石艷紅，楊 杰 ，張 杰，耿曉晗

（ 1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)部， 青島 266111；2. 北京交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)管理研究中心， 北京 100044 ）

目前，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)具備通信速度快、帶寬高，組網(wǎng)靈活、成本低的優(yōu)勢，是地鐵列車上車載通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，國際電工委員會先后制定了以太列車骨干網(wǎng)協(xié)議（IEC61375-2-5）和以太列車編組網(wǎng)協(xié)議（IEC61375-3-4）。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)是一種不確定性網(wǎng)絡(luò)，原因是采用沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問（CSMA/CD）這種介質(zhì)訪問控制方式，使得可靠性、實時性較差。很多組織或公司在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上進行改進，實現(xiàn)實時工業(yè)以太網(wǎng)，誕生了Profinet RT、Ethernet POWERLINK、EtherNet/IP、ModBus TCP、EtherCAT等實時工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)。

本文針對ProfinetRT實時以太網(wǎng)協(xié)議特點，采用基于優(yōu)化了協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和使用時分多路復(fù)用協(xié)議的等實時以太網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過仿真實驗，驗證了數(shù)據(jù)傳輸延時小于2 ms，滿足地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)的實時性需求。

1 基于實時以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 影響以太網(wǎng)實時性的主要因素

根據(jù)IEC 61375關(guān)于列車以太網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，數(shù)據(jù)分類及時延要求如表1所示。通過研究分析[3-4]，影響以太網(wǎng)實時性的主要因素有：

（1） 網(wǎng)絡(luò)的通信機制；

（2）通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)點實時調(diào)度機制；

（3）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的媒體訪問控制（MAC）沖突；

（4）通信數(shù)據(jù)節(jié)點操作系統(tǒng)的實時性；

（5）以太網(wǎng)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

（6）網(wǎng)絡(luò)硬件性能。

數(shù)據(jù)包傳輸時間長度主要取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，當(dāng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)幀過載時，傳輸時延及處理器計算時間變長，進而發(fā)送時延也變長，最終使得網(wǎng)絡(luò)的實時性受到嚴(yán)重影響。

1.2 PROFINET實時以太網(wǎng)協(xié)議

對于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議，CSMA/CD傳輸機制導(dǎo)致傳輸有不確定性，無法控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延性能。由PROFIBUS國際組織（PI，PROFIBUS International）推出的PROFINET[5-6]實時以太網(wǎng)協(xié)議，為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案。它通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和交換機協(xié)議棧的第2層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的實時尋址，極大地減少了數(shù)據(jù)在通信協(xié)議棧中的處理時間。與傳統(tǒng)的尋址方法不同（通過IP地址實現(xiàn)），它通過接收設(shè)備的MAC地址尋址，同時，它與其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在同一網(wǎng)絡(luò)中能夠兼容。PROFINET通信協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)分類及時延性能

圖1 通信協(xié)議架構(gòu)

經(jīng)過優(yōu)化的通信協(xié)議架構(gòu)能夠允許3種通信方式：TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信，實時通信，以及等實時通信。

（1）TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信：利用傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)通道，主要傳輸對時間要求不高的數(shù)據(jù)。比如，列車各設(shè)備初始化數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取、非周期數(shù)據(jù)傳輸、通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)等；

（2）實時通信：為了符合實時性要求，優(yōu)化了傳統(tǒng)的通信通道。在實時通信的通道中，去除了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，直接建立應(yīng)用層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的聯(lián)系，因此，極大地減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r；

（3）等實時通信：為了滿足對時間要求苛刻的數(shù)據(jù)傳輸。比如，控車數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)的周期性傳輸?shù)?，傳輸?shù)據(jù)的周期可以小于1 ms。

1.3 時分復(fù)用機制

為了確保實現(xiàn)實時傳輸功能，分時復(fù)用機制將通信周期分為等實時（IRT）通道和開放通道兩個部分，如圖2所示。IRT數(shù)據(jù)在IRT通道時間段內(nèi)傳輸，而其他實時數(shù)據(jù)則在開放通道時間段傳輸，傳輸過程中，依次傳輸、互不影響。

圖2 通信周期

實時（RT）通道經(jīng)過優(yōu)化協(xié)議的軟件實時控制，旁路掉TCP/IP層，使通信性能進一步優(yōu)化，實時幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)IEEE 802.1Q/P對報文定義了優(yōu)先級，APDU域用來標(biāo)識設(shè)備和數(shù)據(jù)狀況（例如：運行，停止，出錯），網(wǎng)絡(luò)類型與幀類型標(biāo)識符的結(jié)合可對實時幀進行識別，用以太網(wǎng)類型和幀類型標(biāo)識符將幀分配到相應(yīng)信道。

圖3 實時數(shù)據(jù)幀

IRT通道通過對硬件的操作實現(xiàn)，基于IEEE1588精確時間同步協(xié)議、專用集成電路（ASIC）實時交換芯片，從而減少數(shù)據(jù)的處理時間，進而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，等實時數(shù)據(jù)幀如圖4所示。等實時數(shù)據(jù)幀的傳輸確定性很大程度上取決于幀類型、網(wǎng)絡(luò)類型。與實時幀不同，它不使用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）標(biāo)簽分配優(yōu)先級。

圖4 等實時數(shù)據(jù)幀

在實時以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀中，以太網(wǎng)類型字段用Ox0800表示IP幀，若值為 0x8892代表實時幀，幀類型字段標(biāo)識傳輸數(shù)據(jù)的類型，即周期性數(shù)據(jù)和非周期數(shù)據(jù)。

如果現(xiàn)場設(shè)備配有以太網(wǎng)接口，且需要將所有PROFINET協(xié)議中要求的功能都集成到現(xiàn)場設(shè)備中，只需要對通信棧進行擴張，而無需更改現(xiàn)有硬件，即可在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器上集成PROFINET網(wǎng)絡(luò)。

2 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照IEC61375-2-5和IEC61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計了基于PROFINET協(xié)議的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

列車通信網(wǎng)絡(luò)分為列車級和車輛級編組兩層網(wǎng)。列車級網(wǎng)絡(luò)運用雙線冗余的機制。圖5中，中央控制單元設(shè)在司機室，列車級交換機節(jié)點可以是0、1個或多個。數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)時增加中繼器；車輛級編組網(wǎng)可以跨越多個車廂，一般采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)通常是星型結(jié)構(gòu)，主要包括：牽引控制裝置、制動控制裝置、輔助電源、門控單元等列車網(wǎng)絡(luò)控制單元。

圖5 基于PROFINET的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)模型

依據(jù)圖論的觀點[7]，任何一個指定的網(wǎng)絡(luò)都可以抽象成一個網(wǎng)絡(luò)模型G，并且模型G包含節(jié)點集V(G)和邊集E(G)，即：

通過確定性網(wǎng)絡(luò)演算理論可知，端到端延遲的上界是傳輸路徑上網(wǎng)絡(luò)單元延遲上界之和。用4元組T[S,A,P,D]表示列車網(wǎng)絡(luò)中的通信任務(wù)，其中：S表示任務(wù)的源節(jié)點；A表示任務(wù)的目的節(jié)點；P表示任務(wù)的周期；D表示任務(wù)的截止期。任務(wù)T在某條路徑上的時延可通過式（1）計算。

圖6為地鐵列車網(wǎng)絡(luò)的模型圖。

圖6 地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)模型

圖6中，通信任務(wù)T是節(jié)點V0～V7，源節(jié)點V0代表中央控制單元和列車級交換機1的特性，節(jié)點V1～V6為地鐵列車網(wǎng)絡(luò)中的車輛級交換機節(jié)點，作為過程節(jié)點；目的節(jié)點V7代表設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點列車網(wǎng)絡(luò)控制單元6。

2.3 地鐵列車網(wǎng)絡(luò)及時可靠度分析

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)及時可靠度

依據(jù)圖6所示的列車網(wǎng)絡(luò)模型，按照傳輸時延的算法[8]，針對通信任務(wù)T，存在兩種路徑，即：路徑R1（V0→e1→V1→e3→V2→e8→V7）和路徑R2（V0→e1→V1→e2→V3→e4→V5→e5→V6→e6→V4→e7→V2→e8→V7），根據(jù)公式（1），路徑R1和R2的延時分別為D1和D2：

對通信任務(wù)T而言，若路徑的時延小于等于任務(wù)的截止期限，則此路徑表示可行，反之，此路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無效，因此，用任務(wù)路徑時延Di的權(quán)函數(shù)f(Di)來表示。

在列車通信網(wǎng)絡(luò)中，至少有一條路徑時延小于消息截止期，且經(jīng)過的鏈路和節(jié)點均可用。列車通信網(wǎng)絡(luò)的及時可靠度R表示為：

采用邊擴張（EE，Edge Expansion）構(gòu)造二元決策圖（BDD）結(jié)構(gòu)，評價鏈路的及時可靠性。依據(jù)文獻[9]給出的邊擴張圖（EED，Edge Expansion Diagram）方法，利用BDD 結(jié)構(gòu)遞歸求解單條鏈路的及時可靠度，公式（3）可表示為：

2.3.2 及時可靠度分析

本文考慮的列車網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路“正?！睍r的傳輸上限延時約為0.03 ms，“故障”時約為0.069 ms?？梢栽O(shè)置任務(wù)T的截止期D為1 ms。帶入上述的公式（2）中分析，由于無論哪種情況下，時延均滿足截止期D，所以：

兩條路徑均可傳輸數(shù)據(jù)。

車廂控制單元1和車廂控制單元2之間的鏈路“正常”概率為 99%，其他鏈路正常的概率為98%，帶入上述的公式（4）中，及時可靠度為：

經(jīng)過BDD結(jié)構(gòu)遞歸求解單條鏈路的及時可靠度公式驗證，鏈路“正?！?概率分別為99%、90%，但是及時性可靠度相差0.001?？梢?，只要保證鏈路正常的情況下，經(jīng)過IRT協(xié)議優(yōu)化的節(jié)點，可達到實時性小于1 ms的要求，足以滿足本課題要求的2 ms端到端延時指標(biāo)。

3 仿真實驗

3.1 實驗環(huán)境

在本文中，參照文獻[8-10]的網(wǎng)絡(luò)仿真方法，模擬實現(xiàn)基于實時以太網(wǎng)的地鐵列車仿真網(wǎng)絡(luò)，包括6臺PC機（裝有Windows操作系統(tǒng)）和2臺路由設(shè)備。PC機模擬列車終端設(shè)備，路由節(jié)點設(shè)備由1個工業(yè)計算機單元、1個路由交換單元以及電源輔助單元組成。路由交換單元上聯(lián)網(wǎng)口可提供一加一主備鏈路雙網(wǎng)口，連接骨干網(wǎng)絡(luò)，下聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為8路交換網(wǎng)口，用于連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。選擇其中1臺路由節(jié)點設(shè)備為主控設(shè)備節(jié)點（MN），另1臺為備用主控節(jié)點；PC機仿真列車設(shè)備從節(jié)點（CN），每3臺為1組，通過交換機連接構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，接到路由節(jié)點設(shè)備上，從而形成一個典型的列車網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，如圖7所示。

在仿真實驗時，各個仿真節(jié)點都需要配置，其中關(guān)鍵內(nèi)容是對節(jié)點的對象字典進行定義、通信參數(shù)進 行配置。

軟件環(huán)境：Windows操作系統(tǒng)（XP及 以 上 ）；Visual-Studio（VS）環(huán)境；網(wǎng)卡驅(qū)動軟件pcaplib。實驗步驟如下：

（1）硬件連接，按照圖7所示，通過交換機將PC機相互連接。

圖7 地鐵列車仿真網(wǎng)絡(luò)模型圖

（2）環(huán)境搭建，在PC機上安裝VS開發(fā)環(huán)境，抓包軟件 Wireshark，網(wǎng)卡的驅(qū)動程序winpcap。

（3）主、從節(jié)點配置，在objdict.h文件中，修改對象字典，定義通信對象和配置通信參數(shù)；修改demo_main.c文件，定義相關(guān)變量并與對象字典中的對象鏈接；在函數(shù)AppCbSync()中編寫用戶自定義的應(yīng)用程序。

3.2 實驗結(jié)果分析

在如圖7所示的地鐵列車通信網(wǎng)絡(luò)中，達到了基于實時以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的仿真效果。

Wireshark是常用的一個網(wǎng)絡(luò)分析軟件[11]，可以診斷多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包。在中央控制單元的仿真節(jié)點上，安裝Wireshark抓包軟件，使用該軟件來完成對仿真網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆治?，抓取與MN進行過交互的數(shù)據(jù)包并對其進行解包分析。

抓取數(shù)據(jù)包的分析界面如圖8所示，Wireshark有3個窗口，第1個窗口是封裝的數(shù)據(jù)包信息列表，包括：中央控制單元發(fā)送的序號（No）、時間（Time）、源MAC地址（Source）、目的MAC地址（Destination）、協(xié)議類型（Protocol）、信息（info）等；第2個窗口是封裝的詳細(xì)信息，給出了Preq幀目的Node ID，即中央控制單元允許某個列車設(shè)備（dst=1）發(fā)送數(shù)據(jù)；Pres幀包括源Node ID，代表（src=1）的列車設(shè)備給中央控制單元發(fā)數(shù)據(jù)。第3個窗口是解析器，用16進制數(shù)據(jù)給出傳輸?shù)木唧w內(nèi)容。

圖8 抓取數(shù)據(jù)包的分析界面

在第1個窗口中不僅有數(shù)據(jù)包的基本信息，還能顯示每個數(shù)據(jù)包時間戳。將兩個相鄰數(shù)據(jù)包的時間戳相減即可得知1個數(shù)據(jù)幀的傳輸時延，考慮到列車長度一般為25 m，列車級路由交換設(shè)備之間、交換機與節(jié)點之間線路不會超過50 m，因此，線路傳輸附加時延數(shù)據(jù)為0.25 μs[12]。從實驗結(jié)果得知，傳輸延時均小于2 ms，符合列車網(wǎng)絡(luò)對實時性的要求。

4 結(jié)束語

就網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性而言，運用實時以太網(wǎng)協(xié)議機制能夠滿足車控數(shù)據(jù)傳輸延時2 ms的要求，仿真實驗說明，文中描述的網(wǎng)絡(luò)方案能夠滿足表1中不同類型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸要求。由于列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，實時以太網(wǎng)端到端時延的綜合監(jiān)測與管理需要從設(shè)備軟硬件、成本等因素綜合考慮，將是進一步研究的重要內(nèi)容，也是確保列車網(wǎng)絡(luò)安全可靠運行的基本保障。