（安全技术及工程专业论文）多功能车厢总线通信控制网的研究及实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 仿真，并以此为依据配置合理网络：深入分析了网络接口单元的软硬件结 构及功能特点并首次使用嵌入式l i n u x 操作系统，基于p c 1 0 4 主机的平台 构建实验室环境下m v b 网络通讯试验系统，按照新的国际标准i e c6 1 3 7 5 ， 对其进行应用研究，实现并验证车厢总线过程数据通信，获得了成功，为 列车通信网的应用积累了经验。 关键词： 列车通信网( t c n ) ，i e c 一6 1 3 7 5 协议，m v b ，网络安全，网络性能，p c 1 0 4 嵌入式l i n u x 2 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h e7 0 s ， m a n yb i go v e r s e a sc o m p a n i e sh a v es t a r t e dt h e r e s e a r c h i n g o fv e h i c l et o c a r r y t h e m i c r o c o i i l p u t e r ， a n dh a v e f o r m u l a t e do w nl o c o m o t i v eb u ss t a n d a r do n ea f t e ra n o t h e r i no r d e r t oh a v ear e l a t i v ec o n s i s t e n ts t a n d a r dt oa p p l yi nt h et r a i na n df o r m s t h et r a i nc o f 珊u n i c a t i o nn e t w o r k( t c n t r a i nc o 砌u n i c a t i o nn e t w o r k ) a n dt h er e a l i z e dv e h i c l ec a r r i e st h ed a t ac o i n u n i c a t i o n i n t e r n a t i o n a l i z e d i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c i a nt e c h n i c a lc o 皿用i t t e e i e cn i n t ht e c h n i c a lc o 册i t t e et c n2 2 n dw o r kt e 锄w g 2 2h a sf o r m u l a t e d t r a i nc o f 【i m u n i c a t i o nn e t w o r ki n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 1 3 7 5 1 s p e c i a l l y ，n a m e l yt h e t c ns t a n d a r d ， t h i sa l s oi n c l u d e di nt h e d o m o s t i cr a i l r o a ds t a n d a r d f o rt h et r a i n t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nh a si n v 0 1 v e dt h en e t w o r k p h y s i c a ll e v e l ， t h el i n kl e v e la n d t h ea p p l i c a t i o n 1 a y e r t r a i n c o m u n i c a t i o nn e t w o r k i n c l u d i n g w i r et r a i nb u s ( w t b ) a n d m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s( m v b ) m v b( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) c o n n e c t e dt h ec o m p a r t m e n t ( n d e l yi nl o c o o t i v e ， i np a s s e n g e rt r a i n v e h i c l e so ri n f r e i g h t v e h i c l ev e h i c l e s ) e q u i p m e n tt o g e t h e r t o c o n s t i t u t eac o n t r o ll o c a la r e an e t w o r kc o n t i n u a l l v i te s s e n t i a l l v i so n ek i n do ff i e l db u s i no r d e rt oc o n f o r mt ot h et c ns t a n d a r d a n dc a nc o n v e n i e n t l yr e a l i z ec o n n e c t i o nb e t w e e nm v be q u i p m e n t s ，a l l m u s th a v et h eu n i f i c a t i o nh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ec o n n e c t i o n i n t e r f a c e t h eh a r d w a r ei n t e r f a c e ( n e tc a r d ) 珂a i n l yr e a l i z e sb ye a c h e q u i p m e n ti nm v bn e t w o r ki n t e r f a c eu n i t ， t h en e tc a r dr e a l i z e st h e p h y s i c a l1 e v e ls i g n a lt r a n s f o r m a t i o n ，c a r r i e so u tt h ed a t a1 i n kl a y e r c o m m u n i c a t i o nr e g u l a t i o n s ，i t sb a s i ct a s ki ss e n d st h ed a t aw h i c h t r a n s m i t e df r o mt h em a i ne n g i n eo ro t h e rn e t w o r ke q u i p m e n t si n t ot h e n e t w o r k o rr e c e i v e st h ed a t af r o mt h en e t w o r ka n dt r a n s m i tt ot h e m a i n e n g i n e ： t h es o f t w a r ei n t e r f a c er e a l i z e st h em v bl i n kl e v e l s e r v i c ef u n c t i o n d r o v i d e st h es e r v i c ea n dt h es e r v i c ev i s i t i n t e r f a c ef o rh i g h1 e v e l ，t h u ss h i e l d st h ef i r s tf l o o ra g r e e 珂e n t ， 1 北京交通大学硕士学位论文 p r o v i d e st r a n s p a r e n t l y ， r e l i a b l e1 i n kc i r c u i t t h em v bn e t w o r k i n t e r f a c eu n i th o l d st h ei d o r t a n ts t a t u si nt h em v bn e t w o r k p o s s e s s e sv i s i t sm v bw i t ht h ew bc o n n e c t i o ne q u i p m e n tt h r o u 曲t h e m v bn e t w o r ki n t e r f a c eu n i t t h ep r e s e n tp a p e ru n i f i e sr e s e a r c h i n go ft h et c ns t a n d a r da n d t h e p r o j e c t o ft h e g u a n g z h o us u b w a y v e h i c l e sf a u l t d i a g n o s i s s y s t e m sc e n t r a lf a u l ts t o r eu n i t( c f s u ) ， i nt h ef o u n d a t i o no f a n a l y s i st r a i nc o n t r 0 1s v s t e mc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a i nc o r r l m u n i c a t i o n n e t w o r k1 e v e l ，s t u d i e da n dh a sa n a l y z e dt r a i nc o m u n i c a t i o n sn e t w o r k s e c o n d1 e v e 卜m v b ，a n dd i s c u s s e dt h ef u n c t i o np r i n c i p l ea n d t h e r e a l i z a t i o nm e t h o do ft h e m v bp h y s i c s1 e v e l ，t h em e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1s u b l e v e l ，t h e l o g i c a l l i n kw i t h e m p h a s i s ，t h o r o u g h l y s t u d i e dt h ev e r i f i c a t i o na n di t s t h ea l g o r i t h a c c o r d i n gt of r a m e c r c ：c a r r ie so ni nt h es e c u r ea n a ly s isa sw e lla st h es v s t e ! 1 ) n e t w o r k p e r f o r 册a j l c e t ot h em v bc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l s y s t e mn e t w o r k ， e s p e c i a l l yt h ed a t av 0 1 u f eo fg o o d sh a n d l e da n dt h et i m ed e l a y r e s e a r c ha l g o r i t h m ，t h es i m u l a t i o n ，a n dt a k e t h i sa sb a s i s d i s p o s i t i o nr e a s o n a b l et h en e t w o r k ：t h o r o u g h l ya n a l y z e dt h en e t w o r k i n t e r f a c eu n its o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c a n di nt h ef i r s t t i m e ，u n d e rt h el a b o r a t o r v e n v i r o n m e n tu s e st h ee m b e d e d1 i n u xo p e r a t i n gs y s t e mc o n s t r u c t st h e m v bn e t o r kc o m m u n i c a t i o ne x p e r ij i 】e n ts y s t e mb a s e do nt h ep c 1 0 4m a i n e n g i n ep l a t f o r m ，a c c o r d i n gt on e wi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 一6 1 3 7 5 ， c o n d u c t st h ea p p l i e dr e s e a r c ht oi t ，r e a l i z e da n dt h ec o n f i r m e dm v b p r o c e s sd a t ac o 咖u n i c a t i o n ， h a so b t a i n e dt h es u c c e s s ， a c c u r r l u l a t e d t h ee x p e r i e n c ef o rt h et r a i nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka p p l i c a t i o n k e yw o r d ： t r a i nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k( t c n ) ， i e c 一6 1 3 7 5p r o t o c o l ，m v b n e t w o r ks e c u r i t y ，n e t w o r kp e r f o r m a n c e ， p c 1 0 4 ， e f l b e d e dl i n u x 4 刚吾 刖吾 随着列车局域网技术、嵌入式微机控制技术以及现场总线技术的发展， 现代列车的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的 分布式控制系统。世界上许多国家对列车通信网的研究和应用已有较长时 间，技术已经比较成熟，并研制成功了各具特色的列车控制网络系统，并 相继制定了自己的列车总线标准。但是这些系统缺乏统一，或不兼容。为 了能有一个相对一致的用于规范车载设备数据通信的标准，同时也考虑到 列车车载微机的进一步发展，国际电工技术委员会i e c 的第九技术委员会 t c n 的第二十二工作组w g 2 2 联合u i c 经过十年的工作制定了列车通信网络 的国际标准i e c 6 1 3 7 5 1 ，即所谓的t c n 标准。目前国外已交付或投入运行的 采用t c n 的车辆已有大批，装备t c n 的数量正在迅速增长。最早的是瑞士 的l o k 4 6 0 机车，它在1 9 9 4 年投入服务，a d t r a n z 、f i r e m a 、s i e m e n s 和其 他多家制造厂的所有新项目均以t c n 为基础。 从列车车辆的现代化的发展趋势与可靠性、安全性、通讯实时性的要 求看，w t b ( 绞线式列车总线) 和m v b ( 多功能车辆总线) 也可以被认为是应 用于列车上的现场总线标准，它们都从现场总线技术的发展中汲取了丰富 的营养。基于分布式控制的m v b 是i e c 6 1 3 7 51 ( 1 9 9 9 ) t c n ( 列车通信网络国 际标准) 的推荐方案，它与w t b 构成的列车通讯总线具有实时性强、可靠 性高的特点。w t b 和m v b 和传统的现场总线以及其他的新型现场总线标准相 比有很好的优越性，在制定的初期就有明确具体列车级和车辆级的数据通 信应用需求，这些需求包括：实时的变量通信；非实时的消息通信；网络 的可靠性；网络的可管理性。列车通信网络的i e c u i d 标准化对目前和将 来的开发提供了一个良好的基础。综上所述使得m v b 逐渐成为新一代车辆 的通讯总线标准。 对于我国的列车t c n 通信网络现状丽言，而由于起步较晚，技术水平 有待提高，目前使用的较多的则是l o n w o r k s 、c a n 等类型的现场总线，随 着高速铁路的迅速发展以及列车车辆的现代化发展趋势，对列车总线的可 靠性、安全性、通讯实时性的要求进一步提高，多功能车辆总线m v b 作为 快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合应用于我国的 车辆通讯系统，但由于m v b 在国内列车通信系统的应用由于受到种种原因 还不成熟，因此，目前加快t c n 标准的分析研究以及自主研发符合我国国 1 北京交通大学硕士学位论文 情的并与国际接轨的列车分布式多微机控制系统有着重要的现实意义。 本论文是作者参加国家城市地铁通信系统国产化重点项目广州地铁车 辆故障诊断系统中央故障单元( c f s u ) 的基础上完成的。作者就t c n 标准 及其协议中的m v b 构架、总线、通信系统标准进行了研究分析，重点剖析 了m v b 网络接口卡的软硬件结构及其功能特点；构建了实验室环境下的m v b 小测试系统，对m v b 标准进行了实际化，重点剖析了m v b 通信系统控制网 络的性能，通过理论算法来对过程数据分析仿真达到预测网络性能并给出 解决办法；并按照t c n 协议和m ，b 标准，基于嵌入式l i n u x 操作系统和 p c 一1 0 4 主机的平台实现了m v b 网络通信和驱动、应用程序开发等。 论文主要由以下几部分组成： 1 、对列车通讯网络t c n 协议和m v b 总线、构架的分析研究 2 、m v b 通信网络安全及网络性能的理论分析与仿真实现 3 、c f s u 系统m v b 通信试验系统的实现及其网络性能验证 通过作者两年来的科研工作，希望作者的理论创新分析、应用和设计 开发的研究在今后的运用中将能为够提高国内列车通信网络及列车现场总 线的水平有所贡献。 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1列车通信网概述 1 1 1 列车通信网背景和概念 作为列车通信系统的广义概念是指：将以车载微机为主要技术手段的 列车控制、检测和诊断系统应用于列车，并将列车的各项控制、状态检测、 故障诊断以及旅客服务信息的服务进行综合处理后应用于列车的控制系 统。它应用多种总线技术把分布于各车厢内部、独立完成特定功能的计算 机互连起来形成一种工业局域网，以实现资源共享、协同工作、分散监测 和集中操作等目的。这个系统是以计算机网络为核心，把计算机技术、控 制技术、设备故障诊断技术、网络通信技术紧密结合起来的产物。列车通 信网( t c n t r a i nc o 衄u n i c a t i o nn e t w o r k ) 就是在这一系统之上发展建立 起来的列车控制、诊断信息数据通信网络。t c n 将整个列车微机控制系统的 各个层次以及各层次的各单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的 渠道，实现全列车环境下的信息交换。t c n 的应用使得列车控制系统真正成 为一个分布式控制系统，并为列车系统的信息化打下了基础。 列车通信网络( 包括地铁列车、城市轻轨列车上的通信网络) 是面向控 制的种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心组 成部分。铁路列车以及地铁、城市轻轨列车对标准车载数据通信系统的需 求也可以看作是整个工业界对标准的现场设备数据通信系统需求的一个缩 影。 随着列车局域网技术、嵌入式微机控制技术以及现场总线技术的发展， 现代列车的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的 分布式控制系统。世界上许多国家对列车通信网的研究和应用已有较长时 问，技术已经相当成熟，研制成功了各具特色的列车控制网络系统：开本 高速列车新干线采用a r c n e t 列车网络控制系统，法国的t g v 系列高速列车 装备的是w o r l df i p 列车网络控制系统，德国的i c e 系列高速列车装备的 是t c n 列车网络控制系统。目前国外已交付或投入运行的采用t c n 的车辆 已有大批，装备t c n 的数量正在迅速增长。 北京交通大学硕士学位论文 我国铁路的列车网络控制系统的研制工作则是从8 0 年代末开始的，也 取得了一定的进展，如：长春客车厂开发制造的中国首列商业运行电动车 组“春城号”电动车组；南京浦镇车辆厂负责总体研制的“先锋”号交 流传动电动车组；武昌一郑州间商业运营的“中原之星”动力分散交流传 动电动车组等。随着我国高速铁路的迅速发展以及列车车辆的现代化发展 趋势，对列车总线的可靠性、安全性、通讯实时性的要求进一步提高，多 功能车辆总线m v b 作为快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速 度，适合应用于我国的车辆通讯系统，然而，由于起步较晚等种种原因， m v b 在国内列车通信网络系统的应用并不成熟，技术水平与国外差距较大。 1 1 2 列车通信网总线划分 由于列车的节点固定，列车通讯网作为一种局域网其只涉及了网络中 的物理层、链路层和应用层。t c n 标准采用分层结构，将列车通信网络分成 上、下两级层次，较高一级为列车级通信主干网，用于连接各节可动态编 组的车辆，列车级通信网络称为绞线式列车总线w t b ( w i r et r a i nb u s ) ； 下一级层次网为车厢级通信网络，用于连接车辆内固定设备或固定编组的 各个车厢，车厢级通信网络称为多功能车厢总线m v b ( m u l t i f u n c a t i o n v e h i c l eb u s ) 。w t b 和m v b 也可以被认为是应用于列车上的现场总线标准， 它们都从现场总线技术的发展中汲取了丰富的营养。 m v b 是为快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合用 作车辆总线。对于固定编组的列车，m v b 也可以用作列车总线，此外m v b 也可以被应用于其他需要快速响应的工业控制网络。l l l v b 是以瑞士l o k 4 6 0 机车上创始的总线为基础，并已经在6 0 0 辆以上的车辆使用过。m v b 可使用 双绞线或光纤介质，不同的介质可以直接通过中继器互相连接。m v b 有一个 集成的总线控制器支持，它能够构成简单的设备丽无须处理器。m v b 控制器 在物理层提供冗余：一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从一条 线路上接收，同时监视另一条线路。由于采用可靠的m a n c h e s t e r 编码以及 其校验的方式，因此能够达到i e c 8 7 0 一5 f t 2 级( h d = 8 ) 的标准。 w t b 总线被设计成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。w t b 以德国d i n v 4 3 3 2 2 和意大利c d 4 5 0 高速列车的经验为基础。w t b 最初被设计成使用1 2 线u i c 电缆，这种u i e 电缆传送直流信号以便控制电灯、 扩音器和门。虽然s n c f ( 法国国铁) 将此电缆用做数据通信，但是它的性能不 4 第一章绪论 能满足将来的应用的要求。因此u i c 决定在u i c 电缆中增加能以1 m b i t s 传 送数据的专用屏蔽双绞线。w t b 、m v b 总线的布置均采用冗余原则。 1 2 应用与发展 列车通信网络的i e c u i d 标准化对目前和将来的开发提供了一个良好 的基础。它广泛的应用于高速铁路、城市轨道交通以及地铁。 目前国外己交付或投入运行的采用t c n 的车辆已有大批，装备t c n 的 数量正在迅速增长。最早的是瑞士的l o k 4 6 0 机车，它在1 9 9 4 年投入服 务，a d t r a n z 、f i r e m a 、s i e m e n s 和其他多家制造厂的所有新项目均以t c n 为基础。而对于国内的列车通信网络，使用的较多的则是l o n w o r k s ，c a n 等类型的现场总线，而m v b 和传统的现场总线相比有很多优点，因此该题 目的研究及今后的应用将能够提高国内列车通信网络及列车现场总线的水 平。 由于我国对高速铁路的研究起步较晚，技术水平亟待提高。t c n 国际标 准已经正式出台，正在推广。对于国内目前急切需要解决的问题是尽快克 服起步晚的劣势，迅速提高高速铁路通信系统的技术，进一步实现高速铁 路通信控制系统国产化，提高网络通信系统的软硬件研发水平，摆脱国外 技术的牵制。因此，目前加快t c n 标准的分析与研究，开发研制出符合我 国铁路实情的一套列车分布式多微机控制系统，从而与国际接轨具有重要 的现实意义。 1 3 与其它列车通信网总线的比较 1 3 1 各列车通信网总线分析 为能够提高国内列车通信网络及列车现场总线的水平和国内列车控制 系统的要求，分析和选择一个合适t c n 网络的现场总线尤为重要，因此将 t c n 的w t b 和m v b 同其它现场总线标准进行对比研究有利于更好地理解w t b 和m v b 。 1 、l o n w o r k s 总线 1 ，o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司开发的一种通用控制网络协议，也是美 国国家标准a n s i e i a 7 0 9 1 1 9 9 8 。l e e e 将l o n w o r k s 作为其制订的列车 通信协议标准的一部分( t y p el ) ，与t c n ( t y p et ) 共同构成i e e e l 4 7 3 。 北京交通大学硕士学位论文 l o n w o r k s 在美国铁路列车上应用较为广泛，国内铁路车辆内也在尝试应用。 l o n w o r k s 使用的l o n t a l k 协议实现0 s i 参考模型全部7 层服务，并支持全 面的网络管理，表卜1 显示了l o n w o r k s 各层的作用和提供的服务。 表卜1l o n w o r k s 体系结构 i s o o s i 模型作用 ； 应用层网络应用程序 ： 表示层。数摄表示。j 会话层远程传送控制 传输层端对端传送可靠性 两络层报文传递 、数据链路层媒体访问成帧 ， 物理层 电气连接 服务 标准网络变量：文件传输：网络服务 网络变量；外部帧传送 请求晌应：弘 正：网络管理；援口 端确认；服务类型；分组排序、检测 寻址：路由 成帧；编码；c r c ；冲突仲裁；优先级 物理连接；收发种粪：媒体特殊细节 2 、w o r l d f i p 总线 w o r l d f i p 是欧洲现场总线标准e n5 0 1 7 0 的一部分”，作为通用的现场 总线标准被广泛地应用于能源、化工、交通运输等工业领域。法国a l s t o m 公司将w o r l d f i p 作为标准通信协议应用于其开发的a g a t e 列车控制系统， 并成功应用于t g v 高速歹车。w o r l d f i p 采用3 层结构，提供变量服务、消 息服务和网络管理服务。表卜2 显示了w o r l d f i p 各层的作用和提供的服务。 表卜2 r l d f i p 体系结构 i s 0 o s i 模型 应用层 数据链路层 物理层 作用 应用层协议规范 媒体访问成帧 电气连接 服务 周期非周期变量服务 成蟪；编码；c r c ：冲突仲裁；优先级 双绞线：光纤；i c 1 1 5 8 2 3 、c a n 总线 c a n 总线最初是由德国b o s c h 公司为汽车监控、控制电子系统的数据通 信应用开发的，现已成为国际标准i s o l l 8 9 8 ( 高速应用) 和i s o “5 1 9 ( 低速应 用) ，获得了非常广泛的应用。c a n 总线在列车通信中也得到了应用表卜3 显示了c a n 总线的体系结构。 表卜3c a n 总线体系结构 i s 0 0 s i 模型 数据链路层 数据链路层 物理层 作用 l l c m a c 电气连接 4 、m v b 总线和w t b 总线 服务 逻辑连路子层 介质访问子层 物理信令；媒体附件；媒体接口 第一章绪论 m v b 是以瑞士l o k 4 6 0 机车上创始的总线为基础，并已经在6 0 0 辆以上 的车辆使用过。m v b 可使用双绞线或光纤介质，不同的介质可以直接通过中 继器互相连接。m v b 由一个集成的总线控制器支持，它能够构成简单的设备 而无须处理器。m v b 控制器在物理层提供冗余：一个设备在两个互为冗余的 线路上发送，但仅从一条线路上接收，同时监视另一条线路。由于采用可 靠的m a n c h e s t e r 编码以及其校验的方式，因此能够达到i e c 8 7 0 一5 f t 2 级 ( h d = 8 ) 的标准。 w t b 以德国d i n v 4 3 3 2 2 和意大利c d 4 5 0 高速列车的数据通信经验为基 础而制定的。w t b 使用专用屏蔽双绞线电缆。电线的布置采用冗余原则，在 车辆的每一侧各有一根电缆。为适应频繁改变其组成的列车组w t b 被设计 成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。考虑到严酷 的环境、连接器的存在以及总线的非连续性，t c n 标准建议采用数字信号处 理器对m a n c h e s t e r 信号译码。w t b 和m v b 将数据分为过程数据( 变量) 和消 息数据，并针对两类数据定义了二类体系结构。m v b 和w t b 的体系结构见表 1 4 。 表卜4w b 、w t b 体系结构 i s 0 0 s i 模型变量 ， 消息 应用层 单变量；数据块、集 呼叫应答消息；多播消息 ， 表呆鏖统一原嫱菱量和菇栖诬菱基 会话层建立会话；呼叫应答 传输层 消息打包j 流量控制纠媾；多搔。 网络层 分级寻址；路由。， 数据链路层数据集周期传输无连接：非周期传输 物理层双绞线；光纤物理连接 l _ 3 2 分析比较 综上所述，作为通用的现场总线，w t b 属于总线仲裁型网络，它的链路 层使用h d l c 高级数据链路控制，数据交换采用报文传送方式，报文根据用途 的不同分成3 种类型，采用主帧从帧应答方式，可以丈现设备和介质冗余， 实时性靠实时协议来保证另外它可以实现自动识别网络构成和变化实现动 态组网功能，因此它适用于列车网，并适于经常解挂和联挂的列车。m v b 也属 于总线仲裁型网络，采用主帧从帧应答方式，可以实现设备和介质冗余，实 时性靠实时协议来保证，它适于作为车辆网。但是如果列车网采用w t b ，车辆 网采用m v b ，则在列车网和车辆网之间需安装网关。w o r l d f i p 网络属于总线 北京交通大学硕士学位论文 仲裁型网络，它支持剧期、非周期的变量和消息发送和接收，具有保证实时 性的变量刷新和提示机制，可以发送确认和不带确认的消息，还可以设定 消息重发的次数，可以实现总线仲裁器冗余、设备冗余和介质冗余。这些实 时性和安全性的特性使得它可以作为机车车辆的列车网和车辆网，并且它 协议单一，列车网和车辆网之间只需要路由器而不需要网关，缺点是自身 不具备自动组网功能，如果要实现自动组网需要单独设计相关的软硬件。 l o n w o r k s 网络属于对等式网络，它采用载波侦听和多路检测机制，虽可以 避免网络的频繁碰撞，但不能保证数据在预定时刻发送，因此实时性能稍差， 并且传输速率不高，为了避免碰撞带宽利用率也较低，它适用于不参与实时 控制的监测网络，c a n 网络属于多主工作方式，并采用非破坏性位裁决技 术。实时性较强，另外采用短帧结构并有多种错误检测和错误定界机制，因 而出错率低、可靠性高。但由于在一定的传输速率下传输距离受限，而且帧 长度受限，因此较适于用做底层设备网和以车厢为单元的车辆网。同以上几 种通用的现场总线( l o n w o r k s 、w o r d f i p 、c a n 等) 在列车上的应用相比， m v b 在实对性、可靠性、可管理性、介质访问控制方法、寻址方式、通信服 务种类等方面有着一定的优势。 第二章列车通信网协议及其控制网络性能特征 第二章列车通信网协议及其控制网络性能特征 2 1 列车通信网协议体系结构 2 1 1 列车通信网协议体系 为简化网络设计的复杂性，大多数网络都按照一定的层或级来组织， 网络的不同，层的个数、名称及功能也有所不同。但在所有的网络中，每 层的目的都是为上层提供某些服务，每两个相邻的层之间都有接口 ( i n t e r f a c e ) ，它规定了较低层为较高层提供的服务。一台机器上的第n 层与另一台机器上的第n 层进行对话过程中所使用的若干协定的规则集中 起来称为第n 层的协议( p r o t o c 0 1 ) 。在不同机器上组成对应层的实体成为 对等进程。换句话说正是这些同等进程使用协议进行通信。总的来说，列 车通信网是一种开放式实时系统，其系统结构遵循o s i 模式，但是由于o s i 模式是一种为互连各种不同的网络而制定的一般性结构，其许多功能在列 车通信网中是多余的，因此，列车通信网根据其特定应用进行了优化，它 只通过网关对外界进行通信，形成其独特的网络结构，不与o s i 模式完全 保持一致。另外，为了适应列车网络的某些特定应用环境的需求，对网络 进行了进一步的补充和扩展。对实时性控制要求较高的通信网络，需要实 时的传输用户进程间的交换数据，而其它数据的传输要要尽量的少；同样 通信的层数要求也要尽量的少，这样可以提高通信网络的实时性。在列车 通信网络中，为了扩大适应面在最底层配置了多种物理层协议，而在高层 则使用简化协议来提高实时性。然而，这并不是说有效数据传输率越高越 好，也不是通信协议层数越少越好，作为通信协议的选择，不单单是实时 性的考虑，而是个综合考虑的问题。对于某些要求高可靠性的通信应用， o s i 网络体系的七层协议和服务必不可少，而对于列车环境中许多严格时间 限制的应用，就允许只实现o s i 协议中的若干层次中的功能，来提高系统 网络性能。列车通信网节点结构主要有以下三种： 北京交通大学硕士学位论文 匝吊层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 会话层应用层 传输层 网络层 链路层链路层 物理居物理层 完全结樗综台结拊最小结拇 图2 1 列车通信网节点结构图 l 、完全结构： 此种结构提供六层协议，由于列车通信网上的通信根据用户之间的公 约作了很大的简化，因此当所有设备都使用由公约所规定的相同格式时， 无需由表示层来商定数据格式，所以没有用到表示层协议。例如：所有的 过程数据以数据集的方式成批发送，大大提高了数据的传输效率。完全结 构型节点可用于列车总线和车厢总线上的消息服务站。 2 、综合结构 综合结构既提供完全结构的全部六层协议，又附加从应用层到链路层 的旁路机构。旁路机构将应用层直接放置到数据链路层上，形成“倒塌” 型体系结构，目的是为了增强网络性能以及高配置的灵活性。列车总线上 的节点和车厢总线上的管理节点可以采用增强型结构。 3 、最小结构 此种结构仅提供第一、二、七层有关协议。作为网络节点，此节点适 用于车厢网络低价格、低复杂性的端设备，如制动控制单元等。物理层定 义了传输介质的类型、机电特性以及介质上的电信号传输方式、速率等； 数据链路层提供透明可靠的数据转换，这种转换及支持通信的有效资源对 用户都是透明的：应用层提供支持过程控制及应用所需要的服务，为用户 提供接口及格式化的数据，包括请求、执行及响应信息的格式和内容。车 厢总线上的有些设备级网络采用最小化结构。 从协议角度总的说：t c n 包括m v b 总线和w t b 总线两大部分，它们属于数 据链路层协议。在链路层以下它们有不同的实时协议，在之上m v b 和w t b 的 1 0 第二章列车通信阿协议及其控制网络性能特征 实时协议基本相同，只是其中的一些参数如报文大小不一样。t c n 协议的分 层结构符合0 s i 模型，并对o s i 协议进行了合理的简化和部分重新定义，如 图2 2 所示： 图2 2m v b 协议与0 s i 关系 从纵向看，m v b 协议分成两大部分：过程变量协议和消息协议。从横向 来看，m v b 协议分成物理层、数据链路层、实时协议( 网络层、传送层、会 话层、应用层) 。m v b 协议可根据功能分层定义，在实现基于m v b 的机车控 制设备和系统时，通过采用不同的软件模块，可以实现不同类型的设备。 数据通信中，由于过程数据周期广播发送，因而传输是无连接的、无 确认的，而端对端传送的消息是有确认服务的。所以，基于对变量和消息 这两种服务的不同实时要求，对列车网络通信协议采取以下体系结构：( 其 中涉及到的数据类型将在后面章节中详细论述) 】 北京交通大学硕士学位论文 壹嚣 一，、：l ，r 一 琏用鼷镳盛 雨受琢选既器 ( v a ) 夺 一l p l 一健踏 q e 姥搿接n 一 = 瓯隘= = j 强锰强l 屡接l _ ：! 一i ，m 卜 席用弱、 k f 蕞 地程数据溺越数嬲 1 l m i 撕u ；l 嚣 一 避鬻潞嚣 蛩翱目虢列国；| 嚣 # = 3 hi l i |i 一。 一 l 特堙缢 i ， 图2 3 通信协议结构 强实时性的过程数据应用层直接构建于数据链路层之上，数据链路层 不进行流控和差错恢复，作为通信子系统与高层结构的界面，提供过程数 据应用、消息数据以及监督数据传输的不同接口，即过程数据链路接口l p i ( l i n k l a y e r p r o c e s s d a t ai n t e r f a c e ) 、消息数据链路接口l m i ( l i n k l a y e rm e s s a g e si n t e r f a c e ) 以及监督数据链路接口l s i ( l i n k l a y e rs u p e r v i s o r y d a t ai n t e r f a c e ) 。端对端的消息应用则选择 在网络层互联。 列车总线和车厢总线采用同样的过程数据链路层以上的高层实时协议 r t p ( r e a 卜t i i i l ep r o t o c 0 1 ) 。实时传输协议是用于保证数据传输实时性的应 用层协议，主要解决时间分配、数据传输通道的利用率、总线输率匹配( 即 缓冲区的设置) 等问题。它作为应用层的个基本协议，也是数据链路层 与其它应用层协议的一个接口，通过它可以对上层的各种应用提供一致的 接口而屏蔽了底层细节，从而实现了数据传输的透明性。应用通过应用过 程数据接口a v i ( a p p l i c a “o n l a y e rv a r i a b l e si n t e r f a c e ) 、应用消息接 口a m i ( a p p l i c a t i 。nl a y e rm e s s a g ei n t e r f a c e ) 以及应用监督接口a s i ( a p p l i c a t i o n l a y e rs u p e r v i s o r yi n t e r f a c e ) 访问过程变量、消息和监 督数据。 第二章列车通信网协议及其控制网络性能特征 2 1 2 总线层次 绪论中简单提到过t c n 标准采用分层结构，具体来讲，总体结构大致 如下：将列车通信网络分成上、下两级层次，较高一级为列车级通信主干 网，用于连接各节可动态编组的车辆，列车级通信网络称为绞线式列车总 线w t b ( w i r et r a i nb u s ) ；下一级层次网为车厢级通信网络，用于连接车 辆内固定设备或固定编组的各个车厢，车厢级通信网络称为多功能车厢总 线m v b ( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 。 t b 绞线式列车总线对于频繁改变其组成的列车组，被设计成通过手插 式跨接电缆或自动连接器来实现车辆之间的互连。w t b 最初被设计成使用 1 2 线u i c 电缆，这种u i c 电缆传送直流信号以便控制电灯、扩音器和门， 但是它的性能不能满足将来的应用的要求，所以在u i c 电缆中增加能以 1 胁i t s 传送数据的专用屏蔽双绞线。m v b 总线的引入可以显著地减少电 缆使用，并且由于使用光缆增加了可靠性。m v b 由一个专用的主节点控制， 可以被冗余的主节点支持以增加可靠性。m v b 控制器在物理层提供冗余：一 个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从一条线路上接收，同时监视 另一条线路。m v b 具有高度完整性，采用可靠的曼彻斯特编码以及其校验的 方式，以1 5 m b p s 串行曼切斯特编码数据格式传送，因此能够达到 i e c 8 7 0 一5 f t 2 级( h d = 8 ) 的标准。 列车总线和车厢总线是两个独立的通信子网，可以根据这两种总线在 定时响应时间、节点命名定位等硬件需求的不同，采用不同的网络和协议， 并由总线网关连接实现( 如图2 4 所示) 。 图2 4m v b 多样性连接 北京交通大学硕士学位论文 以上结构不是绝对的，列车的组成灵活多样，列车通信网络( t c n ) 寻址 各铁路车辆中所有相关的拓扑结构。一节车辆可以有一条或几条车辆总线、 也可以没有。车辆总线可以跨越几节车辆、例如在集中运输列车组( 多单元) 的情况下、列车组在运行时是不分离的。在固定编组的列车组中，列车总 线并不需要对节点进行连续编号，车辆总线可以起到列车总线的作用( 图 4 ) 。列车总线上连接的设备称为节点( n o d e ) ，每个车厢可能有一个以上的 节点，节点可以不连接车厢总线，也可以连接几个车厢总线，节点可以作 为列车总线和车厢总线之间的网关。通常有动力装置的车