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列车网络控制技术基础,讲解内容,网络的基本概念TCN列车通信网络标准IEC61375,1网络基本概念,1.1内容提纲,网络的基础网络的内涵网络的特点列车网络技术的发展,1网络基本概念,1.2引言,当今人类正进入网络社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。铁路运输也不例外。城轨车、动车组、高速车、地铁、摆式列车等列车控制命令和状态信息的传递，对各部件的诊断，信息显示等均离不开列车网络系统。,1.2.1引言-传统方式,1网络基本概念,1.2.2引言-网络方式,1网络基本概念,1网络基本概念,1.3通信系统简介通信是网络的基础,1.3.1通信系统的组成信息源和信息接收者发送设备传输介质接收设备,1网络基本概念,1.3.2通信系统的功能数据通信资源共享增加可靠性提高系统处理能力,1网络基本概念,1.3.3传输速率波特率1.3.4通信方式单工通信半双工通信全双工通信,1.4网络内涵,1网络基本概念,1.4.1网络拓扑,星形拓扑,环形拓扑,总线拓扑,树形拓扑,自由拓扑,1.4.1网络拓扑（续）,1网络基本概念,1.4.2.网络传输介质,1网络基本概念,双绞线同轴电缆光导纤维电缆无线,1网络基本概念,双绞线双绞线(TwistedPair,TP)是目前使用最广，价格相对便宜的一种传输介质。它由两条相互绝缘的铜导线组成。其中导线的典型直径为1mm(在0.4mm至1.4mm之间)。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。“双绞线”的名字也是由此而来。由若干对双绞线构成的电缆被称为双绞线电缆。,1网络基本概念,同轴电缆同轴电缆（COARIALCABLE）的得名与它的结构相关。同轴电缆也是局域网中最常见的传输介质之一。它用来传递信息的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（一根细芯）外面，两个导体间用绝缘材料互相隔离的结构制选的，外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上，所以叫做同轴电缆。广泛使用的同轴电缆有两种，分别是阻抗为50的基带同轴电缆和阻抗为75的宽带同轴电缆。,1网络基本概念,光导纤维电缆光纤是以光脉冲的形式来传输信号，以玻璃或有机玻璃等为网络传输介质。它由纤维芯、包层和保护套组成。光纤传输带宽非常宽，通信容量很大；传输损耗小，中继距离长，特别适用于长距离传输；抗雷电和抗电磁干扰能力强；保密性好，不易被窃听或截取数据；体积小，重量轻；误码率低，传输可靠性高；价格正在不断下降。,1网络基本概念,无线无线介质是指信号通过空气传播，信号不被约束在一个物理导体内。无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括无线电、微波和卫星通信等。,1.5开放系统互连OSI七层模型,1网络基本概念,7654321,1网络基本概念,物理层(PhysicalLayer)要传递信息就要利用一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆等，物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、电气、功能和过程特性。如规定使用电缆和接头的类型，传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是比特。,1网络基本概念,数据链路层(DataLinkLayer)数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错的传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发方重发这一帧。,1网络基本概念,网络层(NetworkLayer)在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息-源站点和目的站点地址的网络地址。,1网络基本概念,传输层(TransportLayer)该层的任务时根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也就是源站和目的站）的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠地传输数据。在这一层，信息的传送单位是报文。,1网络基本概念,会话层(SessionLayer)这一层也可以称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。,1网络基本概念,表示层(PresentationLayer)这一层主要解决拥护信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作都由表示层负责。,1网络基本概念,应用层(ApplicationLayer)应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用。,1.6网络的特点,1网络基本概念,互连互通各个不同设备之间通过采用相同的网络技术可以实现互联，完成数据的交换。资源共享网络中的不同设备通过网络实现资源共享。,1.6.1网络的整体性,1网络基本概念,1.6.1.1网络的资源共享,1.6.1.1网络的资源共享（续）,1网络基本概念,1.6.2网络的可靠性,1网络基本概念,分布系统网络冗余,1网络基本概念,分布系统系统中的各节点(传感器、控制器、执行器等)之间的数据传输不是采用传统的点对点式的,而是通过网络来传输的。,1网络基本概念,冗余系统在一些对系统可靠性要求很高的应用中，DCS的设计需要考虑热备份也就是系统冗余，这是指系统中一些关键模块或网络在设计上有一个或多个备份，当现在工作的部分出现问题时，系统可以通过特殊的软件或硬件自动切换到备份上，从而保证了系统不间断工作。通常设计的冗余方式包括：CPU冗余、网络冗余、电源冗余。在极端情况下，一些系统会考虑全系统冗余，即还包括I/O冗余。,1网络基本概念,1.6.3网络的层次性,计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。分层结构还有利于交流、理解和标准化。,1.6.4网络的开放性,1网络基本概念,网络协议是通用的网络协议是公开的连接在网络上的设备不一定是一个厂家的产品,1.7网络体系,1网络基本概念,Internet国际互连网Intranet企业网现场总线控制网络,全球性安全性实时性,1网络基本概念,1.8列车网络的层次结构,1.9列车网络的发展,1网络基本概念,从列车通信发展成列车网络将工业控制网络应用到列车上，形成列车通信网络,讲解内容,网络基本概念2、列车通信网络标准TCNIEC61375,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.1IEC国际电工委员会,设备制造商：,Adtranz(CH,DE,SE),ANSALDO(IT),CAF(E),ErcoleMarelliTrazione/Firema,GEC-Alsthom(F,GB,B),Mitsubishi(JP),Siemens(GB,DE),Toshiba(JP),WestinghouseSignals(GB),铁路营运商：,CR（中国铁路）,DB(德国铁路),FS(意大利),JRRI(日本),NS(荷兰),RATP(法国),SNCF(法国),组成国际铁路联盟UIC,PKN(波兰),IECTC9(牵引电气设备分会)与UIC（国际铁路联盟）一起建立了WG22(第22工作组),制订TCN列车通信网络标准。,2列车通信网络标准TCNIEC61375,TC9于1988年建立WG22，来定义车载智能控制设备之间的接口,其目的是取得设备之间的互操作性（兼容性）,1)车辆之间,2)一个车辆内的各控制设备之间:,2.2WG22的任务,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.3WG22的工作方法,建立用户需求(尤其是UIC),基于由铁路设备供应商支持的且已经在铁路上得到证实的解决方案,解决知识产权IP的问题,标准化之前已实现,确保对技术的平等入门,定义一致性测试,研究已有解决方案(Profibus,LON,FIP,MIL1553,CAN,.),2.4TCN两层结构,列车通信网络包括:,用于连接多个车辆的列车总线,用于连接一个车辆内多个控制设备的车辆总线,车辆和列车总线通过一个扮演网关功能的节点来互联,车辆总线设备,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.5列车类型,开式列车,闭式列车组,车辆在运行中不分离.列车总线由司机或工厂离线配置,例子:TGV,ICE,地铁,郊区通勤列车.,包括需要频繁编组和解编的车辆，列车总线能自动再配置（初运行）,例子:国际旅客列车.,WG22区分两种主要不同的列车:,SNCF,DB,FS,2列车通信网络标准TCNIEC61375,列车总线:860m,32个节点.,车辆总线:200m,32个设备.,时间紧急的短的过程数据,(牵引控制，列车控制,.)周期性传送,列车总线上点到点的传输延迟100ms,车辆总线上相应的传输延迟5000个车辆在使用,应用现状,1.5Mbps,1ms,双绞线，光纤,2.12多功能车辆总线(MVB),驾驶室,电机,变流器,制动,电力线,轨道信号,列车总线,诊断系统,无线列调,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.12.2MVB物理层,OGF,EMD,ESD,双绞线段,传感器,光纤链路,机箱,光纤链路,机箱,星型耦合器,介质直接通过中继器信号再生器）进行连接,所有介质均运行在同样的1.5Mbps的速度下.,设备,(2000m),(200m),(20m),光纤,具有变压器隔离的屏蔽双绞线,符合RS485的背板总线或双绞线,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.12.3闭式列车组中的MVB,在多单元列车配置中，MVB可以跨几个车辆:,列车总线,设备,节点,具有短距离总线的设备,MVB,在固定配置的列车中，MVB可以用作列车总线,距离长达200m(EMD介质)或2000m(OGF介质).,中继器,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.12.4MVB:标准设备接口,WG22把MVB规定为同一车辆上不同设备之间能满足互操作性要求的标准接口,MVB总线上的数据通信在WG22的应用小组中进行定义.,每一种设备都通过一种标准方式进行访问,来读取它的特征，建立它的参数以及下载更新的程序等.,MVB为设备互换性铺平了道路，并简化了维护过程,MVB对以下方面来说，是十分重要的：,小的设备制造商（减少网络多样性）,组装厂(多家供应商可选择),铁路营运商(减少维护费用和备品备件),2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.13WTBMVB的比较,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.14TCN架构,MVB,MVB,MVB,MVB,MVB,860m(无需中继器),WTB,(标准),开式列车,0车辆总线,2车辆总线,(标准或非标准),1车辆总线,(标准MVB),MVB或其他,(非标准),闭式列车,1车辆总线,0车辆总线,WTB,(标准),连接的列车组,1车辆总线,200m(无需中继器),200m无需中继器,非标准的MVB,0节点,(导车),2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.15TCN的可用性,所有介质缺省设为冗余(在两线上发送，但只从一路接受，检查另一路),线A,线B,从,设备1,从,设备2,从,设备3,从,设备4,-,从,设备N,线A,线B,WTB节点,(网关),冗余总线管理器,总线管理器,1,总线管理器,2,在MVB上，总线主权由交互的总线管理器来行使,在WTB上,当总线主故障时，任何节点均可行使总线主权,WTB,MVB,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.16TCN的容错性,MVB(双份),激励器,传感器,TCN允许MVB设备的替换,在切换时，消息改变路径发送到当前在线的单元.,节点,节点,(在线),(备用),通过一次初运行，备用的WTB节点接管故障节点的功能,WTB,(双份),2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.17TCN总线通信,过程数据的周期性传送,短而紧急的数据项,包含列车状态比如：,变量被周期性地刷新,发生通信错误时不需重传协议,周期相,周期相,事件,偶发相,偶发相,时间轴,消息数据的偶发传送,不经常的但冗长的用于报告事件,的消息，主要用于：,系统:初始化，下载等,消息代表不被丢失的状态变化：,通信错误通过一个重传协议来恢复,用户:诊断，状态,基本周期,基本周期,变量,消息,.电机电流,速度,操作命令等,预先确定的通信,基于需要的通信,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.18实时协议栈（RTP）,实时协议RTP适用于使用WTB、MVB或其他遵循相同操作原理总线的列车通信网络（TCN），实时协议提供车辆内或车辆间应用之间的通信。RTP规定两种主要的应用通信服务：a）变量：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（LPI）。变量的应用层接口（AVI）。b）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请求发送，包括：消息数据链路层接口（LMI）。用于选择包在网络中的传送路径的网络层路由。提供流控制和差错恢复的传送层。配对呼叫消息和应答消息对话层。消息的应用层接口（AMI）。,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.18实时协议栈（续）,TCN的所有总线都遵循同样的操作原理.,所用总线共享共通的RTP实时协议和TNM网络管理,网络管理,MVB,变量,TCN列车通信网遵循OSI开发系统互联模型.,网络层,会话层,传送层,链路层,物理层,实时协议,所有总线都是共同的,表示层,应用接口,消息,应用接口,链路层接口,其它总线,WTB,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.19过程数据交换:确定性和实时性,TCN提供一种刷新信息用以检测出过时的数据,通过周期性的基于源地址的广播，TCN提供了一种确定性传送,循环,算法,端口地址,应用,1,通信,存储器,端口,端口,端口,应用,2,应用,4,源端口,宿,端口,端口数据,总线,控制器,总线,控制器,总线,控制器,宿端口,周期性,轮询,总线,控制器,总线,管理器,应用,3,总线,控制器,总线,周期性表,端口,应用程序应该采用循环调度算法，以确保确定性.,循环,算法,循环,算法,循环,算法,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.20消息数据交换和应用程序接口,列车总线,F,F,F,F,F,不同车辆中功能,在一个节点上的功能,与在另一个车辆中应用进行通信,路由器,路由器,节点,车辆,总线,车辆总线,同一车辆中的功能,功能,F,F,F,F,F,F,F,F,同一设备中的功能,一个定义好的接口确保应用程序的编写独立于通信系统,不管功能定位于与应用相同或不同的车辆中，它们之间的通信是相同的,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.21消息数据:需求驱动的通信,交换信息的实体叫做应用功能.,每个车辆支持标准的应用功能.,不用了解其内部结构，列车总线即可访问一个车辆的功能.,应用访问的是功能而非设备,.,功能即可以由一个或几个车辆总线设备来实现，也可由一个节点来实现.,车辆,总线,传感器总线,列车总线,设备,空调,车门,制动,车门,旅客信息,设备,设备,设备,设备,传感器/,激励器,总线,管理器,网关根据功能目录推断出设备并路由消息到提供该功能的设备.,列车-车辆,网关,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.22支持不同的车辆结构,条件:所有设备使用TCN实时协议,比如MVB,比如DIN,比如VME,站点,车辆总线,传感器/执行器,传感器总线,trainlevel,背板总线,车辆总线,节点,节点,节点,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.23网关,设备能够访问至少一条另外的总线（MVB或其他）。此性能表明设备具有设备状态、过程数据和消息数据性能，并且只要至少有两条总线同时遵守实时协议时就能够构成路由。一个标准TCN网关的两个物理接口是WTB接口和MVB接口,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.23网关:包括外族设备(续),链路层,网络层,传送层,会话层,表示层,外族段,MVB段,网关,应用程序,应用程序,物理层,实时协议,协议转换需要一个共同的对象地址空间,链路层,物理层,链路层,物理层,过程数据排列,链路层,物理层,过程变量,转换,网络层,传送层,会话层,表示层,过程变量,最重要的是一个共同的数据表示和语义规则,因此，需要一个标准的对象描述.,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.24TCN网络管理,列车网络管理制定了一系列服务，用于列车通信网的试运行、测试、运行和维护，例如：a）站标识和控制；b）列车总线和车辆总线链路层管理；c）路由和拓扑的分布；d）变量的远程读出和强制；e）下载和上载。所有服务都可被一个经营者进程远程请求。这些服务在每个站中通过各代理者进程得到执行。,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.24TCN网络管理（续）,MVB,WTB,代理,管理者,SPY,代理,代理,代理,代理,管理的对象,代理,网络管理定义了一套服务，主要用于:,调试和一致性测试,代理:配置,路由和信号排序,运营:故障和性能监视,维护:故障报告的评估,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.25.1一致性测试（1）,TCN规范足够详细，基于标准文献，不同团队实现的产品实例是可以兼容的.,不论文献规定得有多么详细,在不同实例之间可能存在不确定性和不兼容性,理论:,事实:,因此:,第一个TCN的实例必须由来自几个公司的不同团队来共同开发，以确保核心规范是可用的.,一个用户团体应作为一个论坛，以便为标准提供必要的反馈.,仅将用一种通用语言（C）写的软件作为参考（对标准文献也一样）,该软件在平等条件下对所有各方都可获得的.,当出现了不同的实例，就必须进行一致性测试.,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.25.2TCN一致性测试（2）,根据TC9的要求开发的一致性测试的指导方针，就是允许测试一个设备与TCN标准之间的一致性.,一致性测试给设备制造商以信心，以确保其产品与其他制造商的产品具有户操作性.,这些测试已经成功应用到ERRI的试验列车上.,测试信号发生器,被测设备,测试分析仪,测试协议,测试记录,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.26IECTCN标准的应用现状,同时,数个公司实现了基于标准草案的产品.,TCN是目前国际招标中广泛使用的通用标准.,TCN列车通信网络于1999年成为国际标准IEC61375-1.,1总则,2实时协议,3多功能车辆总线MVB,4绞线式列车总线WTB,5网络管理,附件A:指南,附件B:兼容性测试指导方针,UIC和UITP强烈支持TCN.,标准文献已于1999年9月发布,主要包括如下部分:,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.27TCN的开放性,IEC要求实现TCN所必须的元件对所有各方是可获得的,尽管如此，还需要提供必要的文献以便第三方在没有内部知识的前提下实现一个兼容的TCN产品,仅MVBASIC的设计不在标准文献的范围内规定,软件已被移植到几个CPU平台,在TCN技术上没有知识产权问题,要求产品制造上在合理的条件下能提供必要的文档,使得其技术可用,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.28稳定性,标准是稳定的，因此后向不必被修订.,理论:,计算机软件可能是不稳定的.,ASIC技术可能过时.,错误和新的要求需要改正和修订.,每次向新平台的移植会产生一些变化.,现实:,必须有一个实体多年保持对TCN的维护和分发.,该实体必须关注应用，并对铁路工业和用户承担义务,即使TCN的一些部件使用商用元件,但，无论如何必须对其他元件进行必要的维护.,只有铁路产品制造商能确保这一稳定性,因此:,2列车通信网络标准TCNIEC61375,2.29TCN产品供应商,Holec,Ansaldo,AEG,KnorrElectronic,WestinghouseBrakes,IFE,Deuta,Hagenuk,SelectronLyss,Scheron,Faiveley,dua