列車網(wǎng)絡現(xiàn)狀

1、列車網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀TCP/IP協(xié)議在機車車輛上的運用情況&車載設備信息傳遞簡介匯報人：指導老師：班目錄頁CONTENTS PAGEP1.現(xiàn)狀列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀P2.以太網(wǎng)技術及TCP/IP協(xié)議簡介P3.以太網(wǎng)技術及TCP/IP協(xié)議在機車車輛上的運用P4.車載設備信息傳遞簡介P1.現(xiàn)狀列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀背景與意義國外列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)國內(nèi)列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)列車網(wǎng)絡仿真研究的現(xiàn)狀Part 1Part 2Part 3Part 44 背景與意義l2004年6月, 全國鐵路第六次大提速；l引進生產(chǎn)了 CRH1、CRH2、CRH3、CRH5動車組l高鐵的總里程14620公里（20

2、14年11月26日）l更多的局速鐵路專線正在建設和規(guī)劃中l(wèi)l380km/h的CRH380系列動車組l我國動車組相關設備通過引進技術的 消化吸收和自主創(chuàng)新己經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化l列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、相關網(wǎng)絡核心控制設備還需從國外引進現(xiàn)實需求現(xiàn)實狀況Part 1Part 2Part 3Part 45 背景與意義消化吸收自主研究創(chuàng)新核心 列車控制網(wǎng)絡的主要功能是控制分散在列車各個車輛中的車載設備,使之協(xié)同工作,信息共享,實現(xiàn)故障檢測及維護,并為列車相關工作人員及旅客提供信息服務等功能。 隨著高速鐵路時代的到來，旅客對列車乘坐舒適度、安全性、網(wǎng)絡服務等需求的不斷增加,我們必須要消化吸收國外先進技術,并通過自

3、主研究、創(chuàng)新,掌握列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的核心技術,實現(xiàn)設計生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。意義：Part 1Part 2Part 3Part 46 FIP總線WorldFIP 組織幵發(fā)1999年被采納為現(xiàn)場總線國際標準IEC61158-2TGV高速列車AGATE列車控制系統(tǒng)基于總線仲裁器的集中式介質(zhì)訪控制使用曼徹斯特編碼極強的抗干擾能力大部分協(xié)議固化在硬件中,穩(wěn)定性好CAN總線德國bosch公司1993年成為國際標準(IS011898)日本的高速列車控制網(wǎng)絡在輕軌、地鐵、貨車等軌道車輛以及車載設備的控制子系統(tǒng)帶優(yōu)先級CSMS/CD的通信介質(zhì)訪問控制短傾結(jié)構(gòu),傳輸時間短低成本、高抗噪聲性能和

4、高靈活性國外列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)20世紀70年代末20世紀80年代初1987 年1999年6月1991年And.ARCNET美國Datapoint公司1999年成為美國國家標準ANSI/ATA-878.1日本的高速列車控制網(wǎng)絡基于令牌傳遞協(xié)議快速性、確定性、可擴展性和支持長距離傳輸開放的標準 LonWorks總線美國Echelon公司1997年美國鐵路協(xié)會ARR將LonWorks作為其列車內(nèi)部通信規(guī)范。 1999年,LonWorks被納入IEEE制訂的列車通信標IEEE14731999。應用在北美及亞洲帶預測P-堅持的CSMA介質(zhì)訪問控制及優(yōu)先級機制提高了網(wǎng)絡性能遵循OSI的七層參考模型LonTa

5、lk協(xié)議封裝在Neuron神經(jīng)元芯片基于總線管理器的集中式介質(zhì)訪問控制支持介質(zhì)和總線管理器的冗余由WTB和MVB組成強實時性和高可靠性TCN耗時11年 由國際電工委員會基于ABB公司的MICAS以及西門子公司DIN43322和意大利的CD450制訂了列車通信網(wǎng)絡標準，即IEC 61375-1標準西門子、龐巴迪、阿爾斯通等國際鐵路設備供應商都開發(fā)了符合TCN標準的列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng),芬蘭的EKE電子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司都開發(fā)符合TCN標準的相關設備。以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(ECN,Ethernet Consist Network)Part 1Part 2

6、Part 3Part 47國外列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)l1980年,傳輸速率為10Mbps的以太網(wǎng)標準問世l100Mbps, 1000Mbps,甚至l0Gbps的以太網(wǎng)標準不斷推出l2011年,國際電工委員會制定了 IEC 61375-2-5和IEC 61375-3-4標準,分別描述了基于以太網(wǎng)技術的列車級網(wǎng)絡和車輛級網(wǎng)絡。lIEC 61375-2-5標準描述了基于IEEE802.3標準的以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議構(gòu)建的列車級網(wǎng)絡一以太列車骨干網(wǎng)(ETB,Ethernet Train Backbone)lIEC 61375-3-4 則描述了基于 IEEE802.3 標準的以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議建立的車

7、輛級網(wǎng)絡一以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(ECN,Ethernet Consist Network)。 以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(ECN)：極高的傳輸速率技術成熟高通信帶寬競爭力開放性設備成本低廉Part 1Part 2Part 3Part 48國內(nèi)列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)我國從20世紀90年代就開始了列車通信網(wǎng)絡的研究,其中以株洲電力機車研究所為代表,其先后在“新曙光”、“先鋒”、“中原之星”動車組上對Ionwork、網(wǎng)絡和TCN網(wǎng)絡進行了適用,并取得了一系列成果。2002年通過了我國列車通信網(wǎng)絡鐵道行業(yè)標準TB/T3035。2004年通過了列車總線上的信息傳送鐵道行業(yè)標準。l1991年株洲電力機車研宄所在購買

8、ABB公司的牽引控制系統(tǒng)開發(fā)工具的基礎上,聯(lián)合高校幵發(fā)出我國第一套電力機車微機控制裝置樣機,安裝于SS40038機車上。l1995年鐵道部開始立項研制自主知識產(chǎn)權(quán)的ARCNET列車網(wǎng)絡項目,但最終未完成系統(tǒng)。l中國南車集團株洲電力機車研宄所從芬蘭EKE公司引進了較完整的TCN網(wǎng)關技術,并在此基礎上開發(fā)了 TCN網(wǎng)絡通信模塊。l概況實例Part 1Part 2Part 3Part 49列車網(wǎng)絡仿真研究的現(xiàn)狀WhyHow仿真研究的作用怎樣仿真l純軟件仿真和半實物仿真l純軟件仿真主要是利用網(wǎng)絡仿真軟件實現(xiàn),主要運用的有OPNET軟件、HLA軟件等l半實物仿真采用的是軟件與實物硬件聯(lián)合仿真的方法,l有

9、效地提高網(wǎng)絡設計的可靠性和準確性l發(fā)現(xiàn)設計缺陷,降低設計成本l研究改善網(wǎng)絡性能的重要手段Differencerl其仿真的主要方式是在仿真軟件中構(gòu)造列車網(wǎng)絡通信協(xié)議模型,網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)模型,通過改變相關參數(shù)來模擬列車網(wǎng)絡的各種工況實現(xiàn)列車網(wǎng)絡仿真。l半實物仿真，仿真成本較低,與純軟件仿真相比更加接近于實際網(wǎng)絡和設備工況,更加真實的反應網(wǎng)絡相關參數(shù)、性能。各自的優(yōu)缺點e.g.實例l巴全龍運用OPNET軟件構(gòu)建了 CRH2動車組的ARCNET控制網(wǎng)絡模型,研宄了 ARCNET令牌網(wǎng)絡的工作原理以及網(wǎng)絡性能。l中國北車的大連電力牽引研發(fā)中心成功建立具有冗余的機車WorldFIP網(wǎng)絡半實物仿真平臺和交流傳

10、動機車WorldFIP網(wǎng)絡半實物仿真平臺l青島四方車輛研宄所成功開發(fā)了高速動車組的列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的半實物仿真平臺,該半實物仿真試驗臺包括模型管理單元、與模型管理單元通信的真實設備和模型單元P2.以太網(wǎng)技術及TCP/IP協(xié)議簡介以太網(wǎng)發(fā)展簡介TCP/IP 簡介Part 1Part 2Part 3Part 411以太網(wǎng)發(fā)展簡介以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)技術。是美國施樂(Xerox)公司的Palo Alto研宄中心于1975年研制成功的。IEEE制定的IEEE 802.3標準給出了以太網(wǎng)的技術標準。它規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是當前應用最普遍

11、的局域網(wǎng)技術。它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標準，如令牌環(huán)網(wǎng)（token ring）、FDDI和ARCNET以太網(wǎng)使用具有沖突檢測的載波監(jiān)聽/碰撞檢測(CSMA/CD)的介質(zhì)訪問機制。CSMA/CD采用:先聽后發(fā)、邊發(fā)邊聽、沖突停止、延遲重發(fā)的工作方式。 簡介：字段字段長度（字節(jié)） 目的前導碼（Preamble）7同步幀開始符（SFD）1標明下一個字節(jié)為目的MAC字段目的MAC地址6指明幀的接受者源MAC地址6指明幀的發(fā)送者長度（Length）2幀的數(shù)據(jù)字段的長度（長度或類型）類型（Type）2幀中數(shù)據(jù)的協(xié)議類型（長度或類型數(shù)據(jù)和填充（Data and Pad）注461500高層的數(shù)據(jù)，通常為3

12、層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。對于TCP/IP是IP數(shù)據(jù)包幀校驗序列（FCS）4對接收網(wǎng)卡提供判斷是否傳輸錯誤的一種方法，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，丟棄此幀Part 1Part 2Part 3Part 412TCP/IP 簡介定義：定義：Transmission Control Protocol/Internet Protocol的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡通訊協(xié)議，是Internet最基本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎，由網(wǎng)絡層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。TCP/IP 定義了電子設備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉藴?。通俗而言：TCP負責發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，一有

13、問題就發(fā)出信號，要求重新傳輸，直到所有數(shù)據(jù)安全正確地傳輸?shù)侥康牡?。而IP是給因特網(wǎng)的每一臺聯(lián)網(wǎng)設備規(guī)定一個地址。TCP/IP協(xié)議最早起源于美國國防部的ARPA網(wǎng)項目。1983年1月1曰,在因特網(wǎng)的前身(ARPA網(wǎng))中,TCP/IP協(xié)議取代了舊的網(wǎng)絡控制協(xié)議(NCP,Network Control Protocol),從而成為今天的互聯(lián)網(wǎng)的基石TCP/IP協(xié)議的參考模型與國際標準化組織(ISO)的幵放系統(tǒng)互連模型(OSI)不同,其共分為四層,每一層分別負責不同的通信功能TCP/IP結(jié)構(gòu)對應OSITCP/IPOSI應用層應用層表示層會話層 Telnet、FTP等主機到主機層（TCP）（又稱傳輸層）

14、傳輸層TCP和UDP網(wǎng)絡層（IP）(又稱互聯(lián)層)網(wǎng)絡層IP、ICMP和IGM網(wǎng)絡接口層（又稱鏈路層）數(shù)據(jù)鏈路層物理層設備驅(qū)動程序及網(wǎng)卡Part 1Part 2Part 3Part 413TCP/IP 簡介TCP傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議:lTCP是面向連接的運輸層協(xié)議,使用TCP協(xié)議前必須先建立TCP連接,完成數(shù)據(jù)傳輸后必須將TCP連接釋放l每一個TCP連接只能有兩個端點,即每個TCP連接只能是點對點的lTCP提供可靠交付的服務,無差錯、不丟失、不重復、順序到達lTCP提供全雙工通信IP傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議:l在TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議是IP協(xié)議lIP協(xié)議提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報

15、傳輸服務,就是把數(shù)據(jù)從源傳送到目的地lIP協(xié)議向上層的運輸層提供服務,任何可靠性要求必須由上層協(xié)議來提供P3.以太網(wǎng)技術及TCP/IP協(xié)議在機車車輛上的運用以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應用IEC61375-2-5 /IEC 61375-3-4 標準TCP/IP協(xié)議在機車車輛上的運用小結(jié)Part 1Part 2Part 3Part 415以太網(wǎng)在工業(yè)控制中的應用 隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和成熟,以太網(wǎng)憑借著開放性及高帶寬等優(yōu)點在工業(yè)領域中迅速推廣發(fā)展,廣泛用于了工業(yè)控制、自動化等領域。 當總線上的接入站點增多時,造成碰撞的概率就越大,從而使得以太網(wǎng)站點在傳輸數(shù)據(jù)時具有不可預見的延遲,造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定

16、性和延遲,這就是以太網(wǎng)的“不確定性”。 由于以太網(wǎng)的“非確定性”, 即以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制采用CSMA/CD協(xié)議在網(wǎng)絡負荷增大時不能滿足實時性要求。以太網(wǎng)的“非確定性”：l分時利用信道方法（使用時間觸發(fā)TT (Time-Triggered)通信模型取代事件觸發(fā)模型將使以太網(wǎng)的實時性得到很好的改善）l采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術l釆用報文優(yōu)先級技術（在基本的以太網(wǎng)傾中的“源地址”字段和“類型”字段間插入一個標識符）l降低網(wǎng)絡負載及提高網(wǎng)絡傳輸速率以太網(wǎng)實時性改進方法：Part 1Part 2Part 3Part 416EC61375-2-5 /IEC 61375-3-4 標準IEC 61375-3

17、-4 標準標準: 由于以太網(wǎng)的“非確定性”,必須要求網(wǎng)絡的構(gòu)建及設備符合相關規(guī)范,以滿足系統(tǒng)的實時性要求。 為了將以太網(wǎng)技術應用于列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中,國際電工委員會擴展了符合TCN體系的標準,提出了基于以太網(wǎng)的IEC61375-2-5 標準IEC61375-3-4 標準。 IEC 61375-2-5標準描述了基于IEEE802.3標準的以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議構(gòu)建的列車級網(wǎng)絡一以太列車骨干網(wǎng)(ETB,Ethernet Train Backbone) IEC 61375-3-4標準中詳細描述了:基于以太網(wǎng)技術的車輛級網(wǎng)絡一以太網(wǎng)組成網(wǎng)(ECN,Ethernet Consist Network);

18、連接在ECN中的終端設備的規(guī)范;列車骨干網(wǎng)絡(Train Backbone,即列車總線)和ECN之間的網(wǎng)關的服務。ECN的數(shù)據(jù)類型及網(wǎng)絡服務的數(shù)據(jù)類型及網(wǎng)絡服務: ECN中使用的數(shù)據(jù)類型在IEC 61375-1中定義,共5種:監(jiān)測數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)、最大努力數(shù)據(jù)。 由于ECN是基于以太網(wǎng)技術,當網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流量過大時將影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性以及網(wǎng)絡性能。為提高網(wǎng)絡性能,ECN將網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)類型進行優(yōu)先級劃分,并按照優(yōu)先級進行相關操作提尚網(wǎng)絡性能。 冗余管理,ECN需要提供網(wǎng)絡和設備的冗余功能以及冗余管理。Part 1Part 2Part 3Part 417TCP/IP協(xié)議在機車車輛上

19、的運用 IP協(xié)議由主機到主機協(xié)議調(diào)用，而此協(xié)議負責調(diào)用本地網(wǎng)絡協(xié)議將數(shù)據(jù)報傳送以下一個網(wǎng)關或目的主機。例如TCP可以調(diào)用IP協(xié)議，在調(diào)用時傳送目的地址和源地址作為參數(shù)，IP形成數(shù)據(jù)報并調(diào)用本地網(wǎng)絡（協(xié)議）接口傳送數(shù)據(jù)報。 由于IP協(xié)議只能提供盡最大努力服務,即IP協(xié)議不能提供可靠傳輸,而TCP的數(shù)據(jù)報必須通過下層IP協(xié)議來進行傳輸,為了實現(xiàn)TCP的面向連接、可靠的字節(jié)流傳輸服務,TCP必須采用適當?shù)拇胧﹣肀ＷC通信可靠： 通信的基礎是套接口(Socket)，一個套接口是通訊的一端。 Windows Sockets規(guī)范定義并記錄了如何使用API與Internet協(xié)議族(IPS,通常我們指的是TCP

20、/IP)連接，尤其要指出的是所有的Windows Sockets實現(xiàn)都支持流套接口和數(shù)據(jù)報套接口.應用程序調(diào)用Windows Sockets的API實現(xiàn)相互之間的通訊。Windows Sockets又利用下層的網(wǎng)絡通訊協(xié)議功能和操作系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)實際的通訊工作。Part 1Part 2Part 3Part 418小結(jié)WindowsSockets網(wǎng)絡通信規(guī)范定義了 Windows平臺中的網(wǎng)絡軟件獲取網(wǎng)絡服務的方式,特別是利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)通信。Windows Sockets定義了Windows平臺中應用程序與TCP/IP協(xié)議棧間的訪問接口,即為程序員提供了 OSI模型中應用層與運輸層之間的編

21、程接口。P3.車載設備信息傳遞簡介Part 1Part 2Part 3Part 420以太網(wǎng)發(fā)展簡介 以CRH2為例，在CRH2動車組的車輛級網(wǎng)絡中,終端裝置通過與各個車載設備進行數(shù)據(jù)報文的交換,實現(xiàn)對設備的控制、設備狀態(tài)的監(jiān)測等功能。其中,終端裝置和各個車載設備間交換的數(shù)據(jù)報文及其實現(xiàn)的功能如下:Part 1Part 2Part 3Part 421（1 字節(jié)） （1 字節(jié)） （1 字節(jié)） （1 字節(jié)） (字節(jié)) （2 字節(jié)） （1 字節(jié)） Flag (01111110) Address1 (00000000) Address2 (11111111) Control Information F

22、CS(Frame Cheak Sequence) Flag (01111110) 編碼： Address1 2 : 00H 0FFH（雙方都使用Global Address） Control : 13H（雙方都只使用UI :Unnumbered Information） FCS :CRCCCITT1 Information : n字節(jié)數(shù)（n:整數(shù)） 使用以下數(shù)據(jù)種類a) 以10ms為一周期由信息控制終端發(fā)出查詢SDR : 狀態(tài)數(shù)據(jù)的請求（信息控制終端牽引變流器）SD : 狀態(tài)數(shù)據(jù)（牽引變流器信息控制終端） b) 發(fā)生故障跟蹤后插入查詢中 TDR(n) : 跟蹤數(shù)據(jù)的請求（信息控制終端牽引變流器

23、） T D(n ) : 跟蹤數(shù)據(jù)（牽引變流器信息控制終端） n:數(shù)據(jù)組編號 1、牽引變流器：傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)：請求(SDR)、跟蹤數(shù)據(jù)請求(TDR),牽引變流器向終端裝置反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)(SD)和跟蹤數(shù)據(jù)(TD)目的：目的：運行指令傳輸，時刻的同時設定，狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視，跟蹤數(shù)據(jù)的收集輸出等 TEXT(0) TEXT(1) TEXT(38) TEXT(39) 全 40 字節(jié)長 SDR故障排除用信息（跟蹤數(shù)據(jù)）請求( TDR) TEXT(0) TEXT(1) TEXT(5) 全 6 字節(jié)長 bit No 內(nèi) 容 TEXT No. 7 6 5 4 3 2 1 0 邏 輯 /變 換 比 說 明 0 文

24、 本 類 別 ： 2HA21H 1 請 求 數(shù) 據(jù) 類 別 二 元 的 補 充 （ 6） 2 請 求 跟 蹤 數(shù) 據(jù) 記 錄 數(shù) 據(jù) 組 編 號 （ 上 位 ） HEX 3 請 求 跟 蹤 數(shù) 據(jù) 記 錄 數(shù) 據(jù) 組 編 號 （ 下 位 ） HEX 開 始 記 錄 數(shù) 據(jù) 組 編 號 為 00H， 最 終 數(shù) 據(jù) 組 根 據(jù) 數(shù) 據(jù) 而 變 化 。 4 備 用 5 備 用 Part 1Part 2Part 3Part 422（1 字節(jié)） （1 字節(jié)） （1 字節(jié)） （1 字節(jié)） (字節(jié)) （2 字節(jié)） （1 字節(jié)） Flag (01111110) Address1 (00000000) Address2 (11111111)