（系统工程专业论文）铁路分布式自动化系统中的计算机通信网的研究.pdf

摘要 弋3 1 3 沁 本论题是基于实际工程项目“京九铁路工程”而提出。 我所承担了京九铁路工程中两个项目的开发研制：一、向 塘、阜阳编组站现车管理系统：二、商丘一阜阳段调度监督 系统。微机化的铁路调度监督系统将成为行车指挥及电务维 修的重要支持设各，在繁忙的铁路运输中发挥极其重要的作 用。本论题就是立足于商阜段调度监督系统，针对现在的计 算机亟j 丑豳宇还存在着可靠性不高，如出现死机、丢包等现 象；实时性差、延迟大等问题，试图较好地解决可靠性和效 率这对计算机网络中存在的矛盾，提高系统的自诊断能力、 检错和纠错能力、故障恢复能力，通过对几种网络方案的实 验研究和分析比较，选择性能价格比更优的方案，并在以后 的项目中付诸使用，这就是本论文的目的和意义之所在。 关键词；调度监督通信网s d h 进程通信网络互连 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h e “j i n g j i ur a i l w a yp r o j e c t ” o u ri n s t i t u t et a k ec h a r g eo ft w oi t e m so fj i n g j i u r a i l w a yp r o j e c t ： o n ei s m a n a g e r i a ls y s t e m o f x i a n g t a n g - f u y a n gs e c t i o n ；t h eo t h e ro n ei sc t cs y s t e m o fs h a n g q i u f u y a n gs e c t i o n c t cs v s t e mw h i c hu s e c o m p u t e rw i l lb e c o m et h ei m p o r t a n td e v i c e si nr a i l w a y d i r e c t i o na n dr e p a i r a t i o n t h i st h e s i sb a s e do nc t c s y s t e mo fs h a n g f hs e c t i o n ，a i m i n gt h el o wr e l i a b i l i t y a n ds o m ep r o b l e m ss u c ha sl o s ep a c k e t 、b a dr e a l t i m e c h a r a c t e r 、l o n gd e l a yi nt h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t e n e t w o r k t r yt od e a lt h ec o n t r a m c to fr e l i a b i l i t ya n d e f f e c tw h i c he x i s ti nc o m p u t e rn e t w o r k ，u p r a i s et h e a b i l i “o fs e l f - d i a g n o s e 、s e l f - c h e c ka n dc o r r e c te r r o r s a n dr e c u p e r a t i o nw h e nf a i l u r e t h r o u 【g he x a m i n ea n d r e s e a r c hs o m em e t h o d so fn e t w o r k c h o o s eam e t h o d w h i c hh a sab e t t e rc o m p a r eo fa b i l i t ya n dp r i c e a n dw i l l b eu s e di nt h el a t e rp r o j e c t t h i si st h et a r g e to ft h i s p a p e r k e y w o r d ：c t c c o m m u n i c a t en e t w o r k p r o c e s s c o m m u n i c a t en e t w o r kl i n k 北方交通人学倾1 学位论史 第一章绪论 1 。1 京九线概况 1 1 1 京九线工程概况 京九线北起北京，途经霸州、衡水、聊城、荷泽、商丘、 阜阳、麻城、九江、南昌、向塘、吉安、赣州、龙川，南至 深圳，连接九龙，干线全长2 3 8 1 k ，另加津霸联络线7 5 k m 和麻武联络线8 0 k m ，共计2 5 3 6 k m 。 京九线北与京原、丰沙、京包、京山、京通、京秦等线 相接，往南与石德、新衮、陇海、阜淮、合九、武九、浙赣、 广梅汕等线相连，在路网中具有重要地位。 1 _ 1 2 京九线的主要技术标准 线路等级：i 缎 f 线数目：北京至向塘西、天津至霸州，双线：向塘西 至龙川，双线设计、线下工程按双线簏工、单线铺轨；龙川 至常平，单线、预留双线；常平至深圳，三线：麻城至横店， 单线。 限制坡度：阜阳北以北4 ，阜阳北以南6 。 最小曲线半径：北京至阜阳，一般1 0 0 0 m 、困难地段4 0 0 m ； 阜阳至向塘西，般8 0 0 m 、困难地段6 0 0 m ：向塘西至深圳， 一般8 0 0 m 、困难地段4 0 0 m 。 牵引种类及机型：东风4 b 型内燃机车，预留电化条件。 牵引定数：旅客列车，1 0 5 0 t ；货物列车，阜阳北以北近 期4 0 0 0 t 、预留5 0 0 0 t ，阜阳北以南近期3 5 0 0 t 、预留4 0 0 0 t 。 线路容许速度：旅客列车1 2 0 k m h ，货物列车8 0 k m h 。 到发线有效长：北京至阜阳1 0 5 0 m ，阜阳至向塘西8 5 0 m 、 预留1 0 5 0 m ，向塘西至深圳8 5 0 m 。 闭塞类型：双线区段，多信息移频自动闭塞，按6 m i i l 列 车追踪间隔布点；单线区段为继电半自动闭塞。 设计年度：近期2 0 0 0 年，远期2 0 0 3 年。 北方交通大学硕上学位论丘 1 1 。3 京九线通信信号工程所采用的新技术装备 京九线采用的通信新技术装各主要有l l 项：直埋式2 0 芯蜂窝式光缆及配套设备；s d hs t m l 型及s t f 一4 型光传输 设备；4 0 0 m h z 、b 制式无线列调系统；语音信箱系统；大容 量程控数字电话交换机；新型电缆充气监测系统；一点多址 微波通信；可编程数字交叉连接器；通信网管系统；编组站 计算机信息管理系统；客运服务自动化系统。 除了6 5 0 2 电气集中，6 4 型半自动闭塞，半自动化、非 机械化驼峰信号和道口自动信号等常规信号设备之外，京九 线还采用了下列信号新技术装备：带超速防护多信息移频自 动闭塞系统：驼峰计算机过程控制系统；驼峰机车遥控系统： 驼峰峰顶摘钩显示屏；编尾微机平面调车集中：车辆实时跟 踪信息系统：编组站、客站及中间站微机联锁；编组站调度 表示系统：编组站实时信息网；微机化调度集中及调度监督： 计算机辅助调度系统；区段站站调表示系统。 1 1 4 京九线通信信号工程的主要特点 京九线的s d h1 5 5 m b ss t m 一1 系统，是目前国际国内节 点数最多、距离最长的光同步传输系统，国内首次在铁路区 段通信中应用。京九线的s d h6 2 2 m b ss t 一4 系统是目前路 内距离最长的长途通信光同步传输系统。这两套系统的投入 使用，为彻底改变我国铁路通信的落后面貌打下了基础。 调度监督系统采用了调度所局域网，是系统扩容简单易 行，在一个调度所只须用一个局域网便可同时容纳若干调度 台和调度区段上网。商阜段在国内首次采用了局域网加站间 广域网的信息传输技术，远程查询能力大大提高，可为沿线 电气集中和自动闭塞设备提供异地诊断维护功能。 在铁路信号设计中大量采用光传输及数据传输技术，大 大提高了信息传输的可靠性和实时性。 北方交通夫学硕士学位论史 1 2 背景及问题的提出 1 2 1 铁路行车调度工作的地位和作用 铁路运输是一个复杂的大系统，这一庞大的系统具有线 长、点多、工种多、分工细、连续性强的特点。为使各环节 协调配合，铁路运输生产必须实行集中统一指挥的管理原则。 凡与运输有关的部门、各工种都必须在运输调度的统一指挥 下，进行只常生产活动。 在同常运输工作中，为了统一指挥全路的运输生产活动， 在我国铁路上建立了四级凋度机构，铁道部设调度处，铁路 局设调度科，分局设调度所，车站( 主要是编组站、区段站、 货运站) 设调度室，各级调度均必须在上级调度的统一指挥 下，实行分级管理。 为了对复杂的运输生产活动进行全面地指挥和监督，在 各级调度机构中又必须实行合理分工的管理原则，将整个运 输生产活动按业务性质划分为若干部分，设置不同职名的调 度员分别管理一定的工作。在分局调度所内，一般设有：列 车调度员，货运调度员，客运调度员，计划调度员，预确报 调度员等等，值班主任负责领导全班各工种调度员实现运输 工作日计划，协调各工种调度员的工作。铁道部调度处与铁 路局调度科也相应地配合有关工种的调度员，形成分级、分 工管理的铁路运输调度工作系统。可见，行车调度工作在铁 路运输中的地位是极其重要的。 1 2 2 国内铁路调度技术装备现状 1 、普遍运用音频选叫调度电话系统 自6 0 年代，国内铁路调度系统开始采用音频选叫调度电 话系统取代脉冲选叫系统，以半双工方式实现调度员与各车 站值班员通话，并可实现群呼。7 0 年代以来，列车无线调度 电话系统开始推广应用，为调度员与列车司机直接通话创造 了条件，特别是自8 0 年代铁道部大力推广列车无线、机车信 号、自动停车以来，对提高列车运行安全和调度指挥实时性 方面有了显著的改善。但由于场强盲区以及山区隧道电波传 播问题等原因，覆盖率只有5 0 左右加上元器件质量、工 北方交通大学硕士学位论文 艺水平以及维护等原因，系统的性能与功能都有待提高，尚 不能达到音频调度电话持续稳定工作的水平。两种调度电话 是建立在人际联系基础上的信息采集与传递的方法，因此存 在着一些问题，这些问题主要集中在分局调度所。因为它是 所有有关行车信息的传输枢纽及处理中心，分局列车调度员 则在整个运输调度系统中起着上传下达的重要作用。 目前行车调度工作中存在的问题大致分为以下几方面： 不能及时反映现场列车运行的正确位置，从而行车指 挥调度是在不准确的基础上作出的，有一定的盲目性； 劳动强度大、工作效率低。目酊的调度工作主要靠调 度人员通过电话联络实现信息的收集和命令的下达， 用纸和笔绘制运行实迹图和计划线，借以监督列车运 行，进行调度指挥。分局列车调度员在值班过程中， 需要根据列车运行的实际情况制订3 4 小时运行调整 计划，同时，还要填写大量的报表，可见其工作量是 很大的； 工作质量及工作效率受人员业务素质影响比较大。分 局列车调度员负责编制日常运输工作计划，发布各种 有关行车的调度命令，组织行车各部门协同动作保 证列车按列车运行图运行，实现闩( 班) 计划的各项 任务；负责监督和检查行车各部门执行运输工作只常 计划和规章制度的情况以及列车运行情况，及时处理 和排除各种危及或可能危及行车安全的意外情况。为 此，列车调度员必须熟悉与行车有关的生产人员和技 求设备，熟悉列车运行图、列车编组计划、车站行车 工作细则等技术文件和有关的规章制度，掌握气候变 化对列车运行影响的一般规律善于针对不同的条件 和列车运行情况，灵活运用各种列车运行调整方法。 、因此，行车调度工作与调度员的业务素质关系极大； 蓬盔运能紧张的情况下，运行秩序较乱，列车运行相互 影确，调度员由于不能及时掌握列车实际运行状况， 议丽常造成运行线的空费； 奄努维修及时性差，现在的电务维修工作包括大修、 中修和同常修三方面内容。根据维修的时机，电务维 修又分为定期修和不定期修两类。定期维修是以设备 部件的平均寿命为依据每隔一定时阳j 对部件进行一次 4 北方交通大学硕士学位论文 维修。由于寿命的离散性，按固定周期进行维修难免 会出现对某些部件失修而对某些部件进行不必要的维 修，因此维修及时性差。不定期维修是一旦发现部件 的性能或参数变异就及时修理，从改善维修质量，提 高电气集中的可用性以及节省人力、物力的角度来看， 采取不定期修方式是最有效的方式。但由于受到人力、 物力的限制，不定期修在日常维修工作中所占的比例 是很有限的； 2 、调度监督系统得到推广 为了改善列车调度员的工作条件，j o 年代曾引进苏联继 电方式的调度监督系统在京津调度台应用，随后国内研制的 采用电子元件的调度监督系统陆续在现场试用，而大面积推 广应用则丌始于8 0 年代。其中有代表性的调度监督系统是： d j 4 调度监督系统( 铁科院通号所研制) 、t y d j 型分界口调 度监督系统( 通号公司研究设计院研制) 以及中美合资卡斯 柯信号有限公司生产的调度监督系统。国内目前运用的调度 监督系统，在系统功能方面均能增加列车车次跟踪显示等功 能，但实际上这些功能均处于试验试用过程。 3 、调度集中开始运用 国内于6 0 年代曾引进苏联极性频率调度集中设备图纸进 行仿制，随后自行研制了d d l 、d d 2 、d d 3 、d d 4 等型调度集中 系统，中美合资卡斯柯信号有限公司引进了c t c - - 2 0 0 0 调度 集中系统，并在个别区段上安装使用。尽管如此，调度集中 系统在国内铁路上的运用仍处于初始阶段。 1 2 3 国外铁路调度指挥系统应用现状和发展动向 北美铁路： 美洲铁路在五大洲中营业里程最长，其中北美占了绝大 部分。北美铁路信号设备近年来虽然在数量上发展不多，但 在技术上一直处于领先地位，特别注意引进高新技术，早在 6 0 年代，美国在调度集中的基础上研制和运用采用电子计算 机的控制系统，到了8 0 年代又有了进一步的发展。 1 9 8 3 年，美国和加拿大铁道协会联合十多个铁路公司， 北方交通大学硕【：学位论殳 几十个制造厂商和咨询公司共同组织研究丌发的先进列车控 制系统( a t c s ) ，通过无线技术把调度所t 或中央控制中心) 的中央计算机与列车上的微处理器构成闭环，组成一个综合 的铁路指令和控制系统。这个系统以中央计算机系统数据通 信和车载计算机取代传统的地面信号与列车调度和控制系 统，实现列车运行调整；以数据信息作为司机的行车命令， 并通过车载计算机系统探测列车位置、速度，以及列车控制 和车上装备运用情况等数据，反馈给中央计算机系统。 西欧铁路： 西欧一些国家，出于受到北荚铁路新技术发展的影响， 结合北美的a t c s 系统进行了不少研究工作，法国铁路1 9 8 6 年提出了开发连续实时列车运行自动化系统( a s t r e e ) 。这个 系统设计时主要指导思想是： 1 ) 集中控制列车，各环节联动工作： 2 ) 不凭经验，以数据来管理列车运行： 3 ) 尽量在移动设备上进行改造或增加设备，对固定的地 面设备少动和少装设备。法国铁路己对a s t r e e 系统 的一些环节进行了分析研究，编制了系统功能的技术 条件，并进行了一些验证实验。 f 1 本铁路： 日本铁路当前的主要任务是提高运行速度、降低成本， 并能灵活地适应不断变化的运输需求。为此，日本铁路技术 研究所从1 9 8 7 年开始研究新型列车控制系统，该系统是以车 载微机为核心，利用无线通信方式与地面交换信息，实现对 列车的控制。系统的主要思路是：列车位置由自身进行探测， 然后由地面控制系统完成列车间隔调整和进路的排列，列车 速度由车上系统控制，系统被命名为“下一代列车运行控制 系统”，也称计算机一天线辅助列控系统( c a r a t ) 。日本认为， 这一系统的运用将引起列车控制与管理等方面的重大变革， 由于这种系统不需要轨道电路和信号机等设备，投资费用将 大大降低。 1 2 4 技术发展动向 随着人工智能在各领域的研究应用，智能铁路系统已被 北方交通大学硕i j 学位论文 一些国家铁路提到议事日程，以便使常规铁路系统扩展功能、 降低成本、提高安全系数等。日本铁路认为，智能铁路的一 个重要组成部分是智能列车，其功能既包括监视列车的状态， 也包括监视线路侧设备：智能铁路系统。另一部分是列车群 的指挥管理，通过对相关子系统的综合，利用信息处理技术 和通信网技术，使系统具有行车计划、运营管理和信息服务 等功能，使传统控制技术向知识工程方向转化。德国铁路认 为，智能控制系统是解决公共运输系统提供及时服务和灵活 时刻表等的有效途径，他们将这种智能控制系统称为计算机 辅助的综合铁路系统( c i r ) 。这种系统具有制定策略计划、 工作计划、作业控制、效能评价和统计等功能。目前铁路行 车过程控制系统的特征是：功能间没有或很少有横向联系和 不同管理层问的垂直联系。而近年来电子学、计算机和通信 技术的发展，有可能发展同层功能之间和不同层间的智能联 系。上述观点表明，增强联系最基本点是改进地面系统与车 上系统的协同工作水平，实现网络化的综合系统。 1 2 5 论题的提出 本论题不仅是基于以上提出的问题，更重要的是基于实 际工程项目“京九铁路工程”而提出。京九铁路工程是国家 重点工程项目，这条贯穿南北的大动脉，其经济价值和社会 价值是不言而喻的。为保证行车、调度作业安全，提高运输 能力，减轻劳动强度，降低运输成本，实现京九铁路综合自 动化是极其重要的。为此，我所承担了京九铁路工程中两个 项目的丌发研制：一、向塘、阜阳编组站现车管理系统：二、 商丘一阜阳段调度监督系统。微机化的铁路调度监督系统将 成为行车指挥及电务维修的重要支持设备，在繁忙的铁路运 输中发挥极其重要的作用。本论题就是立足于商阜段调度监 督系统，针对现在的计算机通讯网中还存在着可靠性不高， 如出现死机、丢包等现象：实时性差、延迟大等问题，试图 较好地解决可靠性和效率这对计算机网络中存在的矛盾，提 高系统的自诊断能力、检错和纠错能力、故障恢复能力，通 过对几种网络方案的实验研究和分析比较，选择性能价格比 更优的方案，并在以后的项目中付诸使用，这就是本论文的 目的和意义之所在。 北方交通大学颂 学位论殳 第二章调度监督系统构成 2 ，1 调度监督系统功能及配置 2 1 1 调度监督系统主要功能 调度监督系统是能够向调度员及其他有关人员及时准确 地提供所需现场信号设备状态及列车运行情况的实时显示系 统。它的主要功能包括：1 、所需现场信号设备状念，列车运 行情况的实时显示；2 、车次号设置、修改、取消及车次号显 示、跟踪：3 、列车早晚点表示；4 、自动报点、列车运行三 小时计划和实迹图显示、拷贝和自动描绘；5 、统计、管理报 表：6 、2 4 小时信息储存、查询：7 、相邻调度系统间或上层 系统的信息交换。 2 1 2 调度监督系统设备配置 圆圆 数据库服务器双机系统 d e ca l p h as e xv e t4 0 04 1 6 6 乍站 分机 乍站 分机 午站 分书 j 】 ；l 务器h 服务器il 双目l 系统 t 业p c 卜_ 仃业p c 前置通信 全屏娃永 投影系统 电务段 监测设备 i b mp c 4 8 6 m o d e l3 0 0 i b mp c 4 8 6 i i b mp c 4 8 ii b mp c 4 8 6 9 ：! ! ! ! ! ! j 11 b m p c 4 8 6 h o ( i e l3 0 dm o d e l3 0 dm o d e l3 0 0 1 m o d e l3 0 0 维护发培训5 f e 计划调度受值班主任隆凹仪 图2 ：1 1 调度监督系统设备配置示意图 l 外部接l l 1 路由器 仟_ 乍= 调度英 北方交通人学硕l + 学位论_ ! ：c = 调度监督系统总体结构如图2 1 1 所示。图中车站分机 负责采集区间闭塞分区的占用信息及移频自动闭塞设备状态 信息及车站电气集中的行车表示、故障表示等信号，将车站 站场画面显示于微机上，其中包括左右邻站的发车状况表示， 同时将有关信息通过网络传输给左右邻站及行车调度员。行 车调度员不仅可以看到各车站的行车状况，而且还可以通过 网络下传行车计划。电务段监测设备也可以利用车站分机采 集的信息，随时监测车站及区间设备的状况，如灯丝状态、 继由器状态等。 2 2 商阜段调度监督系统通道说明 2 2 1 调监系统网络组成 网络组成：如图2 2 1 所示。整个网络由3 个环组成。 北环包括王楼、刘营和毫州通信楼，中环包括赵桥、油河集、 古城、二郎、三章集、三塔、王寨、伍明、毫州通信楼和阜 阳通信楼，南环包括颖南、许堂集、阜南和阜阳通信楼组成。 阜阳通信楼到蚌埠通信楼之间因为数据量很大，采用5 条专 线相连。毫州站到毫州通信楼之间、阜阳信号楼到阜阳通信 楼之间、阜阳电务段到阜阳通信楼之间也采用专线相连。 网络协议：商一阜段各小站之间以及毫州站到毫州通信 楼、阜阳站到阜阳通信楼之间采用s l i p ( s e r i a ll i n e i n t e r f a c ep r o t o c o l ：串行线路接口协议) 网络传输协议， 此协议用于在串行数据线路上i p 分组，主要用于异步通信线 路上。阜阳通信楼到蚌埠调度楼之间、阜阳电务段到蚌埠调 度楼之间采用x 2 5 网络传输协议。x 2 5 协议基于分组交换 的概念，在源发端信息被分为若干个分组，通过网络传输到 目的地，在那里又被组装以恢复原始信息。该协议能提供良 好的可靠性、经济性、灵活性及较短的连接时间。该协议主 要用于同步通信线路上。 网络连接设备：商一阜段调监系统网络设备连接如图 2 2 2 所示。其中各小站选用m o t o r o l av a n g u a r d3 0 0 型路 由器，其两个广域网口( 口2 和口3 ) 分别与光端机上提供 的某一v 2 4 相连，数据传输率可达1 9 2 0 0 b p s 。由于光端机上 北方交通大学硕一1 = 学位论业 毫州通信楼毫卅l 通信楼 赵侨 油河集 古城 二郎 三章集 一e 寨 一阜北 光纤数。通道 光纤模拟通道 实【巳| 线专用通道 伍明一一 中m 信i 楼一宁阳通信楼 蚌早通f 青楼蚌埠训度楼 颖南 许堂集 阜南 ：一阜阳i 电务段i hq 口 一酉j 2 1 商卑调度监督系统网络组成图 将两路异步通道做在一个v 2 4 口上，因此路由器的两个广域 网口也可同时接到一个v 2 41 3 上。每个小站的信息通过在各 小站的路由器传到蚌埠调度楼。各小站的计算机通过内置的 以太网卡和网线与该站的路由器的l o b a s e t 口相连。阜阳 站和阜阳通信楼之间、毫卅i 站和毫州通信楼之间采用 北方交通大学顺l ：学位论义 m o t o r o l av a n g u a r d3 0 0 型及6 5 2 0 型路由器和a s c o m 基带调 制解调器，线路采用两对实回线( 一主一备) ，速率可达 1 9 2 0 0 b p s 。阜阳通信楼到蚌埠调度楼、阜阳电务段到蚌埠调 度楼之间的线路采用模拟话路，因此两地的路由器之间选用 m o t o r o l a3 2 6 5 型音频调制解调器，速率可达1 4 4 0 0 b p s 。 卜楼 刘营 毫州信号楼 赵桥 油_ 口 古城 二叫 三堂集 三塔集 l ：寨 伍叫 阜阳信号楼 颖南 三塔镇 阜南 图2 2 2 商一阜段调度监督系统通信设备连接图 北方交通大学硕士学位论文 2 3 网络结构的选择 从系统的实际情况出发，确保行车的安全、可靠、正点、 准时运行，要求数据在传输时的可靠性要高，实时性要好。 所以，可以通过对现有的局域网结构及硬件结构的分析，选 择出一种性能高、价格便宜的网络。 2 3 1 主要网络结构的拓扑图分析 网络中各个节点相互连接的方法和形式叫网络拓扑。构 成局域网的拓扑结构有很多种，主要有星型拓扑、坏型拓扑、 总线拓扑和混合型拓扑。拓扑结构的选择往往和传输介质的 选择以及介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构 时，应该考虑的主要因素有： 1 、费用低：不管选用什么样的传输介质，都需要进行安装。 安装费用的高低和拓扑结构的选择以及相应的传输介质选 择、传输距离的确定有关。 2 、灵活性：局域网中的数据处理和外围设备是分布在一个区 域内，要考虑在设备搬动时很容易重新配置网络拓扑，还要 考虑原有节点的删除和新节点的加入。 3 、可靠性：在局域网中有两类故障：一类是网中个别节点损 坏，这只影响局部：另一类是网络本身无法运行。拓扑的选 择要使故障检测和故障隔离较为方便。 星型拓扑( s t a rt o p o l o g y ) 星型拓扑结构中，每一个站都用点到点的链路连接到一 个公共的中央节点上去，任何两个站之间的通信都要通过这 种线路交换。这种拓扑结构必须有一个集中式的通信控制策 略。所有的通信均出中央交换节点控制，这种节点必须建立 和维护许多并行的数据通道。因此，中央交换节点是较为复 杂的，而各子站的通信处理负担却很小，所以，中央节点的 作用显得特别重要，通常对主备机切换设备的要求也很高。 这种网络的优点是集中型网络，易于将信息流汇集，适 用于各站之间信息流较大的场合，而缺点是连接的可靠性差， 主节点发生故障，将影响全网络的通信。 环型拓扑( r i n gt o p o l o g y ) 北方交通大学硕l 学位论文 环型拓扑结构中，局域网是由一组点到点链路连接成为 闭合环的中继器( r e p e a t e r s ) 组成的。每个中继器都与两条 链路相连( 中继器是一种比较简单的设备，它能够接收一条 链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到一条链 路上，而不是在中继器中缓冲) ，由于中继器的结构特点，决 定这种链路是单向的，只能在一个方向传输数据，而且所有 的链路都按同一个方向传输。数据也只能在一个方向上围绕 着环进行循环。 这种环型网络结构的优点是实现起来简单，不需要路由 选择算法，多点寻址简单，报文可在各子站再生，因而通信 距离可以延长。其效率随负载的上升而降低，速度较缓慢。 但网络的工作取决于各站的网络控制器，因此一旦有一个接 口出现故障，整个网络基本上就断开了。而且在修改站数时， 环路不能正常工作，故可靠性较差，且传播时延与站数成正 比。 总线型拓扑( b u st o p o l o g y ) 总线型拓扑结构采用一种完全不同的方法，通讯网络仅 仅是传输介质一既不是交换节点也不是中继器，所有的站 都通过相应的硬件接口直接连到线性传输介质上( 总线) ，任 何一个站的传输都可以沿着介质的长度传输，并且能由其他 的站来接收。 这种结构的优点是可以为分布式控制，也可以用集中式 控制，在集中式控制时，主备机可以作为一个子站看待，这 样比星型主备机的复杂性要小得多，且节点的接口采用无源 线路，可靠性高。 总线型结构常用的存取控制方法有碰撞检测、循环传送、 时间片、直接利用广播方式，这些方法使得网络上的信息延 迟时间不确定，影响了系统的实时性。 在铁路分布式系统通信网的设计中，一般将几种拓扑结 构综合起来应用：在设备比较密集的现场采用星型拓扑，可 以节省费用：整个网络采用总线型拓扑结构，以灵活地适应 各种现场条件。 北方交通大学硕士学位论文 2 3 2 主要的介质访问控制方法 在局域网中，不论是环型结构，还是总线结构，都可以 把传输介质作为各站点共享的资源。将传输介质的频带有效 地分配给网上各站点的用户的方法称为介质访问控制协议。 各种局域网的性能，很大程度上取决于所选用的介质访问控 制协议。 设计一个好的介质访问控制协议有三个基本目的：协议 要简单，获得有效的通道利用率，对网上各站点用户的公平 合理。图表示各种介质涛问控制方案，可以采用时分或频 分的方案共享传输介质。在时分的方案中，可以选用同步的 技术，更为普遍的是用异步技术。同步技术是对每个连接分 配固定的容量，如c b x ；异步技术是用动态方法给各个连接 分配容量，有三种不同的异步技术： ( 1 ) 轮转：每个站轮流地获得发送机会，这种技术适合 于交互式的终端对主机通信； ( 2 ) 预约：介质上的时间被分割成时间片，网上的站点 要发送，必须事先预约能占用的时间片，这种技术 适用于数据流的通信； ( 3 ) 争用：所有各站都能争用介质，这种技术实现起来 简单，对轻负载或中等负载的系统比较有效，适合 于猝发式的通信； 常用的介质访问控制方法有很多：查询方式、令牌传送 方式、c s 姒c d 方式、时间片寄存器输入信息槽方式等。 l 、查询( p o l l i n g ) 星型网中的主节点或总线网上的主站，依次询问各站是 否要通信，查询时，先给各站发送一个询问信息，收到 应答后，再控制各站通信。如果同时有多个站要发送信 息，主节点( 或主站) 可根据各站优先级高低，安排发 送顺序。 2 、令牌传送( t o k e np a s s i n g ) 令牌传送主要用在环型网中，有一个被称为令牌的信息段 绕坏型网各节点依次传送。常用的令牌由8 位信息组成。 当环型网开始运行时，由被指定的节点产生一个空令牌沿 环型网传送，每个站点要传送的信息只有在该站接到空令 牌时，才能发送。在目的站将传送信息取走后，会把令牌 4 北方交通大学硕士学位论文 置空，送上环型网继续传输，以便其他节点占用。在令牌 传送网络中一般设有监控节点，主要任务是监视数据流和 令牌，防止令牌丢失。若发现令牌丢失，便立即生成一个 令牌补入网络。在不易设监控节点的网络中，由网络节点 承担此项功能。 令牌传送中的主要问题是令牌丢失。丢失后，则由监控节 点向网中注入一个新的令牌，令牌传送的效率高，信息吞 吐量大，有良好的响应性。这种传送技术也适用于总线网。 3 、载波监听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 这种协议已广泛应用于局域网中。网络上的每个节点单元 都在监听网络，判断网络中是否有信息发送。某个站点准 备发送信息时，就一直监听，一旦听到网络中无信息传送， 便立即开始控制网络，发送信息。当出现两个站同时侦听 到网络无信息，同时争着发送信息的情况，称为碰撞。 c s m a c d 具有碰撞检测的功能，并且具有避免再次发生冲 突的一系列机制。一旦检测到冲突，就立即停止，并向总 线上发一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，这样 通道的容量不致因白自传送已损坏的帧而浪费。 带有冲突检测的载波监听多路访问( c s 姒c d ) 技术 适用于总线型网，每个站都是平等的，采用竞争方式发送 信息到总线上。 这种存取方式允许各站平等竞争，实时性好，尤其适 用于铁路自动化的计算机网络。 2 3 3 信息交换技术 为了提高计算机通信网络中通信设备和线路的利用率， 有必要研究通信网络上的信息交换技术。即如何控制信息传 输，才能提高通信效率。 通常使用的有三种信息交换技术：线路交换、报文交换 和分组交换。 l 、线路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ) 使用线路交换的方式，就是通过网络中的节点在两个站 之问建立一条专用的通信线路。它包括线路建立、数据 传送和线路拆除三种状态。 线路交换可能效率很低，通道容量在连接期间是专用的， 北方交通大学硕二b 学位论文 即使没有数据传送，别的站也不能用。对于终端到计算机 的连接，在连接的大部分时间内，通道容量都可能空闲。 就性能而言，在数据传输之前，为了呼叫建立，有一个延 迟。然而，一旦建立了线路，网络对于用户实际上是透明 的。用户可以用固定的数据传输率来传输数据，除了通过 传输链路时的传输延迟外，不再有别的延迟。在每个节点 上的延迟是很小的。 2 、报文交换( m e s s a g es w i t c h i n g ) 报文交换中，不需要在两个站之间建立一条专用线路。 如果一个站想要发送一个报文( 信息的一个逻辑单位) ， 它把一个目的地址附加在报文上，然后把报文从节点到 节点地通过网络。在每个节点中，接收整个报文，暂存 这个报文，然后发送到下一个节点。 在线路交换的网络中，每个节点是一个电子的或是机电结 合的交换设备，这种设备发送二进制位同接收二进制位一 样快。报文交换的节点通常是一台通用的小型计算机，它 具有足够的存储容量来缓冲进入的报文。一个报文在每个 节点的延迟时间等于接收报文的所有位需要的时间加上等 待时机重传到下一个节点所需的排队延迟时间。 报文交换有许多优点：线路效率较高。因为许多报文可以 分时共享一条节点到节点的通道。对于同样的通信量来 说，总的传输能力需要较少；不需要同时使用发送器和接 收器来传输数据。网络可以在接收器可用之前，暂时存储 这个报文；在线路交换网络上，当通信量变得很大时，某 些呼叫会被封锁。而在报文交换网络上，却仍然可以接收 报文，但是传送延迟会增加；报文交换系统可以把一个报 文发送到多个目的地，而线路交换网络很难做到这一点； 能够建立报文的优先权：报文交换网络可以进行速度和代 码的转换。因为每个站可以用它特有的数据传输率连接到 其他站点，所以两个不同传输率的站也可以连接。报文交 换网络也可以容易的转换数据的格式。这些特点在线路交 换中很难找到；发往不操作终端的报文可以被截获，然后 存储或重新选择到另一台终端的路径。 报文交换的主要缺点是它不能满足实时或交互式的通信要 求。经过网络是的延迟是相当长的，而且有相当大的变化。 因此，这种方式不能用于声音连接，也不适合交互式和实 北方交通大学硕卜学位论殳 时性的连接。 3 、分组交换( p a c k i n gs w i t c h i n g ) 分组交换试图结合报文交换和线路交换的优点，而使两 者的缺点最少。 以上讨论了目前在计算机通信系统中广泛采用的三种基 本交换方式，这三种方式各有其优缺点，因此目前均有实际 应用。下表列出了这三种交换方式的特点及其比较。 也路交换报文交换 分组交换 能胥进行线路接通后可进行非实时存储、转发可接近实时存储、转 实时通信实时会话通信不能进行会话通信发，可进行会话通信 网络传递小但建立呼叫存火变化范围也大小 时延一定时延 线路利用率当进行断续通信或 l 而 而 短报文通信时低 通信速率干n不能进行通信速率能能 电码变换和电码变换 差错控制不具青町具有具有 传输路由每次通信过程中路每一报文传递过程可以有不同的路由 由_ ；变中路由0 i 变 删络过载随着删络负荷的加随着网络负荷加大可进行流量控制， 的影响人呼损率增加传递时延n i 大，0 l。朋：一定传递时延 起阻采条件下防止阻采 2 3 4 差错控制技术 在铁路这个分布式控制系统中对通信网的基本要求之一 就是可靠性。改善可靠性的一个明显的办法当然是改善传输 介质，例如对卫星信道可以增加辐射功率或增大天线增益。 但是，一个价廉的办法是在发送和接收端附加差错控制处理。 在冗余措施上有两方面： 1 、在硬件方面：通讯设备的冗余配置 2 、在软件方面：多种检错、纠错手段 在通讯线路上传输信息时，往往由于噪声或瞬时中断干 北方交通人学硕| = 学位论文 扰，使接收端收到的信息出现概率性错码。通常用误码率p c 来表示通讯线路传送信息的错码程度，由下列式子确定： 错误接收的码元数 p c = 接收的总码元数 除了冗余配置通讯系统的硬件设备尽量减少硬件故障对 通讯的直接影响之外，提高数据传输质量的方法还有两种： 一是改善通讯的电性能，使误码的概率降低到满足要求的程 度，这种方法受经济和技术的限制；一是对于传输中不可避 免的某些错码，可将其检测出来，并采用某种方法来纠错， 以达到提高传输质量的目的，这种方法就叫“差错控制”，是 最常用的方法。 差错控制的目的，在于保证接收端所收到的信息和信息 源预定的一样。为此，当被接收的信息中存在错误时接收 端必须有某些推断错误的方法和可以消除错误的机制。 1 、关键字检查：检查相关性、源地址、字型、目的地址、 字长等； 2 、回送检错：当接收设备得到了全部信息，且检查无误 时，它就向发送端回送一个肯定的回答。发送设备要检查有 无回送信息，及回送来的数据字是否同发送字相同。如果得 不到有效的响应，说明接收设备所接收的信息发生差错； 3 、优先设备在同只答设备的通讯中，如果优先设备在发 出指令后，没有得到对方的应答，连续n 次重发此指令，等 待应答。如果得不到应答，表示出错，优先设备便会切换到 备用设备上； 4 、码校验：根据香农理论，在信息中含有冗余度，可达 到检错和纠错的目的，如在m 位的信息码上附加n 位的b c h 码，在h d l c 中的c r c 码检验中的1 6 位码及汉明码。采用b c h 编码，可以把信息传输的误码率降低到每1 2 年内只有一个未 被检测到的结果这样一种程度。 有两种方法可以提高传输质量：一是改善信道的电性能， 使误码率降低；二是接收检验出错后自动纠正错误，或让发 送端重新发送，直至接收到正确的信息为止，即差错控制技 术。 差错控制技术包括检验错误和纠e 错误。检验错误的方 法有奇偶校验、循环冗余校验等；纠错方式有重发纠错、自 北方交通大学顾，l 学位论史 动纠错和混合纠错等。 2 4 调监系统通信网中现场总线的研究 2 4 1 通信网的要求 调度监督系统中，一大批使用智能化的现场设备应运而 生。这些智能化现场设备产生的数据许多己不依靠传统的 4 2 0 m a 或2 4 v 的模拟传输，而可以直接进行数据传输，这 将解决模拟信号在传输中信号衰减快，精度降低，易受干扰 等问题。同时，由于多个现场设备分布于不同的地域，形成 多节点的数字传输网络。因此有必要研究铁路站场的数字信 号传输的现场通信网络的问题。 从理论上讲，铁路站场现场网类似于局域网l a n 或普通 的现场总线网，但是在铁路的特殊条件下，现场网又具有如 下一些特点： l 、现场设备位置比较分散； 2 、网络拓扑结构简单： 3 、传输的报文分组短： 4 、报文实时性要求高； 5 、系统的可靠性要求高； 6 、系统抗恶劣环境的能力要求高。 因此，研究适合于铁路现场环境要求的计算机和现场设 备联网的现场网络是实现铁路自动化的当务之急。 2 4 2 现有的现场总线 铁路的现场环境与工业的现场环境极为类似。目前的工 业自动化领域较为流行的是现场总线技术，参考这些新技术， 可以为铁路现场网的研究和开发提供宝贵的思路和实践的可 能性。现在主要的几种现场总线有： ( 1 ) b i t b u s 总线 b i t b u s 总线是最早的现场总线标准。i n t e l 最初发展 b i t b u s 的目的是为了将低速的u o 从高速的m u l t i b u s 中分离出来，后来逐渐形成了独立的标准，成为p c 和 北方交通大学硕士学位论艾 s t d 总线计算机中应用最多的一种串行数据总线。 b i t b u s 物理层的电气接口采用e i ar s 一4 8 5 标准，传输 介质为2 对双绞线。其链路层采用i b m 的s d l c 协议。 b i t b u s 允许在一条线路上最多挂接2 5 0 个节点，其中 一个是主节点，其余的是从节点。在通常的情况下， b i t b u s 采用半双工的工作方式，即只有主机可以随机 地往总线上发送信息，而从机则根据主机的要求进行应 答，这样在总线上发生信息碰撞的可能性很小。 ( 2 ) p r o f i b u s 1 9 8 7 年由西门子等1 3 家公司成立的专门发展现场总线 的i s p 推出的数字现场总线产品p r o f i b u s 。p r o f i b u s 是一种多主多从的令牌网络，得到令牌的节点可以向网 上发送信息，而其余的节点只能接收信息。p r o f i b u s 的物理层使用e i a4 8 5 ，可以使用现成的u a r t 和r s 一4 8 5 接收发送器通过双绞线或同轴电缆来实现。其数据链 路层采用i e e e 8 0 2 4 令牌总线协议，每个系统允许最多 4 个网段，每个网段可挂接3 2 个节点。 ( 3 ) c a n 网 c a n 网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线网是一个多 主机局部网，它的串行通信链路采用一条多个单元均可 连接的总线。与主从方式的现场总线不同，c a n 是一种 对等式的现场总线网，其物理层采用双绞线，符合i s o d i s l1 8 9 8 标准。数据链路层采用与e t h e r n e t 类似的载 波监听及碰撞检测机制( c s m a c d ) ，但c a n 在此基础上 增加了优先级控制，使得高优先级的信息可以不受阻碍 地立即传送。c a n 最大的特点是高可靠性，双绞线中即 使有一条线接地或与电源短路，甚至断线都能正常地传 输信息。c a n 的最高传输速率为1 m b p s ( 此时最大传输 距离为4 0 m ) ，最大传输距离为l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ， 网络上的节点数量无特定的限制。 ( 4 ) l o nw o r k s l o nw o r k s 是基于e c h e l o n 公司开发的集控制和网络通 信处理器为一体的芯片n e w r o n 的串行总线网。l o nw o r k s 也是一种对等网络，其碰撞检测机制为c s m a 加时隙方 式，采用这种方式可以使网络碰撞的几率大大减少。 n e w r o n 芯片带有4 8 位地址，而且固化了o s i 七层协议， 北方交通大学硕一l 学位论文 因此用此芯片可以构成很复杂的网络结构。l o nw o r k s 物理层可以使用多种介质，如：双绞线、无线方式、低 压电源线载波等。使用双绞线时最高传输速率为 l _ 2 5 m b p s ，最大传输距离为1 2 k m 。一个双绞线网段可 以连接6 4 个节点，一个网可以有2 5 5 个网段。 2 4 3 总线应用的研究 一般来说，铁路现场网中的数据通信网络技术不同于以 传递信息和共享资源为主要目的的管理型信息网络及电子邮 件因为在现场网中传递信息的主要目标是测量和控制。因 此铁路现场网络特别强调可靠性、安全性和可适用性，使用 现场总线要比面向管理信息自动化的i e e e 8 0 2 标准更适用于 铁路现场环境。 介质访问控制机制的典型方式是i e e e