（交通信息工程及控制专业论文）基于LAN的列车通信网络模拟及性能分析.pdf

堕查奎曼查兰! 主堕壅竺兰竺丝茎苎! 蔓 - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 摘要 f f - - 、( 列车通信网络( t c n ) 是铁路列车车辆之间和车辆内部可编程设备互联 传瘗a 控制、检测与诊断信息的数据通信网络。国际电工委员会( i e c ) 为此制定了i e c6 1 3 7 5 1t c n 标准。然而在国内有关t c n 技术除少量引进外， 尚未形成具有自主知识产权的列车网络产品。有关支持i e c6 1 3 7 5 - 1 标准的 产品有限，而且价格昂贵。鉴于上述情况，本文对t c n 技术进行深入研究以 掌握其核心技术。 t c n 的两大特点是：( j ) 为了保证数据传送时间的确定性，i e c6 1 3 7 5 1 标准在链路层采用轮询机制：( 2 ) e h ：j ：列车编组经常变化，导致列车总线网络 设备地址变化，为此i e c6 1 3 7 5 1 设计了列车初运行过程，以实现列车组成 变化后车辆地址的自动分配。1 本文主要内容分为两部分：1 绞线式列车总线( w t b ) 初运行模拟系统。 该系统在实验室局域网( 1 0 0 m 总线型结构) 环境下基于w i n d o w s 9 8 和 c + + b u i l d e r5 0 平台利用w i n d o w ss o c k e t 编程技术开发完成，着重实现韧运 行过程中车辆节点的命名。程序运行结果表明系统可以模拟i e c6 1 3 7 5 1 中 初运行的功能。2 在归一化条件下对m v b 轮询访问方式与c s m a c d 介质 访问方式的分析比较。由于i e c6 1 3 7 5 一i 规定的数据通信速率为i m b p s ，而 一般以太网速率很高，为便于比较，进行归一化处理，都归算到i m b p s 。对 m v b 和c s m a c d 在同等条件下所能达到的吞吐率、时延等指标分析计算， 并由m a t l a b 绘出曲线图。分析结果表明m v b 在吞吐率、时延等方面均具有 优势。然而考虑到两方面的因素：( 1 ) e t h e r n e t 采用的i e e e 8 0 2 3 标准指定 的姒c 帧最短数据域长是3 6 8 位，不够时应装入填充比特，造成不必要的开 销，而i e c6 1 3 7 5 一l 规定的最短过程数据仅为1 6 位。最长不过2 5 6 位；( 2 ) 由于归一化速率为l m b p s ，而实际的e t h e r n e t 传输速率远远高于i m b p s 。因 此用c s 撇c d 实现f f c b 轮询的功能还是可行的。 关键词：列车通信网络；w i n s o c k ：吞吐重；c s m a c d a b s tr a c t t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) i sad a t ac o m u n i c a t i o nn e t w o r k i nw h i c ha l lc o n t r o l 。d e t e c t i o na n dd i a g n o s i si n f o r m a t i o na rec a r r i e d f o ri a t e t c o a n e c t i n gp r o g r a m m a b l ee q u i p m e n t sb e t w e e na n dw i t h i nt a i lv e h i c l e s t h ei n t e r n a f i o n a ie l e c t r o t e c h n 【i c a lc o m m i s s i o no e oh a sc o n s t i t u t e dat c n s t 3 n d a r 士一i e c6 1 3 7 5 1 h o w e v e r ，n ot r a i nn e t w o r kp r o d u c t sw i t hi n d e p e n d e n t b o 、v i e d g ep r o p e r t yh a v eb e e nd e v e l o p e db u tf e wt e c h n o l o g e sr e l e v a n tt ot c n b o e ni n t r o d u c v di no t l f 哪t r y o nt h eo t h e rh a n d , p r o d u c t ss u p p o r t i n gi e c 6 1 3 7 5 一la r el i m i t e dw i t hh i g hp r i c e d e e pr e s e a r c ho bt c nt e c h n o l o g yi sm a d e i nt h i sp a p e rc o n s i d e r i n ga b o v ec a s e s t w on o t a b l oc h a r a c t c n s f i c so ft c na r ca sf m l o w s ：( 1 ) p o l l i n gm a c s t r a t e g yi sa d o p t e di nl i n kl a y e rb yi e c6 1 3 7 5 - lt oe n s u r et h ec e r t a i n t yo fd a t a t r a n s m i s s i o nt i m e ；( 2 ) t r a i ni n a u g u r a t i o np r o c e d u r ei sd e v i s e dt or c a li z c t h ea u t o 口a t i ca l l o c a t i o no fr a i lv e h i c l ea d d r e s si nt h en e t w o r k t h ep a p e rc o n s i s t so ft i om a i np a r t s ：1 as i m a l a t i n gs y s t e mo f w i r et w i s t e db u s ( w t b ) i n a u g u r a t i o n ，t h es y s t e mwasc o m p l e t e du s i n g w i n d o w ss o c k e tp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yb a s e d o n 并i n d o w s 9 8a n d c + + b u i l d e r5 0s t a t i o nu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fo u rl a b o r a t o r yl a n ( 1 0 0 mb u st o p o l o g y ) t h en a m i n go fv e h i c l en o d e sd u r i n gi n a u g u r a t i o n i se m p h a s i z e d i ti sa l s oj n d i c a r e dt h a tt h es y s t e mm a ys i m u l a t e f u n c t i o n sp r e s c r i b e di ni e c6 1 3 7 5 一l b yr u n n i n gt h ep r o g r a m 2 t h e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nm u lt if u n c t i o nv e h i c l eb u s ( m v b ) p o l li n g , m a cm o d ea n dc s 姒c o 姒cm o d eu n d e rn o r m a li z i n gt e n d it i o n n o r m a l i z a t i o np r o c e s s i n gwasm a d ef o rc o n t r a s ti nt h a td a t ar a t e r e g u l a t e di n e c6 1 3 7 5 ；l i sl p s 。w h i l et h ed a t ar a t eo fg e n e r a l e t h e r n e ti sv e r yh i g h t h u st h en o r m a l j z i n gr a t ei s lm b p s t h e p e r f o r m a n c e ss u c hast h r o u g h p u ta n dt i m ed e l a y 。e t c w i t hr e s p e c tt o m v ba n dc s 姒c ou n d e rt h es a m ec o n d it j o nwerea n a l y z e d m o r e o v e rt h e c a y v e sa c c o r d i n gt oc o m p u t i n gr e s u l t sw e r ep l o t t e db ym a t l a b a n a l y s i s 西南变叠大掌焉士研究生学位论文第1i i 页 r e s u lt ss h o wt h a t 州bp r e d o n i n a t e sa ta s p e c t so ft h r o u g h p u ta n dd e l a y t w op i e c e so fr e a s o nw h i c hc a u s et h i sr e s u l ta r e ：( 1 ) i e e e8 0 2 3 s t a n d a r da d o p t e di ne t h e r n e td e s i g n a t e s3 6 8h it sm i n i m o ad a t af j e l d s i z ei u 姒cf r a m e ，f l h i n gb lt sw i11b el o a d e di fd a t aj e n g t hi ss h o r t e r t h a n3 6 8b i t s ，w h i c hc a u s e se x t r as p e n d i n g o nt h ec o n t r a r y ，t h e m a x i n u up r o c e s sd a t a1 e n g t hi ni e c6 1 3 7 5 1i sp a l y2 5 6b i t s ( 2 ) a c t u a l e t h e r n e tr a t em a yb el o m b p s ，l o o m b p s 。1 0 0 0 m b p s 。w h i c hi sf a rh i g h e r t h a nl 托c o n s e q u e n t l yi t i s1 i k e | yt h a tc s m c of u l f i l lf u n c t i o n so f h q bp o lli n gs t r a t e g y 。 k e yw o r d s ：t r a i nc o u m u n i c a t i o nn e t w o r k ：w i n s o c k ：t h r o u g h p u t ：c a r r i e r s e n s em u l t i p i ea c c e s s c o n f l i c td e t e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 当今社会，随着人们生活节奏的加快，人口的流动量越来越大，流动范 围也越来越广。如何能在最短的时间内为旅客提供方便、快捷、高效、舒适 而经济的服务，不仅是旅客关心的问题，而且也是铁路系统赢得客流量的关 键。随着我国航空和高速公路的迅猛发展，这一问题显得更加突出。铁路是 我国国民经济的大动脉，运量同运能之间日趋尖锐的矛盾，也成为制约国民 经济快速发展的“瓶颈”。迄今为止，我国还没有一条真正意义上的高速铁 路。高速铁路以其商速度、大运萤、低能耗、轻污染、占地少、安 全好等一系列突出的技术经济优势，适应了现代化社会经济发展的 需求。国外在这方面远远走在我们的前面，如日本的新干线( 1 9 6 4 年就投 入运营，时速高达3 2 0 k i n ) 、法国的t g v 系列( 】9 8 3 年通车，时速也超过 3 0 0 k i n ) 、德国的i c e 列车( 1 9 9 1 年通车，速度也已突破3 0 0 k i n ) 。我国要 发展高速列车，只有借鉴外国先进技术并逐步加以消化吸收，力争开发出具 有自主知识产权的技术产品。高速列车群的运行控制及信息传输是高速列车 的关键技术之一。 高速列车必须以保证旅客乘车安全与舒适为基础，必须对车厢的制动、 防滑、车门、供电及空调等设备分别进行控制、检测和诊断，各设备分别由 相应的微机进行控制。构成各个子系统，进而形成全列车的的控制、检测与 诊断系统1 2 7 2 8 2 9o 】口 高速列车控制、检测与诊断系统是以车载微机为主要技术手段，对高速 列车的运行控制、机车控制、车辆控制、状态控制、状态检测、故障诊断以 及对旅客信息服务进行综合处理的系统。该系统是确保高速列车运行安全与 舒适的关键技术之一。 国外已开行的高速列车，如德国的i c e 、法国的t g v 等高速列车，它们都 有其完整的通信网络。国际电工技术委员会i e c 第九技术委员会t c 9 第二十二 工作组w g 2 2 为此特别制定了列车通信网络( t c n ) 的参考标准( i e c6 1 3 7 5 1 、，对 列车和车厢通信网络作了明确详尽的阐述。 1 2 列车通信网络在国内外发展情况简介 7 0 年代末至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在西门子和b b c 出现，开 西南交通大学焉士研究生学位论文 第2 页 始仅仅是用于传动装置的控制随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系 统化分为六个层次：公司管理、铁路运营、列车控铜、机车车辆控制、传动 控制和过程驱动，列车通信网在初期串行通信总线的基础上应运面生，并从 原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的 标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具删 然而列车通信网络在我国还处于起步阶段。目前国内尚无现成的列车通 信网络产品，一些机车车辆制造厂为了尽快占领新型机车车辆市场，纷纷从 国外进口具有网络功能的控制产品，如出口伊朗的地铁车、现在正在运营的 内燃动车组，分别引进了a d t r a n z 瑞士分公司，德国s i e m e n s 公司的产品， 以解燃眉之急1 1 2 1 。国内的研究工作也主要在实验室内进行，9 9 年出厂的几种 动车组在不问程度上采用列车通信网络。 上海铁道大学、北方交通大学等单位与株洲电力机车研究所在列车通信 网，故障诊断理论、显示软件方面做了大量的探索性工作，对列车通信网的 探索性研究起到了重要的启蒙f f 用；在故障诊断理论方面的研究具有指导编 程的现实意义；在显示方面的研究成果可以变成产品。 上海铁道大学、北方交通大学等单位与株洲所联合研制了4 u 、6 u 、3 u 各种规格的a r c n e t 列车总线网卡和h d l c 车辆总线网卡l 。 此外。路内一些单位对l o n w o r k s 现场总线在列车通信网中的应用也进 行了研究，株洲电力机车研究所研制的用于电力机车m i c a s 微机控制装置 的k o n w o r k s 网正在2 动9 拖准高速内燃动车组上考核，以积累现场运行经 验。 1 9 8 8 年，1 e ct c 9w g 2 2 成立，其任务是制定一个开放的通信标准，从 而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，并且车上的可编程电子设备能够达 到互换。 1 9 9 2 年6 月，t c 9w g 2 2 以委员会草案c d ( c o m m i t t e er ) f j a f t ) 的形式向各 国发出列车通信月的征求意见稿，该稿分成以下四个部分： 第一部分总体结构 第二部分实时协议 第三部分多功麓车厢总线 第四部分绞线式列车总线 总体结构把列车通信网规定为由多功能车厢总线m v b 和绞线式列车总线 西南交近大学硕士研究生学位论文 筹3 页 w t b 组成其中多功能车厢总线m v b 以a b b 的m i c a s 车辆总线m v b 为蓝 本，w t b 以西门子的d i n 4 3 3 2 2 和意大利的c d 4 5 0 为蓝本。 多功能车厢总线介质访问采用轮询方式其传输介质可以是双绞线，也可 以是光纤。传输信号采用曼彻斯特编码。发送的基本周期是l m s 或2 m s 。 绞线式列车总线模型结构采用复合型：对过程变量只有三层，即o s i 的物 理层、数据链路层、应用层；对消息数据有七层。介质访问同样采用轮询访问 方式，信号传输介质为双绞线，传输信号采用曼彻斯特编码。发送的基本周期 是2 5 n l f 。 1 9 9 4 年5 月至1 9 9 5 年9 月，欧洲铁路研究所e r r i 耗资3 0 0 万美元，在瑞 士的i n t e r l a k e n 至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士s b b 、德国d b 、意大利、 荷兰n s 的车辆编组组成的运营试验列车进行了全面的t c n 实验。 1 9 9 8 年1 1 月，i e c 在中国株洲召开年会。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草案6 1 3 7 5 - l 正式成为国际标准。在i e c 6 1 3 7 5 1 中，除了上述四个部分外，还增加了： 第五部分列车网络管理 附录a列车通信网导引 附录b一致性测试导则 t 3 本文研究的主要内容和方法 作为列车通信网络( t c n ) 标准。i e c6 1 3 7 5 】正逐步在铁路行业受到广泛 的重视，并被应用到各种新型的机车车辆上。如上所述，t c n 标准定义了两种 用于列车车载数据通信的现场总线：绞线式列车总线( w t b ) 和多功能车辆总 线( m v b ) 。a d t r a n z t c n 网关提供w t b 和m v b 间的接口1 1 6 | 。诸如门 控或刹车的予系统通过符合t c h 规范开放性的m v b 介质接口板互连。 w t b 被设计用于实现频繁改变编组中的各车辆的互连，具有自适应列车编组的 能力，它可对经常改变编组的铁路列车、地铁列车和城市轻轨交通车辆的控制、 安全、运营和维护提供关键的数据通信支持。 在部分国外专用芯片不能单独购得的情况下，采用e ct c n 的程度如何? 列车通信网能否采用普通的网络协议? 等等，这些问题都值得研究。本论文的 选题正是基于i e c6 1 3 7 5 1 标准在实验室局域网环境下仿真实现列车通信网络 的部分功能，对i e c6 1 3 7 5 1 标准的有关内容进行了深入的剖析。结合该领域当 前在国内外所取得的研究成果，针对不同应用，重点放在w t b 初运行的模拟实 现，提出并分析比较不同的总体实现方案，为将来开发实用的w t b 技术和产品 作准备。首先概述选题的意义及t c i q 在国内外的研究发展情况。围绕列车通信 堕妻壅曼查兰曼主堡塞皇兰堡堡塞 蔓! 垦一 面丽磊鬲- 夏覆荪军磊吾两丽磊磊耍磊夏看戛i i i 甄议，在此基础上探讨有 网的结构，浅谈列车通信网的功能、实现及有关通信协议，在此基础上琛词伺 关在e d 材l l e t 环境下实现t c n 的可行性。并给出在w i n d o w s 平台下利用 c + + b u i l d e r 编程模拟实现w t b 初运行的过程。最后就介质访问控制( m a c ) 方式，对比分析了e t h e m e t 中广泛采用的c s m a c d 和m v b ( 多功能车厢总线) 中的m a c 方式在传输过程数据与消息数据中的动态性能。结果表明t 为简化 t c n 的设计，缩短开发周期，可以选择适合于t ( 烈特定要求的通信协议t 但要 充分考虑可靠性和实时性。 西南交叠大学磺士研究生学位论文 第5 页 第2 章列车通信网结构 2 1 列车通信网概述 列车通信网采用分层结构i l l ，根据列车控制的特点分为上、下两层。上层为 列车通信子网，简称绞线式列车总线( 、 b ) ，下层为车厢通信子网，简称多 功能车厢总线( m v b ) ，如图2 - 1 。 图2 i列车通信网结构 w t l 3 传输速率为l l v l b l 葛，传输介质为屏蔽双绞线，通过手插式跨接电缆或 自动连接器来实现车辆之间的互连，最大直接通信距离8 6 0 m c 包括干线电缆、 扩展电缆和耦合电缆，这与2 2 节每节2 6 m 长的车厢组织相对应，另外考虑5 0 的裕量) ，最多可连接3 2 个节点( 链路地址允许寻址到6 2 个节点) 。通常为 每个车辆安装1 个节点，也可以没有或多于1 个节点。为提高传输可靠性，w r 1 3 采用了介质冗余。数据在两条介质上同时传送，仲裁逻辑依据收发器提供的载 波检测信号在两路接收信号问作出选择。 m v b 分别设置在各节车厢内，用以连接该节车厢内的节点和各个控制单元 与设备。 列车总线和车厢总线通过节点实现互连，它们是两个相互独立的通信子网， 而且有不同的通信协议。因此，节点就是列车总线和车厢总线的交汇点，同时 是进行协议转换的网关。 2 2 列车通信网中的数据与传递 列车通信网在整个列车控制系统中的主要功能是沟通列车内各个控制单 元的信息，实现信息流通，以达到控制的统一和资源共享。在高速列车控制 系统中传输的信息主要有以下几种： 列车运行的控制命令 运行中各车厢的状态信息 西南交通大学磺士研究生学位论文 第6 页 藏障诊断所需的信息及结果 显示单元所要显示的各种信息 通信舟的管理信息 其它与列车运行、安全及旅客服务有关的。需要在列车内传递的信 息 所有在列车通信罔上传送的信息统称为数据。根据信息的性质和实时性 的要求，将数据分为三类：过程数据、消息数据和管理数据，通信网采用不 同的方法来传递这三类数据。 过程数据是那些短而紧迫，传输时间是确定和有界的数据。把列车运行 的控制命令和运行状态信息定义为过程数据，如司机的手柄位，列车运行速 度，当前的时间，各单元的工作状态等。由于过程数据的传输时间必须有一 个确定的上界，故而过程数据的传输是周期性的。 消息数据定义为那些非紧迫的信息，把诊断信息、显示信息和服务功能 作为消息数据来传送，数据量可能较大而且传递没有确定的时间限制，因此 它们的传送是非周期性的，而且可能根据需要分帧传送。 管理数据是网络自身管理、维护和初始化时，在通信网中传递的数据。 这些数据只有在网络重构或初始化时才传递，管理数据的传递与其它两种数 据不会发生冲突。 2 。3 列车通信网络介质访问方式 一般有动力装置的车厢( 动车和机车) 内的节点作为主节点，无动力装 箕的车厢内的节点作为从节点。w t b 介质访问控制方式为主一从控制方式， 每一列车在运行中必须有且只能有一个控制总线工作的节点，称为控制节点， 控制节点必须是主节点，一般情况下以前导机车内的主节点为控制节点，称 为主控节点。主控节点管理列车总线的运行，必要时主控节点可以切换，车 厢总线由各车厢内的节点管理运行。 主节点将总线带宽以2 5 m s 为基本周期进行划分，基本周期又分解为周 期相和偶发相。周期相用于传输实时的过程数据，每帧过程数据中可包含多 个相周传输周期的变量。每个基本周期开始是周期相，在此期间，主节点按 预先生成的周期列表依次请求从节点向总线广播其过程数据，此外有消息数 据发送的从节点还在其过程数据中发送一个请求标志，主节点将记录此请求。 基本周期中周期相之后的部分是偶发相，在此期间主节点向请求发送消息数 据的节点依次发送消息数据传送请求，收到请求的节点将要发送的消息数据 西南交叠大学硕士研究生学位论文 第7 页 发向目的节点从节点在主控节点的轮询下向主应用或其它从应用发送过程 数据，并在有消息数据需发送时，主动在2 5 m s 内过程数据发送完毕期间， 也即儡发相( 相对周期相而言) 利用分配的消息时间片向主节点或其它从节 点发送该消息数据。这种介质访问方式可保证实时变量传输的确定性。实时 变量的最大传送时延只与总线豹基本周期有关，而与总线负载情况无关。在 过程数据和消息数据之间，主节点还发送一些监控数据请求以监控总线状态。 西南交蠢大学焉士研究生学位论文 第8 页 第3 章基于局域网的w t b 初运行的模拟 列车总线主设备是监督列车配置情况的一个节点，当列车的组成改变( 如 连挂、解挂车辆) 时，特别是车厢被连挂或解挂时，主设备需重新配置总线 这个过程称为初运行啪。在此期间，它还向每个节点提供其位置地址，并告 知列车运行的主方向，以区分前后左右。由于本实验是在实验室总线型局域 网( 一个主工作站、五个从工作站潮：境下进行模拟的，我们是按从工作站( 相 当于w t b 中的从设各) 对主工作站( 、1 m 中主设备) 命名响应的先后顺序来区 分，初运行所模拟的主要是对各车厢节点的自动命名和列车构成信息的发布。 随着网络应用的日益普及，w i n d o w s 下的网络编程显得尤为重要。 w i n s o c k ( w i n d o w ss o c k e t s 的简称) 正确使用使得工作在不同类型地址下的各 种应用程序得以在w i n d o w s 环境下顺利进行网络通信。本章着重讨论如何利 用w i n s o c k 编程技术实现列车韧运行的模拟。 初运行过程往往是复杂的，而又是w t b 的关键所在，因为它不仅负责 各节点的正确编号，而且还可能进行低功率休眠模式( 用于在蓄电池供电时保 护蓄电池) 和正常模式问的切换。为了更好地理解初运行的过程，我们在 w i n d o w s 环境下开发了一个模拟列车初运行的应用软件。下面首先对列车初 运行的目的、过程及相关问题进行说明。 3 1 列车初运行“n 3 1 1 初运行目的 列车初运行期间： ( 1 ) 节点与其电缆节建立电连接以形成一个两端带端接器的总线段： ( 2 ) 每个节点接收一个识别其相对于主节点位置和方向的唯一地址，并 告知主节点其1 n d i v i d u a lp c d o d ( 特征周期) 和n o d ed c s c d p t o r ( 节点 描述符) ： ( 3 ) 每个节点收到一个称为构形( 详见3 t 1 3 小节) 的描述符，该描述符指 出其它节点的地址，位置和描述符。 3 1 2 节点地址分配 初运行过程中，节点地址的分配遵循以下规则： ( 1 ) 主节点( 执行韧运行的主设备) 地址为o l ； 西南交叠大学硕士研究生学位论文 第9 页 ( 2 ) 4 i 管实际运行方向，主节点定义“尾部”方向为d i r e c t i o n _ ! ( 方向i ) ， “首部”方向为d i r e c t i o n2 ( 方向2 ) ； 3 ) 在方向l _ lt 节点按降序命名节点，并以地址6 3 开始，该方向最后 命名的节点是尾部节点； ( 4 ) 确：方向2 上芭节点按升序命名节点，以地址0 2 开始，该方向最后命 名的节点是首部节点： ( 5 ) t - 节点最多可以命名6 2 个节点； ( 6 ) 未命名节点在其m a i nc h a n n e l ( 主信道) 和a u x i l i a r yc h a n n e l ( 辅助信 道) ( 两种信道都可认为是辅助信道) 上响应“u n n a m e d ”地址。 初运行使每个节点都知道： 节点地址： 节点的l i n ea ( 线路a ) 和l i n eb ( 线路b ) 中哪一条对应主节点 的线路a 。该线路命名为“p ”，另一条为“s ”； 节点的地址以升序还是降序命名； 显示所有节点位景，地址和类型的构形。 本疗案要求所有车厢已经由电缆连接好，也就是，节点的方向1 应指向 每转车厢的l 端。 3 1 3 初运行要求 初运行过程确保： ( j ) 在下面情况下，总线仅由一个主节点控制： 如果有多个弱节点，仲裁过程确保其中恰好有一个收到总线控 制，而其它的弱节点成为从节点： 如果存在一个强节点，这个节点成为主节点并命名所有其它节点 f 从节点) ； 如果存在几个强节点每个都成为不同总线段的主节点，主节点 冲突被告知应用。 f 2 ) 在出现下列情况时，启动列车初运行： 一个明确的应用命令( 即使总线已经完成初运行) ； 在常规运行时，检测到附加节点( 总线变长) ；然而，一个节点可 以禁止取消命名并重命名该段； 在常规运行期间，如果一弱节点( 从节点) 还不是主节点，该弱节 点升级为强节点； 西南交叠大学硕士研究生学位论文第1 0 页 节点重新插入，并且所有节点允许初运行时； 一定时间内总线没有活动。这可能是启动时的正常状态或者由于 总线干扰( 节点重入) 、总线交短或主节点故障引起的异常状态； ( 3 ) 一个节点除被置于睡眠或非激活状态外，可以在任何时候作为从节 点参与初运行，因为恢复操作的完成也依赖于这种能力。 ( 4 ) 对于3 2 个节点的列车构成，初运行过程在2 5 m s 1 m 的时间内完成。 摄短时间用以确保在常规运行开始前所有节点能向其应用报告初运 行。 ( 5 ) 除了偶然进入睡眠模式的个别情况外，i n t e r m e d i a t en o d e ( 中问节点) 的故障仅影响节点本身。 ( 6 ) 在出现帧丢失时终止初运行。如果节点对三个连续的请求都不响应， 主节点认为是节点故障。 ( 7 ) 尽管在节点重复尝试成为主节点( 如一个聋节点) 时，不会阻止正常运 行。但可能会引起偶然干扰 ( 8 ) 无论节点是按升序还是降序命名，所有节点都能收到它们的位置编 号，相对主节点的方位和构形。 ( 9 ) 每次任何已命名的节点的描述符或其强度的改变都使主节点重新发 布构形。 3 1 4 一个列车内的初运行 w t b 最为显著的的特点是它对列车编组结构的自适应能力。列车总线主 节点控制w t b 的配置，当列车组成改变时，主节点重新组织总线，这个过 程h q 做列车初运行。每当列车编组改变时，w t b 各节点都执行一次初运行过 程，该过程在电气上将各节点连接起来，并给每个节点分配连续地址。列车 总线主节点的选择取决于应用。通常列车驾驶员通过某种方法如插入一把钥 匙来选择司机室内的节点作为主节点，这个节点的编号为o l ，并最终由它控 制总线。 每个节点都包含h d l c 通道，每个通道对应个方向，以实现初运行。 开始之前，节点内部的总线开关断开连接在各节点两个方向的电缆。节点在 两个方向上利用各自的辅助通道检测是否有邻节点存在。由应用任命的主节 点运行命名过程，将两个方向上的邻节点( 若存在的话) ，以及邻节点的邻 节点，依次赋予相对主节点方向的连续地址，最终将所有褶邻的节点连接起 来构成列车总线。在初运行时，所有节点收到一个唯一标识它们在列车中所 西南交蠢大学硕士研究生学位论文第1 1 页 处位置的地址。此外节点还必须能确定列车的定向，以便区分左右，如门控。 圣j j 运行后，所有节点均获得列车的构成信息，包括它们各自相对于主节 点的她址、方向( 左右) t u 位置( 前后) 、列车中其它车辆的数量和对应位置， 如陶3 一l 所示。 s 6 26 3o，02“衢07 图3 1 节点位鬣编号 存初运行过程中，节点和电缆段在电气上连接起来，形成一条两端带有 终端连接器的总线。初始时，如果一个节点未被命名，其介质连接装置便断 歼总线开关，同时在与之相连的每段的末端插入一个终端连接器，以断开总 线。介质连接装置的两个通道监听总线，每个通道监听一个方向。 n ：正常运行过程中，总线两端的节点( 即端节点) 在线路上接入终端电阻 以保证线路阻抗相匹配，与此同时，各中间节点闭合其总线开关以在端节点 处保持总线的连续性。当形成列车总线后，端节点的辅助通道检测附加节点 的存希：并准备将它们添加到列车构成中。在中间节点上，仅主通道是使能 的。 蹦3 2 显示了有5 个节点的w t b 在初运行后的情况。 酉酉一 生蠹i 廿i 量l 耳性鸯6 t ，髓毫l 弧草：种算黔巍萆 辱州 p n * ： 图3 2w r b 初运行 t 箝点通过交替地向每个方向发检测清求帧来启动初运行，下一个从节 点将会检测到主节点发出的帧，并以一个检测响应帧作为回答，指明自己是 一个未被命名的从节点。 。j 节点检测到一个方向上未命名从节点的响应后，便向该未命名从节 点发出一个命名请求，通知它“你是0 2 号节点”。收到这一命名请求的从节 点向i ：爷点发送一个命名响应，以确认它接受0 2 地址，然后设置自身的标识 为0 2 ，并断开节点方向上的主通道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 已书点不能直接询问第三个节点，因为如果不存在第三个节点，闭合总 线丌关移走节点0 2 的终端连接器将会使总线不能i l 三常工作。 与e 节点一样，0 2 节点通过辅助通道发送检测请求帧。第3 个节点( 若 存在) 将返回一个检测响应给0 2 节点，然后由节点0 2 向主节点报告检测到一 个末命名节点。为实现这一功能，主节点要定期轮询这一方向的端节点，并 渡取它们的检测状态。 如果0 2 苛点报告检测到了一个未命名节点，主节点将设置节点0 2 作为 l i 问符点( 闭合总线开关，移走终端连接器，断开辅助通道) ，这时主节点 就可以直接访问节点0 3 。并完成命名。 这一过程将持续到这方向上的所有节点都被命名完为止。若导向车厢 是推式车厢，出于节点可能位于司机室的前方，初运行时按6 3 、6 2 、等给 诲点命名。 ”端节点在一定的时延内不再向主节点报告检测到其它节点时，主节点 就认为已检测到了列车的末端。但是这并不能可靠地识别到最后一节车厢， 如，下一节车厢可能没有可操作的列车总线节点。为此。应用必须借用其它 方法( 断开自动耦合开关人工开关) 来识别列车的末端。最后，还需要司机 对列车构成部分的完整性进行检查。 当两个方向的节点都被命名后，主节点将整个列车的构形发送给各从节 点，其中包括每个已命名节点的描述符。节点在收到构形之前不能参与常规 运行，这是因为节点需要通过构形对收到的帧解码。 花常规运行时，端节点周期性地向列车末端发送检测请求以实时检测列 车k 度的变化。当端节点报告列车构成的改变时，在条件允许( 如车速 5 k m h ) 的情况f ，主节点将重新启动初运行过程。 为使总线在发生中断或主节点故障事件时可以快速恢复。每个节点的身 份在韧运行后将自动地转移到邻近节点。 3 + 1 5 控制权的转移 i e c 6 1 3 7 5 i 规定，应用可以指定一个节点为主节点，这个节点称为强节 点如果没有其它强节点它将控制总线。 尽管应用允许多个节点成为主节点，这些节点叫做弱节点，但实际上一 次只能有一个可操作的主节点。 弱钉点允许列车总线在没有指定主节点的情况下进行操作：在一定时间 内没有检测到总线动作的从节点将成为弱主节点。有可能同时存在多个弱主 西南交叠大学硕士研究生学位论文 第13 页 节点。且每一个都想命名其邻节点，直到两个已命名的段发生冲突。这时， 其中一个弱主节点自称为主节点，并重新命名其它段。 在应用的控制下，充当主节点的节点可以改变。如在终点站可逆向( 推一 拉) 列车改变运行方向时，就要改变主节点：司机从司机室拔下钥匙，走到 列车的另一端，把钥匙插在这一端的司机室中。在取下钥匙时，主节点还象 以前一样控制着列车，但这时它是作为弱主节点，即它仅仅通知其它节点自 己己降级，一些功能也随之禁止。 在另一个节点插入钥匙后，这个从节点便升级为强节点。当弱主节点检 测到有个节点已升级时，将取消对所有节点的命名，并返回到从节点状态， 然后新的主节点重新命名所有的节点 由此可见，弱节点机制也可用于避免主节点故障下的总线中断。 3 1 6 两列车的连接 当两列初运行过的车相挂按时，末端节点会发现列车总线加长了。由于 节点在收到检测帧时就已经被命名，它们只发送一个指明其组成中节点个数 的响应帧，下一步的工作取决于主节点的强度： 两列车都受强主节点控制 如累两列车都是在强主节点控制下，那么每一列车都发一个信号给应用， 说明检测到了另一列它不能对其命名的列车。 一个是强主节点而另一个是霸主节点 如果一个主节点是强主节点而另个是弱主节点，则弱主节点的端节点 藏发一个信号给弱主节点，从末端节点开始，逐个取消对各节点的命名。然 后再发一个信号给强端节点，说明自己是未命名的，强主节点就接管这些节 点，并象单个列车那样进行初运行。 两个主节点都是弱主节点 如果两个主节点都是弱主节点，则拥有较多的已命名节点的弱主节点成 为垂符点。如果两个弱主节点拥有同样数日的已命名节点，则由端节点决定 哪方取胜。仲裁过程保证总是有一个获胜。 3 1 7 初运行中的介质附挂单元( 姒u ) 初运行的实现，依赖于下面的m a u 单元，如图3 - 3 。 西窭奎堕查兰曼主堡壅竺兰篁递壅 塑! ! 夏 一_ _ 一 图3 3 初运行时m a u 单元( 单线附挂) m a u 有两种基本方式： f 1 ) 端设置： 总线开关断开，插入两个端接器，主信道和辅助信道连到相反方向。该 与- 式用f ： 正常操作f 连接到总线末端己命名的节点 在列车初运行时的一个未命名节点 ( 2 ) 中间设置： 总线开关闭合，摘除两个端接器，关闭辅助信道。该方式用于： 不在总线末端的己命名列车节点 不工作的或未连接电源的节点 3 1 8 常规运行中已命名列车总线的组成 陶3 - 4 给出了一个典型的初运行总线：所有总线节点均已命名，节点0 1 足e 节点。图中主节点作为e n dn o d e ( 端节点) ，但是它也可以是一个中问节 点。 两个端节点处于端设置，总线开关断开，插入端接器并激活辅助信道， 而中间肖点处于中间设置，总线开关闭合，摘除端接器，禁用辅助信道( 图 3 - 4 中自色三角形) 。其主信道( 图3 4 中的黑色三角形) 指向主节点。 宵点在主信道上轮询从节点的p m 黼sd a t a ( 过程数据) 和m e s s a g ed a t a ( 消息数据) 。 一堕妻奎曼查兰曼主堡塞皇兰壁垒壅 蔓! ! 蔓 _ - - _ _ - 一 札主孟谨运行 诳聃迸瞳运行 氇薯髓谴道阴： 图3 4 典型已命名列车总线的组成 3 1 9 未命名节点的检测 主节点在每个b a s i cp e r i o d ( 基本周期) 通过存在请求帧( p r e s e n c e _ r e q u e s t ) 轮询端节点，端节点向主节点应答存在响应帧( p r e 蚓1 c c _ 尽e s p o n ) 。另一个 端节点在下一个基本周期接受轮询。 如果主节点自身是靖节点，仍发送存在请求给自己，并同样返回存在响 应因此所有其它节点可以监控其是否存在。 接收到存在请求的端节点将在其辅助信道上发送一个d e t e c tr e q u e s t ( 检 测请求) 。只要端节点在远处没有连接其它节点，该端节点在接收不到检测响 应帧( d e t e c tr e s p o n s e ) j 舌就在存在响应中报告“n o n ef o u n d ”。 图3 - 5 所示为一个未命名节点7 f 连接到已命名列车总线的情况。 图3 5 一个附加节点连接到已命名组成 为简化绘图，在已命名的总线组成中仅画出一个中间节点( 0 4 ) 。 当两个端节点完成电连接后，就建立起彼此问的通信。 未命名节点7 f 收到来自端节点0 5 的检测请求，它以检测响应回应表示 它是一个未命名节点。端节点0 5 接收到检测响应后，向主节点发送存在响应 表明未命名节点的出现。 3 1 1 0 初运行的决定 端节点向主节点报告一个附加节点时，由主节点决定是否允许启动初运 行。例如，列车速度高于5 触 时，应用可能禁止初运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 为此，所有节点拨轮询过程数据对应声明其应用的决定，只要一个节点 不同意，就禁止初运行的执行。主节点在存在请求中重发节点的决定。 如果所有节点都允许初运行，主节点将停止常规运行，而进入初运行。 3 。1 1 1 取消命名 为明确起见，主节点取消对所有由其控制节点的命名，重命名这些节点 和附加节点。为此，主节点连续三次向其组成中的所有其它节点广播一个 u n n a m e (取消命名请求)。request 已由“取消命名请求”明确取消命名的节点进入端设置状态以在断开总 线前等待一定时间，并设置更长的超时时间以防止命名期间它们作为弱主节 点出现。在端设置中，主节点设置自己为独立主节点状态。 在主节点取消命名过程中，所有节点向各自的应用发送取消命名信号。 3 1 1 2 命名 为命名节点，主节点在每个方向上均发出一个d e t e c ta e q u e s t ( 检