 4m s 。在传输完过程变量 之后，总线主节点检查偶尔性数据以便传输。在w t b 上，周期数据中 北京交通大学硕士学位论文 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 有一标志指示某一节点上有偶尔性数据被挂起。在m v b 上，一个仲裁 进程保证几台设备中有一台得到服务。如果没有偶尔性数据需要传输， 则偶尔性相不被使用。如果有此数据，则总线主节点检查是否有足够 的时间直到下一周期开始( 它遵从保护时间) ，若有，则要求某台设 备传输其偶尔性数据。下一周期开始需要极其精确，因为一个周期内 的第一个主帧用来使所有时钟在几个微秒的抖动之内同步。 2 2 4 3 过程变量传输 在过程数据传输的第一个阶段，总线主节点以广播方式发送一帧 不指定源设备的数据，以触发某一变量的传输。在第二个阶段，源设 备以广播方式向所有设备发送一帧包含所请求的过程变量值的数据作 为应答。连接在总线上的设备若对此变量值感兴趣，则将其取出( 图 2 9 所示) 。 设备 从节点) 总线 ( b ) 图2 9 基于原地址的j 1 播 图2 9 中： 第一阶段( a ) 中，总线主以广播方式发送一个短的含有变量标识符的主 帧； 第二阶段( b ) 中，源设备从一个从帧中发送变量值为对此值感兴趣的 设备所接收。总线主通常既不是变量的信源也不是变量的信宿。 为提高效率，从帧传输大量相同周期的变量，称为一个数据集。 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 一个数据集包括数值及校验位，但没有地址。每个变量通过其对于数 据集开始的偏移而被识别，每个数据集由帧识别。为保持确定论，配 置工具在操作开始之前定义帧格式及轮询列表，此后传输模式不能改 变。在m v b 上，每台总线设备可以( 作为源或宿) 有多达4 0 9 6 个数 据集。在w t b 上，每个节点只有一个数据集可以广播，但他可以从 其他节点接收多达3 2 个数据集。含有一些变量数值的源或宿数据集被 储存于一共享存储器中，称之为通信存储器。应用程序处理器及总线 控制器可以同时存取一台设备上的通信存储器的数据。通信存储器可 共同实现一个分布式的数据库，总线也保持同步。对于应用程序编制 者来说，总线即相当于一个共享存储空间。 基于源地址的广播使应用程序及总线独立地进行操作。应用程序 处理器只有在与时间同步进行接收或发送时会被中断。这种尾对尾的 确定论是由应用进程和总线的周期性本质来保证的。既然总线主节点 周期性地请求发送过程变量，也就不必在偶然一次数据丢失后进行明 显的重发。为了处理永久的故障，总线控制器为每一变量保持一个计 数器，以指示在多久以前总线刷新了此变量。另外，应用为每一变量 发送一个校验变量，以保证变量及时而正确地产生。应用既可以单个 地也能以更高效的块方式来存取过程变量。过程数据的应用层将待发 送的数据整理成单个应用变量。它也将数据类型转换成用户用的表达 式。w t b 与m v b 间的网关将变量从一种总线拷贝至另一种总线，并使 时钟周期同步。网关同时也可合并变量，例如，它可建立一个复合变 量，指示一节车的所有车门都已关闭。 2 2 4 5 消息传输 在t c n 上透明地交换消息数据。一个应用不能决定它的同位体是 北京交通大学硕士学位论文 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 否驻留在同一总线上或同一站点上，或网络中任何其他位管。为应付 各种车辆及装备，t c n 为消息采用逻辑地址。列车总线的每个节点支 持几个应用功能。对于一个来自w t b 的外部节点来说，一节车辆的内 部组织是不可检测的，看起来似乎列车总线节点在执行所有的功能。 一台设备或几台设备或列车总线可以执行应用功能，一台设备可以执 行几个功能，或不同设备执行一个功能。同样的原理也适用于车辆总 线上的通信，即应用不必识别其他功能存在于什么地方。应用间基于 客户服务器模式进行通信。一次会话包括一个发自于客户端的呼叫以 及来自远程服务器的应答。当发送成功或超时时，网络就不再为会话 保留存储空间。这在存储器及定时器方面较如t c p 之类的面向数据流 的协议更有效率，也更适合重要的诊断信息传输。通信层将这些呼叫 或应答消息分成小信息包进行传输。每个信息包携有完整的地址，以 识别其来源及目的地。列车总线使用功能目录来对信息包进行路线导 向，表明哪个设备在执行哪个功能。此功能目录是静态的。一个动态 的实现也许会与即插即用相类似，但可能会导致较大的故障恢复延迟。 一个经典的滑动窗口重发协议实现了流程控制及错误恢复。只有术端 设备执行此传输协议，而中间设备只在异常情况下( 如初运行过程等) 介入。 2 2 5 编址与寻址 2 2 5 1 对节点的编址 节点作为列车总线和车辆总线之间的网关，在列车通信网中扮演 重要的角色。每个节点都连接到列车总线上，一条列车总线最多可以 挂连6 3 个节点。每一列列车在某一时刻必须有一个且只能有一个控制 总线工作的节点，这个节点称为主节点，其它的节点都是从节点。当 北京交通大学硕士学位论文第一二章列车通信网络( t c n ) 原理 列车的组成发生变化时，例如车辆的连挂或解挂，列车主节点重新组 织总线，给每个节点分配6 位的节点地址，这个过程就是所谓的列车初 运行。列车的每个节点都有两个方向：方向1 和方向2 。车辆的两侧称 为a 侧和b 侧，a 侧和b 侧与方向1 和方向2 有关，若方向1 朝北，a 侧则 朝西。列车总线用相对于主节点的位置来标识节点，主节点的节点地 址总是0 1 。在主节点方向2 上的节点，从0 2 开始按递增顺序依次编号， 最后命名的节点为顶节点。在主节点方向1 上的节点，从6 3 开始按递减 顺序依次编号最后命名的节点为底节点。节点地址的分配如图2 1 0 所示： 幽2 - 1 0 节点地址分配不意图 2 2 5 2 对设备的编址 连接到总线上的器件称为设备，设备由设备地址来标识。车辆总 线最多可以寻址4 0 9 6 个设备，所以在车辆总线上用1 2 位的设备地址。 列车总线上的设备地址为8 位，其中低6 位是节点地址，因为连接到列 车总线上的设备只有节点。连接到多条总线e 的设备对每条总线可以 有不同的设备地址。一些特殊的设备例如中继器，因为它仅仅参与 物理层的工作所以没有漫备地址。设备地址o 是用来标识本地链路层， 最高的设各地址( 例如8 位的设备地址1 1 1 1 1 1 1 1 b ) 表示对总线上的所有 设备的广播，这两个地址都不能分配给某个特定的设备。 北京交通大学硕士学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 2 2 5 3 组地址 为了按类型访问车辆或一组车辆，用组地址来取代节点地址车 辆类型的分组与应用有关。如图2 1 1 所示，第二节车辆既属于第一组 又属于第三组，属于哪一组是由不同的应用决定的。每一个组都有一 个组地址，组地址也是6 位。 车辆缎l 鬻辆组2 2 2 5 4 网络地址 车辆维3 图2 1 1 车辆的分组示意图 网络地址分为系统地址和用户地址，系统地址用来标识网络中的 一个站。用户地址用来标识网络中的一个功能。在调试和检错时，工 程师用管理消息来访问设备，由于列车通信网组态的多样性，管理消 息一般不使用设备地址，为了在各种拓扑下寻址设备。网络管理把列 车通信网络看成是由挂在每个节点上的多个站组成，如图2 1 2 所示。 图2 一1 2 系统结构示意图 站就是列车通信网中能进行消息通信的设备，一个节点上最多可 北京交通大学硕士学位论文 第二章列车通信网络( t c n ) 原理 以挂接2 5 5 个站，节点本身也被看成一个站，每个站用一个8 位站标 识符( s t a t i o n j d ) 来标识，节点作为一个站也有站标识符。图 中以撑 开头的就是站标识符。节点地址( 或组地址) 与站标识符一起组成了系 统地址，通过系统地址就可以找到一个站。每节车辆都支持一些功能， 例如门、空调、照明、制动等。功能可以由连接到车辆总线上的设备 执行，也可以直接由节点执行。一个设备可以执行几个功能，一个功 能也可以由几个设备来执行。列车总线的用户不期望知道一个车辆所 包含的全部设备。而只考虑一个车辆能支持何种功能。因此，用户并 不对远程设备寻址，而是对一个远程功能进行寻址。通过功能而不是 设备来寻址的方式也适用于车辆总线：应用只调用一个功能但没有规 定由那个设备来执行这个功能。用户应用把网络看成是由能支持多个 功能的各个节点组成。每个功能用一个8 位的功能标识符( f u n e j o n i d ) 来标识。节点地址( 或组地址) 与功能标识符一起组成用户地址，通过 用户地址就可以寻址一个功能 2 2 5 5 端口地址 因为过程变量很小，为了提高传输效率，将多个过程变量放在一 个过程数据帧中传输，这些过程变量构成了一个数据集。列车通信网 中的设备都提供一个或多个通信存储器来存储数据集，通信存储器可 以南网络和用户共同访问。一个设备中最多可以有1 6 个通信存储器， 通信存储器用4 位的通信存储器标识符( t r a f f i c s t o r e i d ) 来标识，每 个通信存储器包含多个端口，端口是一种共享的内存结构，数据集存 储在端口中，每个端口只存储一个数据集。一个通信存储器最多可有 4 0 9 6 个端口，所以每个端口用一个1 2 位的端口地址来标识。 北京交通大学硕十学位论文第二章列车通信网络( t c n ) 原理 2 2 5 6 各地址间的映射 在列车通信网中，一个设备很可能有多个地址。例如一