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（2014年1

2、1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,并通過自主研究、

3、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的通信介質訪問控制短傾結構,傳輸時間短低成本、高抗噪聲性能和高靈活性

4、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LonTalk協(xié)議

5、封裝在Neuron神經(jīng)元芯片基于總線管理器的集中式介質訪問控制支持介質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 2Part

6、 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)議建立的車輛級網(wǎng)絡

7、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ABB公

8、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有效地提高

9、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造列車網(wǎng)絡通信協(xié)議模型,網(wǎng)絡拓撲結構模型,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動機車W

10、orldFIP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、電信號和介質訪問層協(xié)議的內容。以太網(wǎng)是當前應用最普遍的局域網(wǎng)

11、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層協(xié)議數(shù)

12、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}，一有問題就發(fā)

13、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結構對應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）傳輸層T

14、CP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)報傳輸服務

15、,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_定性和延遲

16、,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 61375-3-4 標

17、準標準: 由于以太網(wǎng)的“非確定性”,必須要求網(wǎng)絡的構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);連接在E

18、CN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)議在機車車輛上的運用

19、IP協(xié)議由主機到主機協(xié)議調用，而此協(xié)議負責調用本地網(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可以調用IP協(xié)議，在調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/IP)

20、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)調用實現(xiàn)實際的通訊工作。Part 1Part 2Part 3Part 418小結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程接口。

21、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 FCS(F

22、rame 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） T

23、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 容 TEXT No. 7 6 5 4 3 2 1 0 邏 輯 /變 換 比 說 明 0 文 本 類

24、 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)