（电力系统及其自动化专业论文）基于opnet的列车通信网络仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a bs t r a c t a st h ed i r e c t i o no fm o d e r nt r a i nf o l l o w si nt h ec o u r s eo fh i g hs p e e d ， a u t o m a t i z a t i o na n dc o m f o r t ，m o r ea n dm o r ec o n t r o li n f o r m a t i o na n dm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nc o m ei n t ob e i n g f u r t h e r m o r e ，t h i si n f o r m a t i o nb a d l yn e e d st ob e m u t u a lt r a n s m i t t e da n ds w i t c h e da m o n gc o m p u t e r si nr o l l i n gs t o c k a tt h es a m e t i m e ，t h ef i e l d b u st e c h n o l o g ya n de m b e d d e dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y d e v e l o pq u i c k l y , w h i c hm a k e sc o n t r i b u t i o n st o t h es a f e t y , f a s t ，r e l i a b l ea n d a c c u r a t eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nr a i l w a yv e h i c l e s i no r d e rt oc r e a t ea s t a n d a r d i z e dt r a i n - v e h i c l ee q u i p m e n ts t a n d a r df o rd a t ac o m m u n i c a t i o n ，t c n ，t h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki e c 6 1 3 7 5 1h a sb e e n d e v e l o p e db yt h et w e n t y s e c o n dw o r k i n gg r o u p ( w g 2 2 ) j o i n ti n t e r n a t i o n a lu n i o n o fr a i l w a y s ( u i c ) o fi 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 ( i e c ) t e c h n i c a l c o m m i t t e eo ft h en i n t h ( t c 9 ) f i e l db u st e c h n o l o g yi sb e i n ga p p l i e dt ot h ef i e l d o fr a i lv e h i c l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nr e c e n ty e a r sf o ri t so p e n n e s s ，s e c u r i t y , r e a l t i m ea n dc o s ta d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，s o m es t a n d a r d sb a s e do nl o n w o r k s 、 c a nb u sa n df i e l db u st e c h n o l o g yw o r l d f i pw e r ea d d e di n t ot h ev e h i c l e - l e v e l b u sn e t w o r ks t a n d a r di e c 6137 5 - 3w h i c hi e ch a v eb e e nf o r m u l a t e ds i n c ea u g u s t 2 0 0 6 c o n s e q u e n t l y , aw i d e rr a n g eo ff i e l db u st e c h n o l o g ya r eu s e di nt r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e r ，f i r s t l yg i v e sag e n e r a li n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o ns t a t u so ft h em a i nt r a i nc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ln e t w o r k sh o m ea n d a b r o a d ，a n df o c u sm a i n l yo nt r a i nt r a f f i cc o n t r o ln e t w o r kb a s e do nf i e l db u s t e c h n o l o g y i tt h e n i n t r o d u c e sb r i e f l yt h eo p n e ts i m u l a t i o ns o f t w a r ei nt h e s i m u l a t i o nm e c h a n i s ma n dm o d e l i n gm e t h o d s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h eg e n e r a lb u s b a s e dt c nv e h i c l e l e v e l b u sm o d e li sd e s i g n e d ，a n dt h er a t i o n a l i t yo ft h em o d e li sv e r i f i e db yc o n t r a s t i n g t h es e v e r a ld i f f e r e n ta c t u a lm o d e l so ft h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt o p o l o g y f o l l o w e da b o v e ，t h i sp a p e rg i v e sm o r ed e t a i l st ol o n w o r k sb u s a n di t s r e l e v a n tt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a sw e l la sa n a l y z e st h el o n t a l kc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n d i t sm e d i aa c c e s sc o n t r o lm e t h o d st om a cl a y e rf pp e r s i s tc s m a p r e d i c t a b l e ) ，t h e a u t h o rm a k e ss o m em o d i f i c a t i o n si nb u sp r o c e s sa n d n o d e a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n ge t h e r n e tn o d em o d e l a f t e rad e s i g no fl o n t a l kn o d e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 ii 页 m o d e l ，al o n w o r k s b a s e dv e h i c l e l e v e lb u sh a sb e e ns e t u p t h r o u g h t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea u t h o rc o n c l u d e st h a tl o n w o r k sb u gc a nb e u s e da s v e h i c l e l e v e lb u s b e c a u s eo fi t sb e t t e rp e r f o r m a n c e si nb u su t i l i z a t i o na n d c o l l i s i o nr a t ew h e nc o m p a r i n gw i t he t h e r n e t i na d d i t i o n ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ec a nw o r k i n gp r i n c i p l e sa n dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ( c a n2 0 ) ，a n dt h e nf o c u s e sm o r eo ni t sm e d i aa c c e s s c o n t r o lm e t h o d st om a cl a y e r c s m a c dw i t h p r i o r i t yl e v e l ( 1 0 s s l e s s b i t b y b i ta r b i t r a t i o n ) t h ep r o c e s sa n dn o d em o d e la r ed e s i g n e di no p n e t m o d e l e r ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，t h ev e h i c l ec l a s s t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k m o d e li sb u i l t t h r o u g ht h ea n a l y s e so fs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h es t u d i e si nn o d e n u m b e r 、m e s s a g es e r v i c e 、p r i o r i t ya n de r r o rr a t e ， i ts h o w st h a tc a nb u si s r e l i a b l ea n ds t a b l ea n di tc a nb eu s e da sv e h i c l e l e v e lb u s o re q u i p m e n tb u si n t h et r a i nc o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1n e t w o r k s k e yw o r d ：f i e l d b u s ；t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；v e h i c l e l e v e lb u s ；o p n e t ； l o n w o r k sb u s ；c a nb u s 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 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：璺椒武 导师签名： 日期：如一年s 月矽日 日期蜱妇7 同 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 通过对列车通信控制网络网络拓扑结构的分析研究，设计了通用的车辆级总 线控制网络模型。并通过对具体几种不同车型列车通信控制网络的介绍、分析，验证 了该模型的合理性。 ( 2 ) 建立了基于o p n e t 的l o n w o r k s 总线的车辆级总线网络简化模型，并对其 网络性能如碰撞率、延时和总线利用率进行了研究分析，并与以太网进行了比较。得 出了采用可预测p 略持c s m a 协议的l o n w o r k s 总线网络在高负载的情况下，能有效 的降低数据帧的碰撞率和提高总线的利用率。这些特点非常适合作为列车网络的车辆 级总线，虽然传输延时会有所增加，但其实时性依然满足列车控制网络的要求。 ( 3 ) 建立了基于o p n e t 的c a n 总线车辆级总线网络简化模型，重点分析了c a n 总线网络的节点数目、应答方式、报文优先级和误码率等对整个网络性能的影响。得 出了c a n 总线具有很高的可靠性和稳定性，适合作为列车通信网络的车辆级控制网 络。 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己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：童；椒氏 日期：弘矽、s 哆 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 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 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 的一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 。随着现代列车朝高速化、自动化和舒适化的方向发展，越来越多的信息( 诸 如状态、控制、故障诊断、旅客服务等信息) 由此而产生，并且迫切需要在机 车车辆各计算机之间互相传输与交换 2 1 。同时，现场总线技术和嵌入式微机控 制技术的发展，为大量信息在列车上安全、快速、可靠准确的传输打下了坚实 基础。在这样的背景下，作为列车控制、诊断信息通信网络的列车通信网络 ( 几w t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 应运而生。 列车通信网络作为列车的重要组成部分，是现代列车的核心技术之一，它 的性能好坏直接影响列车的整体性能。世界上多个国家对列车通信网进行了长 时间的深入研究，研制成功了各具特色的列车通信网络，如日本高速列车新干 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 d f i p 列车网络控制系统，而美国的铁路列车网络控制系统多采用 l o n w o r k s ，采用c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线的列车网络控制系统则 在欧洲应用较为广泛【3 。它们各有其特点和优势，在现代铁路运输中发挥着重 要的作用，但这些系统自成体系，缺乏统一的通信协议及标准，互相不能兼容。 为了实现车载数据通信的国际标准化，国际电工技术委员会e c 于19 9 9 年通 过了一项列车通信网络专用标准即t c n ( i e c 6 1 37 5 ，) 【4 】。该标准将列车通信 网络分成用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网络w t b ( w i r et r a i n b u s ) 绞线式列车总线和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络 m l b ( m u h ! f u n c t i o n v e h i c l eb u s ) 多功能车厢总线，列车级通信网络标准对应 1 e c 6 1 37 5 2 ，车辆通信网络标准对应1 e c 6 1 37 5 3 。由于t c n 是专门为列车通 信网络制定的标准，在实时性、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。 不少铁路供应商为满足各种列车在控制、监视、诊断、维护与管理支持等 方面的需求，先后开发了列车通信网络技术的产品。由于其侧重的应用对象与 功能要求、技术基础、社会人文环境的不同而走上了不同的技术发展道路。考 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 虑列车这特定的应用对象，若把列车通信网络抽象化、标准化，然后具体化， 使得一方面列车通信网络的核心技术能够被共享，更重要的是使得不同来源的 机车车辆能够在计算机网络的意义上相互灵活地联挂，以及不同来源的车载设 备能够在同样的情况下相互通信，则是很理想的。事实上不同层次的列车通信 网络标准化工作的确始终贯穿在整个列车通信网络技术的发展与应用过程之 中。 1 1 2 课题的研究意义 近年来，随着国内交流传动高速列车、电动车组、城市轨道交通车辆研究 工作的开展，列车控制技术己从单台机车控制逐步向列车网络控制方向发展， 列车网络控制技术己成为高速列车、动车组的必备技术之一。一方面，铁道部 开展了列车通信网络课题研究，另一方面，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 ( 列 车通信网络) 、通信介质、基于r s 4 8 5 的通信协议等领域展开。先后进行了 黝作为磁浮列车车辆总线的研究，以及m v b 、形阳、r s 4 8 5 + 、l o nw o r k s 等 总线协议在列车通信网络上应用的研究。 基于w t b 和m v b 的厄ct c n 网络技术是专为铁路应用而开发的在制 定的初期就有明确具体的列车级和车辆级的应用需求定义，因此在实时或非实 时的变量通信、编组的自适应能力、网络的可靠性、网络的可管理性都有明显 的优势，能满足铁路行业的特殊需求。但也正由于其专门为列车通信网络开发 的，所以在经济性、开放性、适用范围、开发的便利性和灵活性上l o n 眦厂砖，c a n 等现场总线技术占有明显优势。 当前我国列车使用的列车通信和控制网络没有完全的自主知识产权技术。 国内没有成熟产品，大部分列车通信网络由国外厂家从产品提供到系统集成完 全控制，这对系统后期的调试和维护存在相当大的影响。鉴于几种总线技术在 列车通信网络中的成功应用，针对不同车型的列车通信网络选型研究就显得尤 为重要。因此，对列车通信网络的仿真研究具有很强的现实意义。 1 2 列车通信网络的发展及研究现状 在列车通信网络的实际应用中，t c n ( w t b 和m v s ) 作为专门为列车通信 网络制定的标准，在制定的初期就有明确具体的列车级和车辆级应用需求定 义，包括：实时的变量通信、非实时的消息通信、列车编组的自适应能力、网 络的可靠性、网络的管理功能等。但也正因为它是专门为列车通信网络而开发 的，在其适用范围、供货商、经济性、推广性等方面均不如几种现场总线型的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 5 列车通信网络。 随着其他现场总线技术的发展和在铁路领域应用的不断深入，特别是铁路 用户对控制网络技术在开放性、性价比、应用的多样性和灵活性等方面要求的 提高以及一些新的应用需求的出现，在铁路用户、业内专家和各现场总线用户 组织的共同推动下，i e ct c 9 于2 0 0 3 年开始成立列车通信网络临时工作组 t a h g ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka dh o cg r o u p ) 专门负责t c n 网络在开放 性、互操作性改进以及未来发展等方面的研究工作。 目前，t a h g 已决定采用模块化形式来重构孔w 标准文献，新文献主要将 补充原标准文献所缺少的网关、过程数据排列( p d m ) 以及u i c 5 5 6 的通信和应 用规范，并引入了诸如w o r l d f i p 、c a n o p e n ，l o n w o r k s 、t i m n 等车辆总线规 范。推荐的新标准文献结构及主要内容如表1 1 所示： 表卜1 新t c n 标准文献结构与内容 6 1 3 7 5 1t c n 体系结构 1 、结构概述；2 、列车网 络；3 、车辆网络；4 、主 要接口；5 、网络实例；6 、 实现举例： 6 13 7 5 2 3 6 13 7 5 2 4 1 、概述；2 、物理层；3 、 绞线蒯轴线t b 芰竺篙；层4 ；、：篙銎 ： 管理 m 一致性测试 叩c 通信规范 c 应用规范 基于以太网的列车网络 现行尼c 6 1 3 7 5 2 标准中 w t b 中范部分 c 5 5 6 中通信规范部分 c 5 5 6 中应用规范部分 基于i e e e 8 0 2 3 以太网和 t c p i p 协议的i s o0 s i 1 4 层 荔， 6 13 7 5 3 ， 车辆网络 ， 1 、概述；2 、物理层； 3 、数据链路层 m v b 一致性测试 c a n o p e n 现行1 e c 6 13 7 5 2 标准中 m v b 规范部分 引用的相关标准、与 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 一e t h e r n e t ( 基于以太网的车辆总 线1 w o r l d f i p l o nw o r k s t i m n ( 歹0 车信息管理网 络1 w t b 的连接模型和适应 性陈述 引用的相关标准、与 w t b 的连接模型和适应 性陈述 引用的相关标准、与 w t b 的连接模型和适应 性陈述 引用的相关标准、与 w t b 的连接模型和适应 性陈述 1 、概述；2 、物理层；3 、 数掘链路层；与w t b 的 连接模型和适应性陈述 由表1 1 可看出，以后列车通信网络大致有以下几个发展趋势：相互竞争、 多种网络技术并存；相容并蓄，多种网络共存于一个系统中；异军突起、工业 以太网的引入将成为新的热点。 1 2 1m v b 总线和w t b 总线 w t b 是用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网络，m v b 是用与 连接车辆内固定设备的车辆通信网络。它是应用于客运列车各车厢系统的分层 网络，是面向控制的一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。 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，它连接车内设备，可以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。m v b 为快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合作车辆总线，对 于固定编组的列车，也可用其作列车总线。 w t b 以德国d i n v 4 3 3 2 2 和意大利c d 4 5 0 高速列车的数掘通信经验为基础 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。w t b 最显著的特点是编 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 组自适应能力，w t b 能够以顺序给节点自动编号和让所有节点识别何处是列车 的左侧或右侧的能力。 玎7 t b 和m p 留采用主从模式下的确定性介质访问控制，所有设备只能在受 控的确定时间访问介质，有固定的响应时i 刨，但需要发送论询帧，总线利用率 低。它们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。过程数据( 变量) 采用逻辑地址寻址，消息数据采用设备地址( 网 络地址) 寻址。 m v b 和w t b 的体系结构见表1 2 。 表卜2m v b w t b 体系结构 1 s 0 ，份，模型变量消息 应用层 表示层 会话层 传输层一 网络层 数据链路层 物理层 单变量；数据块、集呼叫应答消息；多播消息 统一原始变量和结构化变量 一 建立会话；呼叫应答 一 消息打包；流量控制纠错；多播 分级寻址；路由 数据集周期传输无连接；非周期传输 双绞线：光纤物理连接 w t b m v b 在欧洲应用最为广泛，a d t r a n z 在瑞典完成w t b m 凇车载网络 约3 0 1 套，m v b 车载网络2 6 套。a 以r a n z 其他t c n 项目完成w t b m v b 车载 网络7 17 套，w t b 车载网络5 套，m v b 车载网络3 9 3 套。在国内，m v b 先后 用于“先锋”、“澳星”、“熊猫”、“蓝箭”、“中原之星”、“中华之星”、 “c r h l ”、 “c r h 5 ”等动车组【5 儿6 l 。 借助于a v a l o n 总线，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和总线访问伊核来 构成该m 留网络接口卡。并结合d a u g o n 公司生产的讲，4 系列m 馏主板卡和 两个m 凇智能显示单元，在实验室里组建了m 阳实验网络系统【7 】。通过研究 列车通信网t c n 的体系结构和网络中的两种数据的传输技术，对列车通信网 上报文定时进行了详细分析，采用基于特征周期的变量轮询法来实现列车通信 网中变量数据传输的实时性；并根据列车通信网的特点采用“半比特检错法”， 使车辆总线数据帧能够在使用8 比特作为校验和的情况下，仍能保持很高的检 错率【8 】。运用概率理论和比特检错的蒙地卡罗仿真方法分析了m 憎通信网络 的差错控制能力，同时对m v b 通信网络的监视数据报文进行了分析，从而较 全面的分析了m v b 通信网络的安全性。最后按照m 留通信网络协议标准，在 m i n i g u i 开发平台基础上实现了人机交互界面与网络底层数据通信的融合【9 】。 采用满足t c n 标准的不同设备在需要互连通信时，对车辆级与设备级的互连 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 兼容性进行了一致性的测试研究10 1 。 1 2 2l o n w o r k s 总线 l o n i 矿b 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 a7 0 9 1 19 9 8 。i e e e 将l o n w o r k s 作为其制订的列车通信协议 标准的部分( t y p eu ，与t c n ( t y p e 乃共同构成1 e e e l 4 7 3 。l o nw o r k s 使用的 l o n t a l k 协议实现o s i 参考模型全部7 层服务，并支持全面的网络管理，表1 3 显示了l o n w o r k s 各层的作用和提供的服务。 表卜3l o n w o r k s 体系结构 l o nv v b r k s 为通用网络，具有较好的灵活性、适应性和性价比，适用于一 般轨道车辆。l o n w o r k s 主要在美国地铁，美国a c e l a 高速列车，美国、加拿 大、南非等国重载货物列车以及美国、澳大利亚、德国、罗马利亚等国数千轨 道车辆上应用。在国内，l o n w o r k s 已先后用于“新曙光”、“神州”、“金轮” 等动车组，以及北京高质车、2 5 g 型客车、19 k 型客车等l5 0 0 多辆车5 】 12 1 。 l o nw o r k s 采用的网络传输介质很广泛，而c a n 和m v b 采用的传输介质单一 【1 3 】【1 4 】 o 一些研究人员借助l o n b u i l d e r 开发平台及其2 个仿真器、3 个路由器、5 个g i z m 0 3 以及9 个l o nw o r k s 智能节点，共同组成一个模拟对列车轴温、电动 门进行信号采集、处理与控制的列车通信网络】。通过l o n w o r k s 络技术的特 点、协议，论述了采用该技术开发列车通信网络的理论依据，并针对列车通信 网络特有的两层结构设计了一种智能代理节点来实现列车级和车辆级两级网 络的相互通信，在此基础上，设计、建立了基于l o n w o r k s 网络技术的列车通 网络实验平台【1 5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 2 3c a n 总线 c a n 总线最仞是由德国b o s c h 公司为汽车监控、控制电子系统的数扼通信 应用丌发的，现己成为国际标准i s 0 118 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 11519 ( 低速应用) ， 获得了非常广泛的应用。翻总线在列车通信中也得到了应用，然而与其他现 场总线不同的是，c a n 只定义了物理层和数据链路层的规范，并未对其他几层 特别是应用层进行定义【l6 1 。这种设计使c a n 能广泛适应不同的应用条件，同 时也必然给用户带来些不便，因此欧洲一些公司联合定义了c a l ( c a n a p p l i c a t i o nl a y e r ) 协议。c a l 协议只是一个纯粹的应用层协议，每个用户在 应用时都必须为其设计一个子协议，很难得到统一和广泛的应用。为此，b o s c h 公司开发了基于c a l 的完全开放的子协议原型，并由此发展成了c a n o p e n 规 范。c a n o p e n 采用面向对象的思想设计，由于其具有很好的模块化特性和很高 的适应性，在列车通信网络的车辆级网络中也得到了较为广泛的应用。表1 4 显示了c a n 总线的体系结构【1 7 】【18 1 。 表1 - 4c a n 总线体系结构 c a n 总线采用仲裁方式访问网络总线，即采用1 1 位报文头进行仲裁决定 信息优先级，其实时性优于m v b 和l o n w o r k s 1 3 】。c a n 总线采用双绞线传输介 质，成本低，实时性高，可以通过简单的协议，在电磁干扰环境下远距离的实 时数据可靠传输 19 1 。近年来c a n 和c a n o p e n 协议在轻轨地铁货车等轨道车辆 以及车门、空调、倾摆、制动、牵引以及旅客信息等控制子系统中得到广泛应 用【3 1 。 一些学者提出列车总线则采用高带宽的以太网，车辆总线采用强实时性的 c a a 7 总线，二者通过自行设计的嵌入式透明网关进行无缝连接；该网关模块采 用d p s 加m u c 的双处理器架构，并通过c 语言编程实现了标准c a n 协议和 经裁剪的丁c 尸仰协议；利用v c 进行w i n s o c k 编程，在列车诊断计算机中实现 了全列车范围的设备监控。针对具体的悬浮控制系统，对c a n 网络的实时性 能进行了详尽的分析和测试，论证了c a n 应用于悬浮控制系统设备总线的可 行性【2 。通过c a n 总线冗余通信在机车控制系统中的研究，指出了c a n 总线 作为设备级总线可行性与优势所在。设计了基于c a n 总线技术和容错技术的 电力机车逻辑控制单元( l c 的方案，详细阐述了l c u 的结构、主要部件的工 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 作流程，并结合c a n 2 o b 协议的特点，制订了一份能够充分满足系统的要求、 较高效率的通讯协议【2 2 】【23 1 。 1 2 4 其他列车通信网络技术 其他一些现场总线技术也被广泛应用于列车通信网络中，比如肋尸，d f7 p 、 a r c e n t 等。 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。r ，d 用p 协议单一， 它在一条传输通道中既可以传输与实时控制直接相关的控制指令和过程变量， 也可以传输一些实时性不强的监视状态和偶发性变量。w o r l d f i p 具有实时性、 可靠性和同步性等特点，它适用于车辆级总线和列车级总线，并且在车辆级总 线和列车级总线之间不需要网关，仅靠路由器就能完成通信，具体应用比较容 易实现 2 4 - 26 1 。 肋厂，棚总线技术在轨道交通领域也得到了广泛的应用。法国a l s t o n 公司将肋厂，d f ，尸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 高速列车。巴黎无人驾驶地铁、我国上海的明珠线地铁等也 采用了r ，d f ? i p 总线技术。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1 5 显示了腑r ，d f ，尸各层的作用和提供的服务。 表1 - 5 腑，耐f ，p 总线体系结构 a r c n e t 似u x i l i a 砂r e s o u r c ec o m p u t e rn e t w o r 助是一种基于令牌传递 仍加以p a s s i n 圳协议的现场总线，19 9 9 年成为美国国家标准a n s i a 黝8 7 8 1 ， 从0 肼参考模型来看，它提供了网络的物理层和数据链路层服务。4 灭c 砸丁网 络最初是在7 0 年代末作为办公自动化网络发展起来的，随着办公室网络系统 需求由a r c n e t 向以太网转变，a r c n e t 网络在实时控制系统中找到了新的用 途。由于它具有快速性、确定性、可扩展性、支持长距离传输、软件开销小、 错误自检测、进退网简单等特点，非常适合过程实时控制，近年来被广泛应用 在各种自动化领域，现在全世界已有约4 5 0 万个a r c n e t 节点应用于工业领域 中，加入a r c n e t 行业协会似黝) 的企业己经遍布了工业领域的几乎所有行业。 随着每年近5 0 万新的a r c n e t 网络节点的安装，到2 0 0 0 年底a r c n e t 网络 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 节点已经达到了6 0 0 万个节点。同本的高速列车所使用的列车通信网络主要采 用a r c n e t 网络，我国南车集团引进的同本川崎公司的高速动车组( c r h 2 夕也 使用了a r c n e t 网络 2 7 - 3 0 】。 1 3 主要研究工作 本论文是在深入学习了l o nw o r k s 总线技术、酬总线技术及其相关协议 标准以及目前列车通信网络研究现状的基础上，利用o p n e t 网络仿真软件， 尝试根据实际的列车网络拓扑结构，选用不同的现场总线技术组建列车通信网 络，并构建其网络仿真模型进行仿真，通过分析仿真数据对各种总线型列车网 络进行通信性能的比较，最后针对不同车型的列车通信网络选型做出选型分 析。 本论文的全部章节结构及相关内容如下： 第一章主要介绍了课题的研究的背景和意义，列车通信网络技术的发展和 研究现状，本论文的主要研究工作。 第二章主要介绍了o p n e t 仿真软件及其建模原理、建模方法及步骤等， 说明了采用该软件进行仿真的原因。根据对几种不同车型列车通信网络的网络 拓扑结构的分析与研究，设计了o p n e t 软件下的总线型列车通信网络的车辆 级总线网络域模型。 第三章先是简单介绍了l o nw o r k s 总线的相关技术特点及其通信协议 化o ”砌豫夕。完成了l o n w o r k s 总线在o p n e t 中节点域、进程域的建模，在 此基础上根据车辆级总线网络模型进行仿真，并对仿真结果进行分析。 第四章是简单介绍了c a n 总线的相关技术特点及其通信协议( c a l 、 c a n o p e n ) 。完成了c a n 总线在o p n e t 中节点域、进程域的建模，在此基础 上根据车辆级总线网络模型进行仿真，并对仿真结果进行分析。 最后给出了本论文的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o v 第2 章o p n e t 软件简介及列车通信网络网络域建模 2 1o p e 7 软件 研究 2 1 1o p n e t 软件简介 o p n e t 公司起源于麻省理工学院，成立于19 8 6 年。19 8 7 年d 尸e 丁公司 发布了它的第一个商业化的网络性能仿真软件，提供了具有重要意义的网络性 能优化工具，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。至今o p n e t 己经发行到了1 4 5 以上版本。 o p n e t 作为一种主流网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的建模提 供了全面的模拟仿真开发环境。o p n e t 通过执行离散事件仿真来分析各种模 拟系统的行为和性能。o p n e t 将各个仿真阶段所需要的工具相整合，组成了 一个由模型设计工具、仿真核心、数据收集工具和数掘分析工具有机结合起来 的大型仿真系统。它主要包括以下四个核心软件： ( 1 ) s e r v i c ep r o v i d e rg u r u ：面向网络服务提供商的智能化网络管理软件。 是d 尸砸丁公司的最新产品。 ( 2 ) o p n e tm o d e l e r ：为技术人员( 工程师) 提供一个网络技术和产品开发平 台，可以帮助他们设计和分析网络、网络设备和通信协议。 ( 3 ) 丁丁g u r u ：帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用的性能，诊断 问题，查找影响系统性能的瓶颈，提出并验证解决方案。 ( 4 ) w d mg u r u ：用于波分复用光纤网络的分析、评测。 本论文主要使用o p n e tm o d e l e r 软件设计了l o nw o r k s 、c a n 总线的 o p n e t 节点模型，并针对两种总线技术作为列车通信网络的性能做了一定的 分析。 o p n e tm o d e l e r 是一个大型软件包，它不仅支持一般意义上的网络建模和 仿真，还为各种特殊网络提供支持。它的一些重要特性如下： ( 1 ) 面向对象：o p n e tm o d e l e r 创建的所有系统都由一系列属性可配置的 对象组成。对象属于某个类，类以行为和属性的方式描述对象的特征。它支持 用户自定义新类以用以更广泛的系统研究。 ( 2 ) 专门研究通信网络和信息系统：o p n e t 提供很多与通信与信息处理相 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 关的类型结构，为通信网络和分布式系统的模拟提供高度的支持。它提供了一 个比较齐全的的基本模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、a t m 设备、d s l 设备、胚d ，设备等等。 ( 3 ) 分级模型：提供三层建模机制。最底层为p r o c e s s 进程模型，以有限 状态集来描述协议；其次为n o d e 节点模型，由相应的协议模型构成，反映设 备特性；最上层为n e t w o r k 网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层 次完全对应，全面反映了网络的相关特性。 ( 4 ) 仿真机制：采用离散事件驱动的模拟机理( d i s c r e t ee v e n td r i v e n ) ，与时 间驱动相比，计算效率得到很大提高。采用混合建模机制，把基于包的分析方 法和基于统计的数学建模方法结合起来，既可得到非常细节的模拟结果，也大 大提高了仿真效率。 ( 5 ) 完全开放的模型编程：用户可以使用o p n e tm o d e l e r 中的有限状态机 ( f i n i t es t a t em a c h i n e ，f s m ) 来对协议或者其他进程进行建模，在有限状态 机的状态和转移条件中使用c c + 十语言对各种进程进行模拟，可以随心所欲的 开发自己所需要的模型及控制仿真的详细程度。 ( 6 ) 数掘收集及处理：o p n e t 具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以 直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便的编制和输出仿真报 告。 ( 7 ) 接口功能：提供了对网络管理系统、流量监测系统的接口，能够方便 的利用现有的拓扑结构和流量数据建立仿真模型，同时还可以对仿真结果进行 验证 3 - 3 3 】。 2 1 2o p n e t 通信仿真机制 从宏观上看，o p n e tm o d e l e r 提供的功能主要分为两大类：系统建模，即 根据具体要求，构建自定义的系统模型；系统仿真，即对现有系统模型进行性 能测试和行为分析。本文主要利用o p n e tm o d e l e r 进行列车通信网络仿真。 实际通信系统的通信实体大多采用交互的形式进行通信，这些消息可以是 用于某些特殊管理功能的管理信息，也可以是通信实体之间相互传输或共享的 数据信息，有时把所有在通信实体之间传输的信息统称为“包( p a c k e t ) ”。 o p n e tm o d e l e r 为了模拟实际通信系统的这种通信媒介，提供了基于包的通 信、使用接口控制信息( 1 c 1 ) 的通信和基于链路的通信等几种通信机制，分 别从不同角度来表征通信系统的传输媒介【3 1 】【32 1 。几种o p n e t 通信机制详细介 绍如下： ( 1 ) 基于包的通信 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 基于包的通信是o p n e t 中最为常见的通信机制，也是最贴近实际通信系 统的通信形式，d 尸e 7 1 采用基于包的建模机制( s i m u l a t i