（电力系统及其自动化专业论文）列车网络控制系统的分析与研究.pdf

，西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 _ _ _ _ l - _ _ _ - - - _ l _ - - - - _ _ - _ _ 一 a bs tra c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft r a i ns p e e d ，i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e st o e s t a b l i s ht r a i nn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s i m u l t a n e o u s l y ，t r a i n n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi soneo ft h en i n ek e yt e c h n o l o g i e s 。i ti sa l s o v e r yn e c e s s a r yt oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o nm o d u l e ，t h e t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e ，t r a n s m i t t i n g i n f o r m a t i o no f v e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h e nt h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fi e c - 6 1 3 7 5 ， n a m e ly ，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 ti sp r o d u c e db yi e c a n du i ct h r o u g ht e ny e a r sh a r dw o r k ，w h i c hi su s e dt os t a n d a r d i z ed a t a c o m m u n i c a t i o nf o rv e h i c l ee q u i p m e n t t h i sp a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o n o fl a y e rs t r u c t u r e ，r e a l t i m ep r o t o c o l ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n dm e d i a a c c e s sm o d e s ；a n df o c u so nt h ew t ba n dm v b ，g i v e sar e s e a r c hi n d e t a i l n e x tt h i s p a p e rc o m p a r e s a r c n e tw i t ht c n ，t w ov e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n dl i s t se a c ha d v a n t a g e a r c n e ti su s e di n c r h 2 ，t c ni su s e di nc r h 1 、c r h 3a n dc r h 5 ，a n di ta n a l y s e s t o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e s t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef i n i t e s t a t e m a c h i n e m o d e l b yf o r m u l a r i z i n g t h et c n ，i tw i l l b ee a s y t o c o m p r e h e n d s i m u l a t i o n p l a t f o r m d e m o n s t r a t e st h ed y n a m i c c o m m u n i c a t i o na c t i o n s ，a n dt h ep e r f o r m a n c e so ff i e l d b u sp r o t o c o lc a n b ee v a l u a t e do ni t f r o mt h ep o i n to fv i e wo fn o d e ，t h es e n d e ra n d r e c e i v e rs t a t em a c h i n em o d e li se s t a b l i s h e d ： i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e v e l o p e di n m a t l a b s i m u l i n ka n dt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e ss u c h a sm e s s a g e s 7 s p e e d ，l o a d ，a n dt r a n s m i t t i n gd e l a yt i m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h i sp a p e rc o m p r e h e n s i v e l ym a k e sa na n a l y s i so ft c nb yu s i n g f i n i t es t a t em a c h i n ea n dt h es i m u l a t i o nt o o lo fm a t l a b s i m u l i n k i t i san e wa p p r o a c ht oi n v e s t i g a t ef i e l d - b u sp r o t o c o l ，a n di tw i l lp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to ff i e l d - b u sr e s e a r c h k e y w o r d st r a i nn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m ；t r a i n c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ； a t t a c h e d r e s o u r c e c o m p u t i n g n e t w o r k ； s i m u la t i o n 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保耐使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：王磊 日期：2 0 0 容6 - 1 式 电孑 币 体 名6 签 0 删谚 老 ： 导期指日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 在m a t l a b 环境下，利用有限状态机理论对t c n 通信网络进行形 式化建模。意义在于用形式化的方法描述t c n 通信过程，使网络易 于理解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 列车网络控制系统的发展历程 在车载通信网络研制的早期阶段，车载通信网络与列车控制系 统是相对独立的。随着车载通信网络技术的发展，其可靠性程度得 到提高，其功能也在不断增强。它已不仅具备监视、诊断功能，而 且可传递控制所必须的信息。因此，列车控制系统与车载通信网络 结合起来，不仅省去了大量的重联线，而且也可使全车各部件控制 更加协调、精确和合理，从而整体上提高控制的技术水平。 过去相当长的一段时间内，由于各个国家的铁路发展阶段和要 求的差别，导致各个国家在制定适合自身发展的车载通信标准的差 异较大。车载通信网络技术处于一种无统一标准的状态，在很大程 度上制约了列车网络控制系统技术的发展。 1 9 8 8 年，i e c 第9 技术委员会t c 9 成立了第2 2 工作组w g 2 2 ， 其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能 够相互联挂，车上的可编程电子设备可以互换。 1 9 9 9 年，对于列车通信网络，国际上制定了两个相应标准： i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 国际电工委员会) 制定 的列车通信网络和i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r i n g ，美国电气与电子工程师协会) 制定的列车网络通信协 议。后者的内容范围包含了前者，它规定了两种类型的列车通信网 络：t 型和l 型 i - 4 】。t 型即t c n 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 列车通信网络) ，l 型为自由拓扑双绞线信道规范规定的l o n w o r k s 通信网络。 参照上述两大国际标准，并结合国内铁路牵引的实际情况。2 0 0 2 年，我国铁道部也制定了相应的中华人民共和国铁道行业标准一 一列车通信网络 5 - s 】。本标准同样规定了两种类型的列车通信网络： t 型和l 型。目前，国内列车通信网络的应用主要集中在l 型网络。 在铁路系统内采用开放的i e e e 标准将可以保证多厂家产品的互操作 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性，从而可以帮助促进供应链中每一环节的竞争力，加快技术发展。 t c n 是英语列车通信网络t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 的缩写。 按照t c n 字面上的含义，本来可以泛指各种不同的车载通信网络， 但是由于i e c 6 1 3 7 5 标准使用t c n 描述其列车通信网络，因此本文 所用到的t c n 和列车通信网络实际上就是专指i e c 6 1 3 7 5 标准。 1 2 列车网络控制系统的发展现状 列车网络控制系统能够通过对列车运行以及车载设备动作的相 关信息进行集中管理，有效地实现对机务人员的辅助作用、加强对 设备的保养和提高对乘客的服务质量，从而保障列车安全高速运行。 我国通过引进、消化、吸收国外列车网络控制技术，研发具有自主 知识产权的列车网络控制产品。 1 2 1 列车网络控制系统应用现状 国外已开行的高速列车，如德国的i c e 、法国的t g v 、日本的 新干线等高速列车都装有完整的网络控制系统【引。国内车载通信网络 是1 9 9 7 年后随着动车组的兴起而发展起来的。最早的t m l 动车组以 及d d j l 动车组上的列车控制网络，它们的列车总线采用 f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 频移键控) ，车辆总线采用m v b 。 目前，t c n 在欧洲得到了大量应用，在北美有部分列车采用， 国内也引进了相应技术，先后用于“先锋”、“蓝箭 、“中原之星 、 “中华之星 等动车组 6 - 8 】。现在t c n 网络的硬件已经国产化，我国 的“中华之星一号列车也采用t c n 网络。“中华之星一列车控制与网 络系统第一次实现了国产动车组w t b 与m v b 构成模式，实现了车 载复杂的控制功能。 1 2 2 列车网络控制系统研究现状 9 0 年代中期，随着动车组的应用在我国升温，对列车网络控制 特别是机车的重联控制通信的需求十分迫切 8 - 1 0 】。一方面，铁道部开 展了列车网络控制系统的研究课题，另一方面路内外许多单位也先 后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作。这些工作主 要在局域网、现场总线、t c n 、通信介质、基于r s 4 8 5 的通信协议 等领域展开。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国内中国南车集团株洲电力机车研究所从e k e 公司引进了较完 整的t c n 网关技术，并在此基础上形成了t c n 网络通信系列产品。 其他很多工厂、研究所和高校在t c n 技术方面也做了很多研究工作， 但主要集中在应用层和对标准的理论性探讨上，基于抽象的t c n 标 准框架实现t c n 网络通信设备的基础研究工作开展的不多，使得 t c n 高端核心技术研发方面落后国外。 列车网络控制技术领域现有的主要专利包括：基于嵌入式操作 系统的机车数字网络互联设备及其控制方法，磁悬浮列车运行控制 系统及其控制方法等。主要成果包括：t c n 网络系统及底层协议的 研究，内燃动车组微机控制网络系统，多功能车辆总线( m v b ) 通信卡， g s m 9 9 型列车无线数据传输系统，列车通信与控制系统( 国内第一 代) 研究研制成功等。 1 3 课题研究意义 列车网络控制的发展趋势是：机控为主，人控为辅。即列车的 运行由智能控制系统进行控制，司机的任务仅仅是提供必要的信息、 监督列车运行状态以及在系统故障或紧急情况下参与列车控制，或 为智能控制系统设置新的控制目标。具体分为以下两种趋势： 一是基于w t b 和m v b 的t c n 网络技术是专为铁路应用而开发 的，具有强实时性、高可靠性等特点。能满足铁路行业特殊的要求， 因此在今后相当长的时间内，将作为列车控制网络技术的主流。 二是由于用户需求的多样性，w o r l d f i p 、c a n o p e n 、t c n 、 l o n w o r k s 等通用网络技术将与原有t c n 网络共同发展，取长补短并 相互融合。 在对总线协议的理论知识分析后，需要对总线协议性能进行分 析。目前，对协议性能的研究方法主要有两种：一种是基于数学模 型对时序进行分析研究；另一种是基于形式化模型进行仿真来分析 总线性能。建立总线协议的形式化模型，一方面有助于理解总线协 议；另一方面有助于实现总线协议。建立基于形式化模型的总线控 制系统仿真平台可以直观地观察到总线系统通信行为，有助于进一 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 步理解总线协议。此次建立的t c n 仿真平台较为简单，通过对它进 行扩展或添加模块，可以进步的研究其它性能。 鉴于以上列车网络控制技术的发展趋势，本课题开展了一些相 应的研究工作。意在总结分析列车网络控制技术的基本知识，剖析 其关键技术，促进列车网络控制技术的引进、消化、吸收。 1 4 课题研究内容 首先对列车网络控制系统进行分析，研究其性能、功能模块及 车载通信网络的结构。然后详细分析列车通信网络的体系结构及功 能、数据传输技术、多功能车辆总线技术、绞线式列车总线技术等。 接着比较a r c n e t 和t c n 两种通信网络的技术特点、c r h ( c h i n a r a i l w a yh i g h s p e e d ) 动车组应用情况、适用范围等。最后基于t c n 的理论学习，建立t c n 列车通信网络的仿真系统。 本课题主要开展以下内容的研究工作： ( 1 ) 分析列车网络控制系统的总体结构、性能及关键技术。 ( 2 ) 分析列车通信网络的技术特点，并分别分析w t b 和m v b 的主要功能和特点。 ( 3 ) 比较a r c n e t 和t c n 两种通信网络，并总结各自优势及适用 领域。 ( 4 ) 在前面研究工作的基础上，构建t c n 列车通信网络仿真平 台，介绍整个系统的设计思路，并给出运行结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章列车网络控制系统介绍 2 1 列车网络控制系统概况 列车网络控制系统主要实现对列车关键设备运行状态监视，并 根据需要对设备进行远程控制。列车网络控制系统集列车控制系统、 故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统于一体，以车载微机为 主要技术手段，通过网络实现列车各个系统之间的信息交换，最终 达到对车载设备的集散式监视、控制和管理的目的，实现列车控制 系统的智能化、网络化与信息化。 通过列车网络连接的列车上各智能控制单元通过传输过程数 据、消息数据和监督数据来实现列车的控制、诊断以及列车状态评 估 1 1 , 1 2 1 。而其他未与列车网络连接的智能控制单元则通过硬连线的 连接来实现其控制功能。 列车网络控制系统实现以下主要控制功能： ( 1 ) 实现各动力车的重联控制。 ( 2 ) 实现全列车( 动车和拖车) 所有由计算机控制的单元联网通信 和资源共享。 ( 3 ) 实现全列车的制动控制、门控制、空调控制及轴温检测等功 能。 ( 4 ) 完成全列车的自检及故障诊断决策。 2 2 列车网络控制系统功能模块 列车网络控制系统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。通过网络 把命令传送到各节车厢，从而实现对全车的控制。各种控制命令都 可通过网络传送到各车的各个设备，执行的结果也可通过网络返回 给司机 1 2 - 1 6 】。其功能模块如下： ( 1 ) 机车信号接收模块 该模块负责接收车载系统所需的地面信息。依据信息来源，可 将其分为连续信号接收子模块、点式信号接收子模块。通过对地面 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 信息的正确接收，可以获取作为行车凭证的机车信号。该模块采用 了先进的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理) 技术，通过对 信号的数字滤波及频谱分析，经过谱线识别，判别地面发送的各种 制式的信号。信息接收模块是运行控制系统的基础模块。 ( 2 ) 测速测距模块 该模块负责测量列车的速度及走行距离。速度及走行距离是机 车运行中的基本参数，也是速度控制系统判断机车运行状态，做出 决策的主要依据，所以该模块必须为系统提供高精度、高可靠的速 度及距离。同时在列车运行中，不可避免的会出现空转、打滑、蛇 行等情况，所以必须根据列车运行特性，应用数字滤波、智能判别 等技术，准确测量出列车速度及走行距离。 ( 3 ) 人机接口模块 该模块主要完成司机与列车网络控制系统的信息交换。司机通 过该模块向列车网络控制系统输入必要的信息，列车网络控制系统 通过该模块向司机提供目标速度、目标距离、系统动作情况、系统 工作状态、系统故障状况等信息。 ( 4 ) 双机判决模块 该模块完成双机信息交换，并通过对系统的实时监测：当发现 异常和故障时实现双机转换。它是实现双机冗余的核心环节。 ( 5 ) 车载通信网络模块 该模块可以通过网络完成列车网络控制系统与其他系统的实时 信息交换，简化列车配线，实现信息共享。通过该模块的主要信息 有：列车控制系统发出的控制命令，列车的相关行车信息，以及提 供给记录器的记录信息等。 ( 6 ) 列车运行记录模块 该模块主要是完成对列车运行过程机车信号，车载设备控制命 令，机车工况等数据的完整记录。 ( 7 ) 机车控制系统接口模块 该模块包含两个子模块，机车工况采集模块及制动控制输出模 块。通过机车工况采集模块，采集诸如前行、后行、手柄位置等机 车运行参数；通过制动控制输出模块将列车网络控制设备的控制命 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 令传给机车制动系统，实现卸载，制动减速，停车等操作。 ( 8 ) 速度控制模块 列车网络控制系统通过对列车运行速度的控制，保证列车安全 运行。系统实时监测列车速度，并随时与列车的允许速度相比较。 如果实际速度大于目标速度，设备向司机报警：如列车速度大于限 制速度，设备发出卸载、制动等控制命令；当列车速度低于缓解速 度，则向司机发出允许缓解指令，由司机负责缓解。当设备发出制 动命令后，系统不仅实时监测控制输出接口，而且还对制动实施的 效果进行检查，当制动没有达到预定效果时，系统将追加紧急制动， 确保列车安全。 2 3 车载通信网络的基本结构 车载通信网络的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信 息通道，将列车上众多由计算机控制的部件互相联网通信，从而达 到统一控制与诊断和资源共享的目的。 车载通信网络一般采用分层结构。用于连接数据采集站、设备 站、司机控制站，构成列车设备控制、监测与故障诊断的列车级网 络，通常称为列车总线；用于连接车辆内的各种控制设备，构成车 厢级数据采集、控制的车辆级网络，通常称为车辆总线。在拓扑结 构上则采用环形或总线形1 1 2 , 1 3 】。列车控制网络把安装在列车上各动 力车和车厢内的各种可编程设备互连在一起。 驾驶动率i带吩拖率l巾萌i 动率i中问动车3拖率巾问动车2带吗拖苯2驾驶动率2 簪带”酽搠了苫”篡瞒 ! = ! = ：! _ 睽i 摹f ，窜，盱一守羽胃r 一丐了弱匿彰葛2 鼍i 互三= = ；! 夏! t 孵i 7 可楚? ，i | 7 lt 0彳l l j 内i 。 瓣黧疆鲤簿鬈鹬卿 瓤功控制单，c ( d c l ) ! 黔动 制币冗t i ) t lj ) 图2 1 车载通信网络的基本结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 通过车载通信网络传输的信息主要有以下六种： ( 1 ) 列车运行的控制命令。 ( 2 ) 运行中的各车厢( 包括有动力装置的机车和无动力装置的旅 客车厢) 的状态信息。 ( 3 ) 故障诊断所需的信息及结果。 ( 4 ) 显示单元所要显示和提示的各种信息。 ( 5 ) 通信网的管理信息。 ( 6 ) 其他与列车运行、安全及服务有关的，需要在列车内互相传 递的信息。 2 4 本章小结 本章分析了列车网络控制系统的主要性能和功能模块，并重点 分析了车载通信网络的拓扑结构、传输信息等。车载通信网络一般 采用分层结构，使列车控制系统成为分布控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第9 页 第3 章列车通信网络体系结构 3 1 列车通信网络体系结构及功能 列车通信网络( t c n 。t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ) 属于局域 网，它采用两层的拓扑结构，上层为绞线式列车总线( w t b ，w i r et r a i n b u s ) ，下层为多功能车辆总线( m v b ，m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 。列 车总线用于连接经常相互连挂和解挂的重联车辆，传输速率为 1 m b i t s ，传输介质为屏蔽双绞线。车辆总线用于连接各个车辆内的 控制单元和设备，传输速率为1 5 m b i t s ，传输介质分为电气短距离、 电气中距离和光纤。一列列车中只能有一条列车总线，但可以有多 条车辆总线。列车总线和车辆总线通过节点来连接，一般每节车辆 有一个节点。列车通信网的结构1 1 4 , 1 5 l 如图3 1 所示。 列车总线啪 r 图3 1 列车通信网络结构 图3 1 给出了三节车辆的结构，每节车辆有一个节点，每个节点 连接一条多功能车辆总线和绞线式列车总线。w t b 和m v b 的主要 参数和特点 t 5 - 2 0 】如表3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 表3 1 列车通信网络特性汇总 特征绞线式列车总线w t b多功能车辆总线m v b 结构可变，构成改变时，具结构及设备的地址固定不 结构 有自适应性。变 双绞线，r s 4 8 5 ( 2 0 米3 2 屏蔽双绞线，特性阻抗1 2 0 设备) ； 介质q ( 8 6 0 米，3 2 个节点，相 变压器隔离屏蔽双绞线 ( 2 0 0 米3 2 设备) ； 当于2 2 个u i c 车厢) 。 星型光纤网( 2 0 0 0 米，2 个 设备) 。 物理冗余双份物理介质双份物理介质 带1 6 3 2 位前同步码的曼彻 信号带定界符的曼彻斯特编码 斯特编码 信号速率1 0 m b i t s1 5 m b i t s 进程数据( 每节点1 个) 和消 进程数据( 逻辑地址) 和消 地址空间 息数据( 物理地址) 都为1 2 息数据都为8b i t 地址 b i t 地址 物理地址点对点及广播点对点及广播 有效的帧 可变的4 1 3 2 个字节 固定位1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 长度或2 5 6b i t s 每帧f c s 1 6 ，帧校验以及i e c 6 0 8 7 0 校验序列及帧尺 完整性 曼彻斯特编码寸校验 介质分配由一个总线主由一个总线主 主设备权每个节点都可称为总线主，总线管理器通过令牌传递 转移强总线主或弱总线主成为总线主 主设备冗初运行后，总线主权转移给令牌传递自动进行总线主 余另一节点权转换冗余校验 l i n k l a y c 过程数据周期性源寻址广播数据集 r ( 链路层)消息数据偶发性点对点或广播数据报文 服务监督数据周期性偶发性用于总线管理的数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 常用传输变量消息 链路层服未确认的源寻址广播数据面向目标的，无连接的数 务 ( 过程数据)据包( 消息数据) 链路控制带刷新监督的可重写端口不可重写的数据包队列 网关中的应用任务将数据每个数据报及路由器、目 网络层 在总线间拷贝录中的源地址和宿地址 面向连接的，端对端流控 传输层 及差错恢复 c a l l r e p l y m e s s a g e ( 调用 会话层 _ 一 应答消息) 对 表示层统一数据类型统一数据类型 存取过程变量的程序( 个处理呼叫应答和多播消息 应用接口 别，集或簇) 的程序 列车通信网的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息 通道，实现信息交流，从而达到控制的统一和资源共享的目的。用 于控制和诊断的列车通信网的结构、介质、信号编码、数据格式、 容错技术、通信控制及协议等均应适应现代列车对控制、诊断等的 要求。 实时协议( r t p , r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 为两个应用系统问的通信提 供协议和服务。它规定了t c n 提供的应用接口，提供两种主要的应 用通信服务 1 5 , 2 1 - 2 4 】，其中： 1 ) 变量( 分布式进程数据库) ：传送具有确定传输延时的短数据。 包括：过程数据链路层接口、变量的应用层接口。 2 ) 消息( 呼叫应答及多播消息) ：传送可能冗长但不频繁的数据 项，如果必要，数据项被拆分成小包并基于需要发送，包括：a ) 消 息数据链路层接口；b ) 用于选择包在网络中的传送路径的网络层路 由；c ) 为点对点或多点传送的消息提供流控制和差错恢复的传输层； d ) 成对呼叫消息和应答消息的会话层；e ) 消息的应用层接口。 。 在实时协议的标准中定义了两种接口：链路层接口( l p i 和l m i ) 和应用层接口( a v i 和a m i ) ，前者定义了从总线所期望得到的服务种 类；后者分别定义了提供给应用层的变量和消息服务。实时协议的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 体系结构如图3 - 2 所示。 变量 消息 a v i 应用层接口a m i 一 应用洧j 煞适配嚣( a m a ) 呼唤，凰答ii多撬 ( 衰承层) 会话层 传输层接口 匪j i 刍 i 网络层i l p l 一 链路层接口 一l m ! 一 避程数据消息数撮 旺叵亟蠹夏五习 匦甄茧匿回 实时协议 ) 链路层三f 图3 - 2 实时协议体系结构 实时协议消息数据应用接口基于完整的七层协议模型( o s i ， o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 开放系统互联) 。链路层按优先级以队列 发送数据，由消息任务定时查询数据缓冲器的数据更新情况；网络 层则具有网关控制功能；传输层提供消息应答机制并实现消息数据 拆装格式；由会话层完成通信链路的连接和断开；表示层和应用层 则为应用软件提供基于客户服务器模式的接口服务。 3 2 列车通信网络中的数据传输 列车通信网的主要功能是为控制、诊断单元的信息通信提供通 道，实现各种信息的流通，从而达到控制的统一和资源共享的目的。 在高速列车控制系统中传输的信息1 1 5 , 2 5 】主要有以下几种： ( 1 ) 列车在运行过程中的各种控制命令； ( 2 ) 列车在运行过程中各个设备的状态信息； ( 3 ) 故障诊断所需的信息及结果； ( 4 ) 需要在显示单元上显示的各种信息； ( 5 ) 其它与列车运行、安全、旅客服务相关的信息。 雅、llj 应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 2 1 数据传输类型 根据通信网上所传输数据的性质和实时性的要求，把通信网上 的数据分为三类：过程数据( p r o c e s sd a t a ) 、消息数据( m e s s a g ed a t a ) 和管理数据( s u p e r v i s o r yd a t a ) 。通信网采用不同的方法来传递这三类 数据【15 1 。 图3 4 三种数据类型 ( 1 ) 过程数据：过程变量的值叫作过程数据。它表示车辆设备的 状态和控制信息，如手柄位、列车运行速度、当前的时间、各单元 的工作状态、操作员的命令等。过程数据的传输时间是确定的和有 界的。其特点是长度短而时间性强，传输时间确定而且有界，这些 数据采用源地址数据广播方式。主设备通过发送含有功能码0 4 ( 过 程数据请求_ ) 的主帧，来请求传送过程数据。而发送过程数据的从设 备将依据过程数据请求中的标识符来产生一个过程数据响应。 过程数据将通过1 2 位的逻辑地址和功能代码来识别，它们表明 了过程数据的长度。对于每个逻辑地址，其相对应的过程数据的长 度应在规定的操作开始前，在源设备和所有接收设备中被设定好。 对于车辆总线上所有的重要变量，从一个应用到另一个应用的 确定性传送的传送时间必须保证在1 6 m s 以内，车辆内总线数据发送 周期小于5 0 m s ；而通过w t b 从车辆总线到车辆总线的确定性传送 的传送时间必须保证在1 0 0 m s 以内。为了保证这个时延，过程数据 周期性地发送( 周期可低至1 m s ) 。 ( 2 ) 消息数据：它与事件有关，传输非实时性的信息，可以是诊 断信息、显示信息和服务功能信息，这些数据可能数量较大而且传 递没有确定的时间限制。因此它们的传送是采用点对点或广播数据 报文的偶发性传送，而且可能根据需要分帧传送。 一个消息数据帧应具有2 5 6 b i t s 的固定长度：从帧的前4 b i t s 定 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 义了通信模式，用模式0 0 0 1 来指定单播消息数据，模式1 1 1 1 来指定 广播消息数据，而其它模式将作为保留以供将来使用；接下来的 1 2 b i t s 定义了目标设备的地址，一旦使用广播模式，则该区域将被应 用( a p p l i c a t i o n ) 来使用；此后的4 b i t s 定义了协议类型；随后的1 2 b i t s 定义了源设备的地址；而后面的8 b i t s 里定义了随后的链接数据的有 效长度。 消息被分成小包，这些包分别被编号并由目的站确认。消息包 及与之相关的控制数据形成消息数据。功能消息被应用层所使用， 服务消息用于列车通信系统自身的管理等。为了确保消息数据端到 端的可靠传输，应用过程间的通信可采用呼叫应答方式。消息数据 既可以点对点单独传输，也同样可以进行全网广播。 ( 3 ) 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。监督数据是在相同总线内用于监视设备状态、检测寂 静( s i l e n c e ) 的设备、总线主设备权转移( m a s t e r s h i p t r a n s f e r ) 、事件轮 询等的数据。 它是主设备对从设备的状态校验、联机设备检测、主权传输以 及车辆初运行和其他管理所用的数据，特点是帧很短，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。因此在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和 消息数据。管理数据响应将携带1 6 b i t s 帧数据。 主设备可以向从设备请求管理数据或者向从设备发送管理数 据，该数据带有一个管理数据请求的主帧。 3 2 2 两层网络问的数据传输 一个列车总线节点就是一个消息数据的路由器。它具有两个接 口，一个指向车辆总线，另一个指向列车总线 2 0 , 2 1 , 2 6 】，正如图3 5 中列车总线节点图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 节点 ( 数据包路由器) i 删珩 l l cl l c m a cm a c 车辆总线列车总线 图3 5 列车总线节点 每个总线网中的节点计算机之间都可能需要进行数据通信，即 某个节点上的数据可能被总线网上所有的节点所需要。同时，两层 总线网络之间也应该进行通信，这是通过一个类似于网关的节点实 现的，在实现上，该网关可以由车辆计算机来充当。 对于周期性的过程数据，不包含目的地址，通常采用全网络广 播方式传输，因而实现起来很简单。网关节点分别将来自上、下层 网络的数据全部直接转发到另一层网络即可。在m v b 网络中，车辆 主机( 主控制器) 依次轮询各个设备，在实现转发上一层w t b 网络发 布的控制命令时，同时收集本网络中各设备的状态或控制信息，并 依据这些信息建立起底层的分布式过程数据库。而w t b 网络则依靠 各个底层数据库建立上层分布式过程数据库。两层数据库中所存储 的相同变量的取值应该是一致的，且可在一定程度上互为冗余备份， 达到全列车网络方便地共享分布式过程数据库的目的。 对于消息数据 2 0 , 2 1 , 2 6 】，由于是按照目的寻址，所以要求每个消 息数据报携带用于节点到节点传输所需要的全部地址。 具体讲，在总线上进行通信的每个消息数据帧携带两种地址： 1 ) 源方和宿方的设备地址。作为在同一总线上进行点对点通信的 设备标识，并且仅在同一总线上有效，这些地址在数据链路层中要 进行定义，已经足以保证消息数据在本层网络中的传送和确认。如 果消息数据需要发送到另一个车厢时，目的地址则是本层网络的网 关节点。 2 ) 源方和宿方的网络地址。这些地址属于网络层，用于标识在两 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 层网络上通信的站，在两层网络之间或者多个同等车辆网络m v b 之 间进行数据交换时使用，以便最终实现端到端的通信，总之它们只 在跨网络通信时起作用。 通过这两种地址，所有的数据都可以正确的被发送到目的设备， 同时其确认消息也可正确回送。 3 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 力装置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 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。周期相占总线时间的固定时段，与状态的发 送相关联。在此时段，主节点依次轮询各变量，按预先生成的周期 列表请求从节点向总线广播其过程数据，此外在w t b 中有消息数据 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。因为数据是周期性重复发送的，所以周期性数据无需目标 设备确认。一个基本周期的大小在m v b 上是l m s 或2 m s ，在w t b 上是2 5 m s 。不是很紧急的变量可以以2 个、4 个、8 个等等基本周期 长度的周期发送，其最长周期是1 0 2 4 m s 2 1 1 。 两个周期相间的偶发相允许设备按需要发送数据，偶发性发送 是与事件的发送相关联的，事件是设备状态的改变，设备状态的改 变引发发送要求。因此，事件必须得以确认，以确保不会丢失状态 改变的信息。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发向目的 节点。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的基本周期有关，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 以监控总线状态。 一 3 4 多功能车辆总线m v b m v b 是专门为铁路车辆内部控制系统所设计的高可靠性实时现 场总线。采用冗余的总线连接，采用曼彻斯特编码方式，提高了数 据传输的确定性。m v b 可使用三种不同的媒体，它们都可以在同一 的1 5 m b i t s 速度下进行工作。m v b 采用两种访问方式：周期性和偶 发性的访问，提高总线的利用率。m v b 可最大支持4 0 9 5 个设备。该 总线主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据 通信总线。 3 4 1m v b 物理层 m v b 可采用三种不同的物理介质，它们都在相同速度下工作： ( 1 ) 2 0 m 以内采用电气短距离介质( e s d ) ，允许使用标准的 r s 4 8 5 收发器，每段最多可支持3 2 个设备： ( 2 ) 2 0 0 m 以内采用电气中距离介质( e m d ) ，每段最多支持3 2 个 设备，采用双绞屏蔽线和变压器作电气隔离、允许使用标准的i e c 1 1 5 8 2 变压器和收发器； ( 3 ) 2 0 0 0 m 以内采用的光玻璃纤维介质( o g f ) ，采用点对点或星 耦连接。 m v b 在逻辑上是总线结构，在物理上可以是总线式结构，也可 能是星形结构。 逻辑上的总线结构，使网络上的各个节点共用一条通信线路， 在同一时刻只允许一对节点( 一发一收) 进行通信，以保证通信的顺利 完成。为实现同一时刻只有一对节点进行通信，在网络的链路层就 需要进行介质访问控制( m a c ) ，在m v b 中的过程数据采用的m a c 策略是轮询，而对消息数据则采用随机请求分组判断的方式解决。 物理上，由于采用的传输介质不同，可能表现出不同的结构形 式。在大多数情况下，物理上多采用铜介质，如双绞线、同轴电缆 等，这时网络的物理结构也是总线型的。因为铜介质在一条公共总 线上进行节点的连接是非常方便的，通过连接器连接即可。在一些 电磁干扰强的场合，需要采用光纤作为传输介质时，由于光纤连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 以及光电转换必须由专门设备完成，例如星形耦合器，这些专门设 备是集中的，因此光纤集中在星形耦合器然后再分别连接到各个节 点，所以物理形式上形成了星形结构。 列事总线 ，图3 - 6 m v b 总线的拓扑结构 3 4 2m v b 帧与报文 m v b 有两种类型的帧：仅由总线主( 总线管理器之一) 发布的主 帧；从设备响应主帧而发送的从帧。 1 ) m v b 帧的定义。帧的格式被优化为短的出现频率高的数据项， 这样能降低帧编码的复杂性。m v b 的有效帧应包括： a ) 一个起始分界符，接着是： b ) 由“o ”和“1 组成的曼彻斯特编码帧数据符，然后为： c ) 一个终止分界符，其中包括非数据符。一个m v b 有效帧的编 码如图3 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 渊h s i o l23t5 了8 n 几n 门f 1f nn1 nf lan t i in 门f lf 1 1 l lf 1 兀 时闱 一一 1 一一 1 一 起始分隔符饭敷提 结裹： 鬲符 图3 - 7 m v b 有效帧编码图 正确的主帧是一个起始分界符作为帧头，这个分界符称为起始 分界符，它的序列格式为： 起始位，“n h ”，“n l ，“0 ”，“n h ，“n l ， “0 ，“o ，“0 ) ，从帧的序列格式为： 起始位，“1 ，“1 ，“1 ， “n l ，“n h ，“1 ，“n l ，“n h ) 。 在帧的最后一位数据单元后，发送器将发送一个终止分界符( 终 止分界符规则由介质的类型决定) ，依据介质的不同，将分为以下几 种情况： a ) 当介质为e s d 时，在发送完一帧数据的最后一位后，发送器 将驱动总线，使其变为低电平状态，并维持至少1 2 5 n s 和1 b t 的时 间，然后停止发送； b ) 当介质为e m d 时，在“n l 符号之后添加一个“n h 符号， 并停止发送； c ) 当介质为o g f 时，添加一个“n l 符号，并停止发送。 当r x s 信号维持低电平的时间超过0 7 5 b t + 1 2 5 n s 时，解码器将 认为该帧数据已传输结束。此外，在一帧数据传输结束后，解码器