地铁列车的实时通信网络研究

石艳红，杨 杰 ，张 杰，耿晓晗

（ 1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 网络技术开发部， 青岛 266111；2. 北京交通大学 网络管理研究中心， 北京 100044 ）

目前，在工业中广泛应用的以太网具备通信速度快、带宽高，组网灵活、成本低的优势，是地铁列车上车载通信网络的发展趋势，国际电工委员会先后制定了以太列车骨干网协议（IEC61375-2-5）和以太列车编组网协议（IEC61375-3-4）。

传统以太网是一种不确定性网络，原因是采用冲突检测载波监听多点访问（CSMA/CD）这种介质访问控制方式，使得可靠性、实时性较差。很多组织或公司在标准以太网技术基础上进行改进，实现实时工业以太网，诞生了Profinet RT、Ethernet POWERLINK、EtherNet/IP、ModBus TCP、EtherCAT等实时工业以太网的技术。

本文针对ProfinetRT实时以太网协议特点，采用基于优化了协议栈的网络节点和使用时分多路复用协议的等实时以太网技术，设计了地铁列车通信网络拓扑结构，通过仿真实验，验证了数据传输延时小于2 ms，满足地铁列车通信网络的实时性需求。

1 基于实时以太网的通信网络

1.1 影响以太网实时性的主要因素

根据IEC 61375关于列车以太网络系列标准[1-2]，数据分类及时延要求如表1所示。通过研究分析[3-4]，影响以太网实时性的主要因素有：

（1） 网络的通信机制；

（2）通信数据转发点实时调度机制；

（3）以太网数据帧的媒体访问控制（MAC）冲突；

（4）通信数据节点操作系统的实时性；

（5）以太网的组网拓扑结构；

（6）网络硬件性能。

数据包传输时间长度主要取决于网络负载，当在数据传输过程中出现帧过载时，传输时延及处理器计算时间变长，进而发送时延也变长，最终使得网络的实时性受到严重影响。

1.2 PROFINET实时以太网协议

对于传统的以太网协议，CSMA/CD传输机制导致传输有不确定性，无法控制数据传输的时延性能。由PROFIBUS国际组织（PI，PROFIBUS International）推出的PROFINET[5-6]实时以太网协议，为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案。它通过优化网络节点和交换机协议栈的第2层，实现数据包的实时寻址，极大地减少了数据在通信协议栈中的处理时间。与传统的寻址方法不同（通过IP地址实现），它通过接收设备的MAC地址寻址，同时，它与其他标准协议在同一网络中能够兼容。PROFINET通信协议架构如图1所示。

表1 数据分类及时延性能

图1 通信协议架构

经过优化的通信协议架构能够允许3种通信方式：TCP/IP标准通信，实时通信，以及等实时通信。

（1）TCP/IP标准通信：利用传统以太网的标准通道，主要传输对时间要求不高的数据。比如，列车各设备初始化数据、运行状态数据读取、非周期数据传输、通信网络的状态等；

（2）实时通信：为了符合实时性要求，优化了传统的通信通道。在实时通信的通道中，去除了传输层和网络层，直接建立应用层与数据链路层之间的联系，因此，极大地减少了数据传输的延时；

（3）等实时通信：为了满足对时间要求苛刻的数据传输。比如，控车数据、过程数据的周期性传输等，传输数据的周期可以小于1 ms。

1.3 时分复用机制

为了确保实现实时传输功能，分时复用机制将通信周期分为等实时（IRT）通道和开放通道两个部分，如图2所示。IRT数据在IRT通道时间段内传输，而其他实时数据则在开放通道时间段传输，传输过程中，依次传输、互不影响。

图2 通信周期

实时（RT）通道经过优化协议的软件实时控制，旁路掉TCP/IP层，使通信性能进一步优化，实时帧结构如图3所示。根据IEEE 802.1Q/P对报文定义了优先级，APDU域用来标识设备和数据状况（例如：运行，停止，出错），网络类型与帧类型标识符的结合可对实时帧进行识别，用以太网类型和帧类型标识符将帧分配到相应信道。

图3 实时数据帧

IRT通道通过对硬件的操作实现，基于IEEE1588精确时间同步协议、专用集成电路（ASIC）实时交换芯片，从而减少数据的处理时间，进而保证数据传输的实时性，等实时数据帧如图4所示。等实时数据帧的传输确定性很大程度上取决于帧类型、网络类型。与实时帧不同，它不使用虚拟局域网（VLAN）标签分配优先级。

图4 等实时数据帧

在实时以太网的数据帧中，以太网类型字段用Ox0800表示IP帧，若值为 0x8892代表实时帧，帧类型字段标识传输数据的类型，即周期性数据和非周期数据。

如果现场设备配有以太网接口，且需要将所有PROFINET协议中要求的功能都集成到现场设备中，只需要对通信栈进行扩张，而无需更改现有硬件，即可在标准以太网控制器上集成PROFINET网络。

2 地铁列车通信网络拓扑结构设计

2.1 地铁列车通信网络拓扑结构

按照IEC61375-2-5和IEC61375-3-4标准，本文设计了基于PROFINET协议的地铁列车通信网络拓扑结构，如图5 所示。

列车通信网络分为列车级和车辆级编组两层网。列车级网络运用双线冗余的机制。图5中，中央控制单元设在司机室，列车级交换机节点可以是0、1个或多个。数据传输距离较远时增加中继器；车辆级编组网可以跨越多个车厢，一般采用环形拓扑结构。设备级网络通常是星型结构，主要包括：牵引控制装置、制动控制装置、辅助电源、门控单元等列车网络控制单元。

图5 基于PROFINET的地铁列车通信网络拓扑结构

2.2 地铁列车通信网络模型

依据图论的观点[7]，任何一个指定的网络都可以抽象成一个网络模型G，并且模型G包含节点集V(G)和边集E(G)，即：

通过确定性网络演算理论可知，端到端延迟的上界是传输路径上网络单元延迟上界之和。用4元组T[S,A,P,D]表示列车网络中的通信任务，其中：S表示任务的源节点；A表示任务的目的节点；P表示任务的周期；D表示任务的截止期。任务T在某条路径上的时延可通过式（1）计算。

图6为地铁列车网络的模型图。

图6 地铁列车通信网络模型

图6中，通信任务T是节点V0～V7，源节点V0代表中央控制单元和列车级交换机1的特性，节点V1～V6为地铁列车网络中的车辆级交换机节点，作为过程节点；目的节点V7代表设备级网络节点列车网络控制单元6。

2.3 地铁列车网络及时可靠度分析

2.3.1 网络及时可靠度

依据图6所示的列车网络模型，按照传输时延的算法[8]，针对通信任务T，存在两种路径，即：路径R1（V0→e1→V1→e3→V2→e8→V7）和路径R2（V0→e1→V1→e2→V3→e4→V5→e5→V6→e6→V4→e7→V2→e8→V7），根据公式（1），路径R1和R2的延时分别为D1和D2：

对通信任务T而言，若路径的时延小于等于任务的截止期限，则此路径表示可行，反之，此路径传输的数据无效，因此，用任务路径时延Di的权函数f(Di)来表示。

在列车通信网络中，至少有一条路径时延小于消息截止期，且经过的链路和节点均可用。列车通信网络的及时可靠度R表示为：

采用边扩张（EE，Edge Expansion）构造二元决策图（BDD）结构，评价链路的及时可靠性。依据文献[9]给出的边扩张图（EED，Edge Expansion Diagram）方法，利用BDD 结构递归求解单条链路的及时可靠度，公式（3）可表示为：

2.3.2 及时可靠度分析

本文考虑的列车网络传输链路“正常”时的传输上限延时约为0.03 ms，“故障”时约为0.069 ms。可以设置任务T的截止期D为1 ms。带入上述的公式（2）中分析，由于无论哪种情况下，时延均满足截止期D，所以：

两条路径均可传输数据。

车厢控制单元1和车厢控制单元2之间的链路“正常”概率为 99%，其他链路正常的概率为98%，带入上述的公式（4）中，及时可靠度为：

经过BDD结构递归求解单条链路的及时可靠度公式验证，链路“正常” 概率分别为99%、90%，但是及时性可靠度相差0.001。可见，只要保证链路正常的情况下，经过IRT协议优化的节点，可达到实时性小于1 ms的要求，足以满足本课题要求的2 ms端到端延时指标。

3 仿真实验

3.1 实验环境

在本文中，参照文献[8-10]的网络仿真方法，模拟实现基于实时以太网的地铁列车仿真网络，包括6台PC机（装有Windows操作系统）和2台路由设备。PC机模拟列车终端设备，路由节点设备由1个工业计算机单元、1个路由交换单元以及电源辅助单元组成。路由交换单元上联网口可提供一加一主备链路双网口，连接骨干网络，下联网络为8路交换网口，用于连接网络终端设备。选择其中1台路由节点设备为主控设备节点（MN），另1台为备用主控节点；PC机仿真列车设备从节点（CN），每3台为1组，通过交换机连接构成环形网络，接到路由节点设备上，从而形成一个典型的列车网络仿真环境，如图7所示。

在仿真实验时，各个仿真节点都需要配置，其中关键内容是对节点的对象字典进行定义、通信参数进 行配置。

软件环境：Windows操作系统（XP及 以 上 ）；Visual-Studio（VS）环境；网卡驱动软件pcaplib。实验步骤如下：

（1）硬件连接，按照图7所示，通过交换机将PC机相互连接。

图7 地铁列车仿真网络模型图

（2）环境搭建，在PC机上安装VS开发环境，抓包软件 Wireshark，网卡的驱动程序winpcap。

（3）主、从节点配置，在objdict.h文件中，修改对象字典，定义通信对象和配置通信参数；修改demo_main.c文件，定义相关变量并与对象字典中的对象链接；在函数AppCbSync()中编写用户自定义的应用程序。

3.2 实验结果分析

在如图7所示的地铁列车通信网络中，达到了基于实时以太网的列车通信网络的仿真效果。

Wireshark是常用的一个网络分析软件[11]，可以诊断多种网络协议数据包。在中央控制单元的仿真节点上，安装Wireshark抓包软件，使用该软件来完成对仿真网络数据传输的分析，抓取与MN进行过交互的数据包并对其进行解包分析。

抓取数据包的分析界面如图8所示，Wireshark有3个窗口，第1个窗口是封装的数据包信息列表，包括：中央控制单元发送的序号（No）、时间（Time）、源MAC地址（Source）、目的MAC地址（Destination）、协议类型（Protocol）、信息（info）等；第2个窗口是封装的详细信息，给出了Preq帧目的Node ID，即中央控制单元允许某个列车设备（dst=1）发送数据；Pres帧包括源Node ID，代表（src=1）的列车设备给中央控制单元发数据。第3个窗口是解析器，用16进制数据给出传输的具体内容。

图8 抓取数据包的分析界面

在第1个窗口中不仅有数据包的基本信息，还能显示每个数据包时间戳。将两个相邻数据包的时间戳相减即可得知1个数据帧的传输时延，考虑到列车长度一般为25 m，列车级路由交换设备之间、交换机与节点之间线路不会超过50 m，因此，线路传输附加时延数据为0.25 μs[12]。从实验结果得知，传输延时均小于2 ms，符合列车网络对实时性的要求。

4 结束语

就网络传输的实时性而言，运用实时以太网协议机制能够满足车控数据传输延时2 ms的要求，仿真实验说明，文中描述的网络方案能够满足表1中不同类型数据准确的传输要求。由于列车网络结构变化，实时以太网端到端时延的综合监测与管理需要从设备软硬件、成本等因素综合考虑，将是进一步研究的重要内容，也是确保列车网络安全可靠运行的基本保障。