浅谈列车通信网络协议栈的实时性

　　引言
　　由于列车的高速化、智能化、信息化和运行密度的提高，常规列车网络控制系统已很难满足高速列车实时运行控制的安全性需求。列车通信网络(train communication network，TCN)保证列车牵引、供电、制动、监控、管理等大量信息安全、快速、准确、可靠地在整个列车上传输，达到列车高速安全稳定运行，已经成为现代高速列车网络控制系统的关键技术。IEC61375 提出TCN 具有两级通信总线层次结构，即多功能车辆总线(multifunction vehicle bus，MVB)和绞线式列车总线(wire train bus，WTB)及共享的上层实时协议(real-time protocols，RTP)。
　　抽象的标准框架、高度的复杂性、开放性实现方法和垄断厂商的关键技术壁垒给TCN 设备协议栈的设计、实现、验证、一致性测试带来诸多挑战。
　　国内外学者基于不同的关注点对TCN 中相关协议做了大量的研究。现有研究成果中3 种平台下的TCN 设备协议栈的设计验证，AweSim+VC6.0[10]、C和Petri 网，主要存在3 个方面的缺点：①硬实时性指标论证不足;②结论缺乏严格的事实基础，仿真场景多停留在单一MVB 总线或WTB 总线的分析与研究，忽略了跨总线数据传输和上层应用功能;③验证平台存在一定的局限性，如AweSim设计和研究网络协议专业性不够，C语言仿真程序分析结果不够直观，扩展性差，Petri 网在完整表达模型内涵方面显得不足。鉴于此，本文依据硬实时指标，建立了一种综合MVB、WTB和RTP在内的完备的TCN 设备协议栈模型，并针对当前仿真验证平台中的不足，基于OPNET+VC6.0 搭建了仿真场景，实现了协议栈模型的实时性分析和可行性论证。
　　1 理论基础
　　1.1 硬实时系统的特点
　　硬实时系统是指系统的正确性不仅依赖于其逻辑结果，还依赖于所有已接受的硬实时任务完成的时间。在硬实时通信中，报文带有明确的时间限制，这些时限必须满足，否则任务未能及时完成将导致灾难性后果。高速列车对速度、行车密度和安全性有苛刻的要求，其网络控制系统也是一种典型的硬实时系统。
　　1.2 TCN 硬实时指标
　　TCN 采用MVB+WTB 层次结构的两级通信总线，。两级总线均为周期性主从协议，提供过程数据、消息数据和监控数据3 种服务。
　　TCN 中报文的成功传输不仅取决于收到报文的完整性，还依赖于收到报文的时间。其中t_m为主帧传输时间，t_s 为从帧传输时间，t_ms 为总线主发送完主帧到开始接受响应从帧间的时间间隔。
　　2 TCN 设备协议栈总体架构
　　在Jimenez J 研究成果的基础上，借鉴OSI 七层参考模型分层而治的思想自顶向下设计TCN 协议体系结构。TCN系统中TCN网关设备功能最复杂，以TCN 网关设备为例， (MVB 设备协议栈类似，但不包括WTB 协议，且各层协议支持较少的功能)。基于硬实时指标，TCN 必须具备强实时性和高可靠性，这对设备协议栈的构建提出了更高的要求。由于MVB 和WTB 总线的通信速率固定，分别为1.5Mbit/s 和1Mbit/s，线路传输时延固定，只能限制报文大小和改进协议机制减小数据帧传输时延、排队时延和处理时延来提高实时性。其中MVB 协议和WTB协议位于协议栈的数据链路层，提供高效的底层介质分配和轮询机制，保证实时高效的数据交换;RTP 协议则根据实时性指标和应用需求，尽量减少排队时延和处理时延，为两级总线提供变量和消息两种通信服务;用户层实现上层应用配置和网络管理。
　　3 协议模型设计
　　3.1 MVB 协议模型设计
　　MVB 总线管理设备和WTB 网关设备均提供MVB 总线管理功能，包括过程数据周期轮询、消息事件仲裁、设备状态定期扫描和主权转移功能， MVB 总线上设备主要用来采集列车实时运行状态，设备功能相对简单，但通信设备数量较多。按硬实时指标，数据链路层必须采用周期性主从协议保证介质的高效分配和变量的快速交换。兼顾总线周期尽可能短和总线上各MVB设备过程数据均能够实时轮询，实现中采用短过程数据报文。主设备周期性广播仅带8bit 源端地址的主帧，响应从帧可根据应用装载8bit、16bit、32bit 或64bit 的过程数据，保证高效的小数据交换。实现中MVB 总线基本微周期取1ms，其中周期相占60%，随机相占40%。即在短至0.6ms 内，MVB总线主完成多个设备的过程数据周期轮询，在短至0.4ms 内完成设备状态定期扫描和MVB 中消息事件仲裁。同时，为提供可靠性保证，在MVB 总线上配置了多个总线管理设备(BA) 作为冗余备份，MVB 总线在总线管理主权转移宏周期中的最后一个微周期按令牌传递算法在所有BA设备间执行主权转移。
　　3.2 WTB 协议模型设计
　　WTB 总线主要实现列车初运行自动配置和列车常规运行功能。初运行中，WTB 总线主完成自我配置，实现相联车辆的动态拓扑发现、命名和示教。常规运行状态下实现过程数据轮询、设备状态监控、消息事件轮询等功能。
　　列车启动时，WTB 总线将完成列车初运行功能，总线主自我配置后，依次对发现车辆进行命名、示教。在示教过程中，收集和分发整辆列车各车辆的动态属性等拓扑信息，保证WTB 总线上所有车辆网关设备获得自己的地址、方向、相对于总线主车辆网关设备的位置和所有车辆的动态属性等拓扑信息。为了保证列车能够快速启动，初运行时间必须尽可能短，命名和示教的过程务必快速高效。因此，初运行中拓扑请求、拓扑响应、检测请求、检测响应、命名请求和命名响应帧配置较短。同时在WTB 总线中提供了弱设备作为总线主强设备的冗余备份，一定程度上提高了WTB 总线的可靠性。WTB 总线上通信设备较少，但设备功能复杂，除完成列车初运行功能外，同时负责车辆间通信设备消息的路由和转发。实现中消息数据响应帧上限为1336bit，为兼顾硬实时性指标和消息数据帧正常传输，WTB 总线的基本周期取25ms，实时控制等过程数据轮询周期为25ms。
　　3.3 RTP 协议模型设计
　　根据TCN 系统的通信需求和实时指标，RTP 必须为用户层提供变量和消息两种服务，变量一般标记列车的状态，如速度、发动机状态、控制命令等，实时性高，主要用于过程数据通信，并使用RTP 协议栈优化通道。为保证苛刻的实时性指标，优化通道中用户层过程变量直接通过应用接口层与数据链路层相连，同时使用共享通信存储器和变量群集提高变量访问效率。消息能够容忍一定的延迟，传输信息可能较长，如诊断信息、乘客信息等，实时性相对较低，用于消息通信，使用RTP 常规通道。RTP 常规通道包含网络层、传输层、会话层和应用接口层，提供可靠的消息服务。即使对于实时性不高的消息数据，为保证较低的端端时延，在网络层维护着站索引、功能索引、组索引和节点索引以提供快速地数据包路由和转发，减少数据帧的排队时延和处理时延;传输层使用三次握手协议建立可靠的通信连接，采用滑动窗口协议，保证高效的数据传输效率。
　　4 TCN 系统实现
　　4.1 系统模型
　　以设计的TCN 设备协议栈模型为研究对象，基于OPNET+VC6.0 搭建了TCN 仿真场景(名称前缀sta_为普通MVB设备，ba_为MVB 总线管理设备，node_为WTB 网关设备)，
　　仿真场景中列车由四节车辆组成，每节车辆包含一条MVB 总线，各节车辆由WTB 总线互连。WTB 总线层利用多条总线模拟多个信道，并通过动态信道绑定实现列车初运行时主辅进程生命周期控制，达到WTB 网关设备连接方式拓__扑可变。
　　4.2 参数配置
　　每节车辆实际长度为26m，考虑电缆弯曲和延伸，电缆实际长度约为车辆长度的150%。车辆内MVB 总线长度配置为39m，列车中WTB总线长度配置为156m，两级总线的线路传输时延均为6.0 s/km。
　　当存在强设备时，强设备成为WTB 总线的总线主;若不存在强设备或强设备失效时，则弱设备可以成为WTB总线的总线主。初运行后，除总线主外，WTB 总线上所有其它设备都执行从设备功能。过程数据周期表示该设备WTB 总线上过程数据轮询的最小周期，可短至25ms。TCN 仿真场景中4 条MVB 总线上BA 设备的重要配置参数
　　MVB 总线过程数据轮询周期为1ms，8 个微周期构成一个宏周期。4 节车辆的MVB 总线每经历配置的主权转移宏周期数后执行主权转移，BA交替成为总线主执行总线介质分配。为保证TCN 中通信设备能够按需发送面向目标的消息数据，并为两级总线提供消息服务，结合列车实际应用在用户/网络管理层中配置了12 对设备应用程序通信连接。其中10对按时间间隔在区间[10ms,20ms] 内均匀分布建立通信连接，模拟常规消息通信功能，2 对按随机时间间隔建立通信连接，模拟突发消息通信功能。
　　除此之外，每个MVB设备需配置相应的物理地址和逻辑地址、过程数据轮询周期和大小、设备状态扫描频率、数据传输时延参数、连接可信度、最大滑动窗口数、最大连接数、通信连接时间、用户层应用功能等信息。
　　5 仿真分析
　　5.1 实时指标分析
　　基于多组实例长时间仿真，得出了表5 中最差应答时延、报文时延和端端时延。
　　由表1、表2 和表5 可知，MVB 和WTB 总线上的过程数据的应答时延和报文时延都在实时指标范围内;TCN 系统中的消息数据端端时延远低于最大时延时限。各项指标均满足TCN 硬实时系统需求。为更全面地论证该系统的实时性，以时速360km/h(即100m/s)、列车追踪时间间隔为3min 的高速列车为例。由表5 可知，从司控台紧急制定命令主帧开始发出第一个比特到WTB总线主完成紧急制动功能调用，且所有列车制动单元将收到制动命令为止，紧急制动报文时延为1419.9 s，从制动命令发出至各制动单元开始制动，列车仅前进14.199cm。考虑到WTB 总线周期为25ms，这意味着最坏情况下紧急制动命令25ms 后才能开始发出，紧急制动报文最坏时延为26.419ms，从制动命令发出至各制动单元开始制动，列车只前进2.6419m，列车制动实时，有较好的安全性保证，列车通信网络中紧急控制命令报文的延迟对列车运行间隔的影响完全可以忽略。由上述分析可知，建立的协议栈模型实现的列车通信系统实时性强，能够满足高速列车实时控制和安全性需求。
　　5.2 实时特征分析
　　为验证列车初运行功能，论证初运行的高效性、实时性和可靠性，仿真分析了强设备位置与初运行时间的关系和弱设备位置与初运行时间的关系。结果表明，将中间设备配置为强设备或弱设备时，强节点未失效，列车在短至0.208 364s 完成初运行进入常规运行状态;强节点失效，列车也可在短至0.978 364s 完成初运行进入常规运行状态。列车启动不足1s即可完成初运行，进入常规运行。整个初运行过程实时、高效，有一定的可靠性。
　　因TCN 中数据包多且各种数据差异显著。为更好地分析TCN 的实时性能，实现TCN 设备协议栈功能性验证、实时性分析和网络整体性能分析，基于4.2 中的仿真配置，分析了仿真系统10 分钟仿真时间内的数据业务流。介质分配高效，小数据交换频繁。4 条MVB 总线实际总线周期为2 400 000 个，完成过程数据周期轮询9 600 000 次，定期设备状态扫描241 3195 次，主权转移13 477 次;WTB总线实际总线周期约24 000 个，完成过程数据周期轮询71 976 次。消息数据通信高效可靠。系统支持最大的消息窗口为3。传输层下传数据报9 250 个，其中7 275 个数据报经过了WTB总线传输，1 975 个数据报仅通过MVB 总线完成通信过程。用户层应用功能实例实际建立740 次通信连接，传输层数据分段5 550 个，平均每次通信连接传输数据分段7.5 个;发送确认帧2 220 个，平均约3 个数据分段收到一个确认。在5 550 次消息数据分段传递过程中，MVB 总线上发生150 次消息冲突并在事件查询中执行事件仲裁算法，事件仲裁发生的概率为2.70%，消息数据冲突概率低。列车通信过程平稳，网络性能良好。WTB 总线的吞吐量，平均吞吐量约为8350byte/s，总线利用率约为7%;MVB0 的吞吐量，平均吞吐量约为39 700 byte/s，总线利用率约为21%。
　　6 结束语
　　本文结合TCN 硬实时指标，建立了一种综合MVB、WTB和RTP 在内完备的设备协议栈模型，并构建了精确的验证平台，有效解决了现有研究成果中3 种仿真验证平台的不足。同时，仿真验证了协议栈模型的实时指标和实时特征。结果表明，设备协议栈模型有较好的实时性，能提供列车高速运行控制下的安全性保证，具有一定的工程应用价值。在工程实现中，TCN 网络的可靠性还可通过MVB 和WTB 双线冗余备份保证硬实时命令的双线冗余传输来进一步提高。