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淺談列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的實(shí)時(shí)性論文
引言
由于列車(chē)的高速化、智能化、信息化和運行密度的提高，常規列車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制系統已很難滿(mǎn)足高速列車(chē)實(shí)時(shí)運行控制的安全性需求。列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )(train communication network，TCN)保證列車(chē)牽引、供電、制動(dòng)、監控、管理等大量信息安全、快速、準確、可靠地在整個(gè)列車(chē)上傳輸，達到列車(chē)高速安全穩定運行，已經(jīng)成為現代高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制系統的關(guān)鍵技術(shù)。IEC61375 提出TCN 具有兩級通信總線(xiàn)層次結構，即多功能車(chē)輛總線(xiàn)(multifunction vehicle bus，MVB)和絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn)(wire train bus，WTB)及共享的上層實(shí)時(shí)協(xié)議(real-time protocols，RTP)。
抽象的標準框架、高度的復雜性、開(kāi)放性實(shí)現方法和壟斷廠(chǎng)商的關(guān)鍵技術(shù)壁壘給TCN 設備協(xié)議棧的設計、實(shí)現、驗證、一致性測試帶來(lái)諸多挑戰。
國內外學(xué)者基于不同的關(guān)注點(diǎn)對TCN 中相關(guān)協(xié)議做了大量的研究�，F有研究成果中3 種平臺下的TCN 設備協(xié)議棧的設計驗證，AweSim+VC6.0[10]、C和Petri 網(wǎng)，主要存在3 個(gè)方面的缺點(diǎn)：①硬實(shí)時(shí)性指標論證不足;②結論缺乏嚴格的事實(shí)基礎，仿真場(chǎng)景多停留在單一MVB 總線(xiàn)或WTB 總線(xiàn)的分析與研究，忽略了跨總線(xiàn)數據傳輸和上層應用功能;③驗證平臺存在一定的局限性，如AweSim設計和研究網(wǎng)絡(luò )協(xié)議專(zhuān)業(yè)性不夠，C語(yǔ)言仿真程序分析結果不夠直觀(guān)，擴展性差，Petri 網(wǎng)在完整表達模型內涵方面顯得不足。鑒于此，本文依據硬實(shí)時(shí)指標，建立了一種綜合MVB、WTB和RTP在內的完備的TCN 設備協(xié)議棧模型，并針對當前仿真驗證平臺中的不足，基于OPNET+VC6.0 搭建了仿真場(chǎng)景，實(shí)現了協(xié)議棧模型的實(shí)時(shí)性分析和可行性論證。
1 理論基礎
1.1 硬實(shí)時(shí)系統的特點(diǎn)
硬實(shí)時(shí)系統是指系統的正確性不僅依賴(lài)于其邏輯結果，還依賴(lài)于所有已接受的硬實(shí)時(shí)任務(wù)完成的時(shí)間。在硬實(shí)時(shí)通信中，報文帶有明確的時(shí)間限制，這些時(shí)限必須滿(mǎn)足，否則任務(wù)未能及時(shí)完成將導致災難性后果。高速列車(chē)對速度、行車(chē)密度和安全性有苛刻的要求，其網(wǎng)絡(luò )控制系統也是一種典型的硬實(shí)時(shí)系統。
1.2 TCN 硬實(shí)時(shí)指標
TCN 采用MVB+WTB 層次結構的兩級通信總線(xiàn)，。兩級總線(xiàn)均為周期性主從協(xié)議，提供過(guò)程數據、消息數據和監控數據3 種服務(wù)。
TCN 中報文的成功傳輸不僅取決于收到報文的完整性，還依賴(lài)于收到報文的時(shí)間。其中t_m為主幀傳輸時(shí)間，t_s 為從幀傳輸時(shí)間，t_ms 為總線(xiàn)主發(fā)送完主幀到開(kāi)始接受響應從幀間的時(shí)間間隔。
2 TCN 設備協(xié)議�？傮w架構
在Jimenez J 研究成果的基礎上，借鑒OSI 七層參考模型分層而治的思想自頂向下設計TCN 協(xié)議體系結構。TCN系統中TCN網(wǎng)關(guān)設備功能最復雜，以TCN 網(wǎng)關(guān)設備為例， (MVB 設備協(xié)議棧類(lèi)似，但不包括WTB 協(xié)議，且各層協(xié)議支持較少的功能)�；谟矊�(shí)時(shí)指標，TCN 必須具備強實(shí)時(shí)性和高可靠性，這對設備協(xié)議棧的構建提出了更高的要求。由于MVB 和WTB 總線(xiàn)的通信速率固定，分別為1.5Mbit/s 和1Mbit/s，線(xiàn)路傳輸時(shí)延固定，只能限制報文大小和改進(jìn)協(xié)議機制減小數據幀傳輸時(shí)延、排隊時(shí)延和處理時(shí)延來(lái)提高實(shí)時(shí)性。其中MVB 協(xié)議和WTB協(xié)議位于協(xié)議棧的數據鏈路層，提供高效的底層介質(zhì)分配和輪詢(xún)機制，保證實(shí)時(shí)高效的數據交換;RTP 協(xié)議則根據實(shí)時(shí)性指標和應用需求，盡量減少排隊時(shí)延和處理時(shí)延，為兩級總線(xiàn)提供變量和消息兩種通信服務(wù);用戶(hù)層實(shí)現上層應用配置和網(wǎng)絡(luò )管理。
3 協(xié)議模型設計
3.1 MVB 協(xié)議模型設計
MVB 總線(xiàn)管理設備和WTB 網(wǎng)關(guān)設備均提供MVB 總線(xiàn)管理功能，包括過(guò)程數據周期輪詢(xún)、消息事件仲裁、設備狀態(tài)定期掃描和主權轉移功能， MVB 總線(xiàn)上設備主要用來(lái)采集列車(chē)實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，設備功能相對簡(jiǎn)單，但通信設備數量較多。按硬實(shí)時(shí)指標，數據鏈路層必須采用周期性主從協(xié)議保證介質(zhì)的高效分配和變量的快速交換。兼顧總線(xiàn)周期盡可能短和總線(xiàn)上各MVB設備過(guò)程數據均能夠實(shí)時(shí)輪詢(xún)，實(shí)現中采用短過(guò)程數據報文。主設備周期性廣播僅帶8bit 源端地址的主幀，響應從幀可根據應用裝載8bit、16bit、32bit 或64bit 的過(guò)程數據，保證高效的小數據交換。實(shí)現中MVB 總線(xiàn)基本微周期取1ms，其中周期相占60%，隨機相占40%。即在短至0.6ms 內，MVB總線(xiàn)主完成多個(gè)設備的過(guò)程數據周期輪詢(xún)，在短至0.4ms 內完成設備狀態(tài)定期掃描和MVB 中消息事件仲裁。同時(shí)，為提供可靠性保證，在MVB 總線(xiàn)上配置了多個(gè)總線(xiàn)管理設備(BA) 作為冗余備份，MVB 總線(xiàn)在總線(xiàn)管理主權轉移宏周期中的最后一個(gè)微周期按令牌傳遞算法在所有BA設備間執行主權轉移。
3.2 WTB 協(xié)議模型設計
WTB 總線(xiàn)主要實(shí)現列車(chē)初運行自動(dòng)配置和列車(chē)常規運行功能。初運行中，WTB 總線(xiàn)主完成自我配置，實(shí)現相聯(lián)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)拓撲發(fā)現、命名和示教。常規運行狀態(tài)下實(shí)現過(guò)程數據輪詢(xún)、設備狀態(tài)監控、消息事件輪詢(xún)等功能。
列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，WTB 總線(xiàn)將完成列車(chē)初運行功能，總線(xiàn)主自我配置后，依次對發(fā)現車(chē)輛進(jìn)行命名、示教。在示教過(guò)程中，收集和分發(fā)整輛列車(chē)各車(chē)輛的動(dòng)態(tài)屬性等拓撲信息，保證WTB 總線(xiàn)上所有車(chē)輛網(wǎng)關(guān)設備獲得自己的地址、方向、相對于總線(xiàn)主車(chē)輛網(wǎng)關(guān)設備的位置和所有車(chē)輛的動(dòng)態(tài)屬性等拓撲信息。為了保證列車(chē)能夠快速啟動(dòng)，初運行時(shí)間必須盡可能短，命名和示教的過(guò)程務(wù)必快速高效。因此，初運行中拓撲請求、拓撲響應、檢測請求、檢測響應、命名請求和命名響應幀配置較短。同時(shí)在WTB 總線(xiàn)中提供了弱設備作為總線(xiàn)主強設備的冗余備份，一定程度上提高了WTB 總線(xiàn)的可靠性。WTB 總線(xiàn)上通信設備較少，但設備功能復雜，除完成列車(chē)初運行功能外，同時(shí)負責車(chē)輛間通信設備消息的路由和轉發(fā)。實(shí)現中消息數據響應幀上限為1336bit，為兼顧硬實(shí)時(shí)性指標和消息數據幀正常傳輸，WTB 總線(xiàn)的基本周期取25ms，實(shí)時(shí)控制等過(guò)程數據輪詢(xún)周期為25ms。
3.3 RTP 協(xié)議模型設計
根據TCN 系統的通信需求和實(shí)時(shí)指標，RTP 必須為用戶(hù)層提供變量和消息兩種服務(wù)，變量一般標記列車(chē)的狀態(tài)，如速度、發(fā)動(dòng)機狀態(tài)、控制命令等，實(shí)時(shí)性高，主要用于過(guò)程數據通信，并使用RTP 協(xié)議棧優(yōu)化通道。為保證苛刻的實(shí)時(shí)性指標，優(yōu)化通道中用戶(hù)層過(guò)程變量直接通過(guò)應用接口層與數據鏈路層相連，同時(shí)使用共享通信存儲器和變量群集提高變量訪(fǎng)問(wèn)效率。消息能夠容忍一定的延遲，傳輸信息可能較長(cháng)，如診斷信息、乘客信息等，實(shí)時(shí)性相對較低，用于消息通信，使用RTP 常規通道。RTP 常規通道包含網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、會(huì )話(huà)層和應用接口層，提供可靠的消息服務(wù)。即使對于實(shí)時(shí)性不高的消息數據，為保證較低的端端時(shí)延，在網(wǎng)絡(luò )層維護著(zhù)站索引、功能索引、組索引和節點(diǎn)索引以提供快速地數據包路由和轉發(fā)，減少數據幀的排隊時(shí)延和處理時(shí)延;傳輸層使用三次握手協(xié)議建立可靠的通信連接，采用滑動(dòng)窗口協(xié)議，保證高效的數據傳輸效率。
4 TCN 系統實(shí)現
4.1 系統模型
以設計的TCN 設備協(xié)議棧模型為研究對象，基于OPNET+VC6.0 搭建了TCN 仿真場(chǎng)景(名稱(chēng)前綴sta_為普通MVB設備，ba_為MVB 總線(xiàn)管理設備，node_為WTB 網(wǎng)關(guān)設備)，
仿真場(chǎng)景中列車(chē)由四節車(chē)輛組成，每節車(chē)輛包含一條MVB 總線(xiàn)，各節車(chē)輛由WTB 總線(xiàn)互連。WTB 總線(xiàn)層利用多條總線(xiàn)模擬多個(gè)信道，并通過(guò)動(dòng)態(tài)信道綁定實(shí)現列車(chē)初運行時(shí)主輔進(jìn)程生命周期控制，達到WTB 網(wǎng)關(guān)設備連接方式拓__撲可變。
4.2 參數配置
每節車(chē)輛實(shí)際長(cháng)度為26m，考慮電纜彎曲和延伸，電纜實(shí)際長(cháng)度約為車(chē)輛長(cháng)度的150%。車(chē)輛內MVB 總線(xiàn)長(cháng)度配置為39m，列車(chē)中WTB總線(xiàn)長(cháng)度配置為156m，兩級總線(xiàn)的線(xiàn)路傳輸時(shí)延均為6.0 s/km。
當存在強設備時(shí)，強設備成為WTB 總線(xiàn)的總線(xiàn)主;若不存在強設備或強設備失效時(shí)，則弱設備可以成為WTB總線(xiàn)的總線(xiàn)主。初運行后，除總線(xiàn)主外，WTB 總線(xiàn)上所有其它設備都執行從設備功能。過(guò)程數據周期表示該設備WTB 總線(xiàn)上過(guò)程數據輪詢(xún)的最小周期，可短至25ms。TCN 仿真場(chǎng)景中4 條MVB 總線(xiàn)上BA 設備的重要配置參數
MVB 總線(xiàn)過(guò)程數據輪詢(xún)周期為1ms，8 個(gè)微周期構成一個(gè)宏周期。4 節車(chē)輛的MVB 總線(xiàn)每經(jīng)歷配置的主權轉移宏周期數后執行主權轉移，BA交替成為總線(xiàn)主執行總線(xiàn)介質(zhì)分配。為保證TCN 中通信設備能夠按需發(fā)送面向目標的消息數據，并為兩級總線(xiàn)提供消息服務(wù)，結合列車(chē)實(shí)際應用在用戶(hù)/網(wǎng)絡(luò )管理層中配置了12 對設備應用程序通信連接。其中10對按時(shí)間間隔在區間[10ms,20ms] 內均勻分布建立通信連接，模擬常規消息通信功能，2 對按隨機時(shí)間間隔建立通信連接，模擬突發(fā)消息通信功能。
除此之外，每個(gè)MVB設備需配置相應的物理地址和邏輯地址、過(guò)程數據輪詢(xún)周期和大小、設備狀態(tài)掃描頻率、數據傳輸時(shí)延參數、連接可信度、最大滑動(dòng)窗口數、最大連接數、通信連接時(shí)間、用戶(hù)層應用功能等信息。
5 仿真分析
5.1 實(shí)時(shí)指標分析
基于多組實(shí)例長(cháng)時(shí)間仿真，得出了表5 中最差應答時(shí)延、報文時(shí)延和端端時(shí)延。
由表1、表2 和表5 可知，MVB 和WTB 總線(xiàn)上的過(guò)程數據的應答時(shí)延和報文時(shí)延都在實(shí)時(shí)指標范圍內;TCN 系統中的消息數據端端時(shí)延遠低于最大時(shí)延時(shí)限。各項指標均滿(mǎn)足TCN 硬實(shí)時(shí)系統需求。為更全面地論證該系統的實(shí)時(shí)性，以時(shí)速360km/h(即100m/s)、列車(chē)追蹤時(shí)間間隔為3min 的高速列車(chē)為例。由表5 可知，從司控臺緊急制定命令主幀開(kāi)始發(fā)出第一個(gè)比特到WTB總線(xiàn)主完成緊急制動(dòng)功能調用，且所有列車(chē)制動(dòng)單元將收到制動(dòng)命令為止，緊急制動(dòng)報文時(shí)延為1419.9 s，從制動(dòng)命令發(fā)出至各制動(dòng)單元開(kāi)始制動(dòng)，列車(chē)僅前進(jìn)14.199cm�？紤]到WTB 總線(xiàn)周期為25ms，這意味著(zhù)最壞情況下緊急制動(dòng)命令25ms 后才能開(kāi)始發(fā)出，緊急制動(dòng)報文最壞時(shí)延為26.419ms，從制動(dòng)命令發(fā)出至各制動(dòng)單元開(kāi)始制動(dòng)，列車(chē)只前進(jìn)2.6419m，列車(chē)制動(dòng)實(shí)時(shí)，有較好的安全性保證，列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )中緊急控制命令報文的延遲對列車(chē)運行間隔的影響完全可以忽略。由上述分析可知，建立的協(xié)議棧模型實(shí)現的列車(chē)通信系統實(shí)時(shí)性強，能夠滿(mǎn)足高速列車(chē)實(shí)時(shí)控制和安全性需求。
5.2 實(shí)時(shí)特征分析
為驗證列車(chē)初運行功能，論證初運行的高效性、實(shí)時(shí)性和可靠性，仿真分析了強設備位置與初運行時(shí)間的關(guān)系和弱設備位置與初運行時(shí)間的關(guān)系。結果表明，將中間設備配置為強設備或弱設備時(shí)，強節點(diǎn)未失效，列車(chē)在短至0.208 364s 完成初運行進(jìn)入常規運行狀態(tài);強節點(diǎn)失效，列車(chē)也可在短至0.978 364s 完成初運行進(jìn)入常規運行狀態(tài)。列車(chē)啟動(dòng)不足1s即可完成初運行，進(jìn)入常規運行。整個(gè)初運行過(guò)程實(shí)時(shí)、高效，有一定的可靠性。
因TCN 中數據包多且各種數據差異顯著(zhù)。為更好地分析TCN 的實(shí)時(shí)性能，實(shí)現TCN 設備協(xié)議棧功能性驗證、實(shí)時(shí)性分析和網(wǎng)絡(luò )整體性能分析，基于4.2 中的仿真配置，分析了仿真系統10 分鐘仿真時(shí)間內的數據業(yè)務(wù)流。介質(zhì)分配高效，小數據交換頻繁。4 條MVB 總線(xiàn)實(shí)際總線(xiàn)周期為2 400 000 個(gè)，完成過(guò)程數據周期輪詢(xún)9 600 000 次，定期設備狀態(tài)掃描241 3195 次，主權轉移13 477 次;WTB總線(xiàn)實(shí)際總線(xiàn)周期約24 000 個(gè)，完成過(guò)程數據周期輪詢(xún)71 976 次。消息數據通信高效可靠。系統支持最大的消息窗口為3。傳輸層下傳數據報9 250 個(gè)，其中7 275 個(gè)數據報經(jīng)過(guò)了WTB總線(xiàn)傳輸，1 975 個(gè)數據報僅通過(guò)MVB 總線(xiàn)完成通信過(guò)程。用戶(hù)層應用功能實(shí)例實(shí)際建立740 次通信連接，傳輸層數據分段5 550 個(gè)，平均每次通信連接傳輸數據分段7.5 個(gè);發(fā)送確認幀2 220 個(gè)，平均約3 個(gè)數據分段收到一個(gè)確認。在5 550 次消息數據分段傳遞過(guò)程中，MVB 總線(xiàn)上發(fā)生150 次消息沖突并在事件查詢(xún)中執行事件仲裁算法，事件仲裁發(fā)生的概率為2.70%，消息數據沖突概率低。列車(chē)通信過(guò)程平穩，網(wǎng)絡(luò )性能良好。WTB 總線(xiàn)的吞吐量，平均吞吐量約為8350byte/s，總線(xiàn)利用率約為7%;MVB0 的吞吐量，平均吞吐量約為39 700 byte/s，總線(xiàn)利用率約為21%。
6 結束語(yǔ)
本文結合TCN 硬實(shí)時(shí)指標，建立了一種綜合MVB、WTB和RTP 在內完備的設備協(xié)議棧模型，并構建了精確的驗證平臺，有效解決了現有研究成果中3 種仿真驗證平臺的不足。同時(shí)，仿真驗證了協(xié)議棧模型的實(shí)時(shí)指標和實(shí)時(shí)特征。結果表明，設備協(xié)議棧模型有較好的實(shí)時(shí)性，能提供列車(chē)高速運行控制下的安全性保證，具有一定的工程應用價(jià)值。在工程實(shí)現中，TCN 網(wǎng)絡(luò )的可靠性還可通過(guò)MVB 和WTB 雙線(xiàn)冗余備份保證硬實(shí)時(shí)命令的雙線(xiàn)冗余傳輸來(lái)進(jìn)一步提高。
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