计算机网络与通信第7讲高速列车网络技术

1第7讲高速列车网络技术本章主要内容TCN概述TCN发展历史及现状WTBMVBRTP小结27.1TCN概述TCN（TrainCommunicationNetWork）现代列车朝高速化、自动化、舒适化方向发展已经成为必然趋势。列车通信网络已成为高速列车控制系统的关键技术。3TCN的本质TCN是一种面向控制、连接车载设备的数据通信系统,是分布式列车控制系统的核心。它集列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息服务系统于一体。以车载微机为主要技术手段,并通过网络实现列车各个系统之间的信息交换,最终达到对车载设备的集散式监视、控制和管理等目的,实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化。4TCN体系结构列车级，车厢级，设备级56TCN的三种应用方式1)具有WTB但没有车辆总线,或者有其它的车辆总线但不是MVB;2)具有MVB但没有列车总线,或者有其它的列车总线但不是WTB;3)可以是其它形式的总线使用实时协议,而不是WTB或者MVB。78特征绞线式列车总线WTB多功能车厢总线MVB结构结构可变，构成改变时，具有自适应性结构及设备的地址固定不变介质屏蔽双绞线（860米，32个节点，相当于22个UIC车厢）双绞线，RS-485（20米32设备）；变压器隔离屏蔽双绞线（200米32设备）；星型光纤网（2000米，2个设备）物理冗余双份物理介质双份物理介质信号带16..32位前同步码的曼彻斯特编码带定界符的曼彻斯特编码信号速率1Mbit/s1.5Mbit/s地址空间8bit地址12bit地址物理地址点对点及广播点对点及广播有效的帧长度在4-132个字节之间可变量化的：16，32，64，128或者256bits完整性帧FCS-16，帧校验以及曼彻斯特编码IEC60870校验序列及帧尺寸校验介质分配由一台主设备完成由一台主设备完成主设备权传送主设备，强主设备或弱主设备总线管理器通过令牌传送成为主设备主设备冗余初运行后，主设备权传递给另一节点令牌传递自动进行主设备权转换冗余校验链路层服务过程数据循环源寻址广播数据消息数据偶发点对点或广播数据报监督数据循环/偶发用于总线管理的数据9数据分类列车通信网络将传输两类数据：短而紧迫的过程变量(Process_Variables)（如用于牵引控制）；不太紧迫，但可能较长的消息变量（如用于诊断）。10列车通信网络的特点工作环境恶劣，可靠性要求高；控制操作实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性；11TCN的优缺点优点：TCN的功能齐全已经成为铁标有一定国内应用的前例TCN的不足：WTB协议复杂TCN产品市场小，价格昂贵127.2TCN的发展历史自从19世纪末自动车钩出现以来,铁道车辆的自动化对接就已经存在。对铁路工业而言,下一个挑战是带数据总线的车辆自动互联技术,这就要求车载数据通信进行世界范围内的标准化。131988年，受国际电工委员会（IEC）第9技术委员会（TC9）的委托，来自20多个国家（包括中国、欧洲国家、日本和美国，它们代表了世界范围的主要铁路运用部门和制造厂家）以及UIC（国际铁路联盟）的代表组成的第22工作组（WG22），共同为铁路设备的数据通信制定一项标准。1999年6月，经过长达11年的工作，IEC/TC9/WG22在ABB公司的MICAS基础上，以及西门子的DIN43322和意大利的CD450等运行经验的基础上制订的列车通信网络（TCN）标准－－IEC61375正式成为国际标准。14（IEC61375）表1.315在2002年，我国制定了铁道部标准（TB/T3035-2002）TB中华人民共和国铁道行业标准TB/T3035-2002列车通信网络TrainCommunicationNetwork2002-02-09发布2002-07-01实施中华人民共和国铁道部发布16TCN标准的发展核心芯片被几大厂商控制，价格很贵IEC2003，TAHG(TrainCommunicationNetworkADHocGroup)对TCN的开放性，互操作性进行改进，并且评估各种新的总线。表1.317TCN在我国的情况表1.2MVB在国内已先后用于“先锋”、“奥星”、“熊猫”、“蓝箭”、“大白鲨”、“中原之星”、“中华之星”等动车组。WTB在DJ“熊猫”号及DJJ“蓝箭”号上作为列车总线使用;DJ2“奥星”号列车总线也为WTB;正在研制的摆式列车也考虑采用WTB。187.3WTB概述拓扑物理介质信号表示介质访问初始运行其他197.3.1绞线式列车总线（Wire_Train_Bus，WTB）WTB是为互连车辆设计的串行数据通信总线。对于频繁改变其组成的列车组(如国际联运列车UIC或市郊列车),WTB被设计成通过手插式跨接电缆或自动连接器来实现车辆之间的互连。20217.3.2WTB总线拓扑接入主干电缆的两种方式。227.3.3WTB物理介质WTB采用屏蔽双绞线，要求有较高的机械连接性能。使用该种介质可以达到1Mbit/s通信速率，长度为860m，对应22节26m长的UIC列车。23WTB介质附件（MediumAttachmentUnit）介质附挂单元有两个收发器,一个方向上一个。收发器使用变压器实现与外部导线的电隔离，并附挂到曼切斯特编码/译码器上总线开关端接开关方向开关24WTB介质冗余总是在两路总线上发送，而只是在一路总线上接收。257.3.4WTB信号表示26WTB帧27WTB链路层及其报文28三种报文1）过程数据报文，通常使用广播的方式发送，通常周期性的报告。2）消息数据报文，通常是一个设备发送到一个设备或者是广播，通常是按需求才发送。3）监督数据报文，相同总线内用于监视设备状态，检测沉寂的设备，总线主权转换，总线初始化等数据。可能是周期传送，也可能是按需传送。从设备总是与它接受的主帧相同类型的帧来回答。29WTB过程数据报文30WTB消息数据报文通常消息报文只是被一个目标接受31WTB监督数据报文可以没有从帧327.3.5WTB介质访问（时分）周期性数据与偶发性数据33访问的几点规则当列车网络组成改变时，每个节点通知总线主，以改变轮询的策略。当车辆增加，周期相变长，而偶发相变短。紧迫和非紧迫的数据偶发性数据必须留有足够的时间。34常规操作WTB帧（总结）357.3.6WTB初运行初运行目的：当列车的组成改变时，特别是车厢被连挂或解挂时，主设备重新配置总线。这个过程称为初运行。总线需要重新组态。36节点地址分配1）主设备地址为01；2）主设备定义方向1为“底部”，方向2为“顶部”；3）在方向1上从地址63开始降序排列从设备节点地址，该方向最后命名节点是底部节点；4）在方向2上从地址02开始升序排列从设备节点地址，该方向最后命名节点是顶部节点；5）主设备可以最多命名62个节点。37初运行完成后每个节点都知道：自己的地址线A和线B，分别命名为P和S.自己的地址是增序还是减序。网络的拓扑，所有节点的位置，地址，类型。38强节点与弱节点只能指定一个节点为总线主，这个节点称为强节点。在没有总线主的情况下，允许几个节点（弱节点）成为总线主。弱总线主——新的总线主弱节点的机制主要用来克服总线主故障。有几个弱节点的情况，有几个强节点的情况。39初运行中的MAU单元在末端：总线开关打开，端接器插入，主辅通道接到相反的方向上。在中间：总线开关闭合，端接器断开，辅助通道断开。40命名的基本过程41给节点命名42主设备冲突43新增加节点总线收缩WTB总线主冗余其他的相关知识447.4MVB概述物理层总线控制器（信号表示，帧，端口，报文略）介质访问容错457.4.1MVB概述MultifunctionVehicleBus车厢总线用于将一个车厢内或不可分的车厢组内的设备连接起来。46车厢总线允许设备的安装间距在200米以内；车厢总线至少支持256个设备；车厢总线在最差情况下的响应时间低于16ms；47特征绞线式列车总线WTB多功能车厢总线MVB结构结构可变，构成改变时，具有自适应性结构及设备的地址固定不变介质屏蔽双绞线（860米，32个节点，相当于22个UIC车厢）双绞线，RS-485（20米32设备）；变压器隔离屏蔽双绞线（200米32设备）；星型光纤网（2000米，2个设备）物理冗余双份物理介质双份物理介质信号带16..32位前同步码的曼彻斯特编码带定界符的曼彻斯特编码信号速率1Mbit/s1.5Mbit/s地址空间8bit地址12bit地址物理地址点对点及广播点对点及广播有效的帧长度在4-132个字节之间可变量化的：16，32，64，128或者256bits完整性帧FCS-16，帧校验以及曼彻斯特编码IEC60870校验序列及帧尺寸校验介质分配由一台主设备完成由一台主设备完成主设备权传送主设备，强主设备或弱主设备总线管理器通过令牌传送成为主设备主设备冗余初运行后，主设备权传递给另一节点令牌传递自动进行主设备权转换冗余校验链路层服务过程数据循环源寻址广播数据消息数据偶发点对点或广播数据报监督数据循环/偶发用于总线管理的数据487.4.2MVB物理层MVB提供三种不同的物理介质，它们以相同速率运行：电气短距离介质（ESD）传送距离≤20米，使用标准的RS-485收发器，每段最多支持32个设备。电气中距离介质（EMD）传送距离≤200米，每段最多支持32个设备，屏蔽双绞线，变压器隔离；光学玻璃纤维介质（OGF），星型连接或点到点方式下最大距离2000米。497.5RTP概述变量服务消息服务507.5.1RTP概述RealTimeProtocol它为一个应用与另外一个应用在列车通信网络上提供协议和服务。51变量与消息RTP提供以下两种主要的应用通信服务:1)变量(分布式进程数据库):传送具有确定传输延时的短数据。2)消息(呼叫/应答及多播消息):传送可能冗长但不频繁的数据项。3）在RTP的标准中定义了两种接口:链路层接口(LPI和LMI)和应用层接口(AVI和AMI)。52RTP体系结构LPI,LMI分别定义从总线所期望得到的服务种类;AVI,AMI分别定义了提供给应用层的变量和消息服务。53消息与变量的基本区别RTP之所以分为变量服务和消息服务两大部分,是由变量和消息不同的传输方式与要求所决定的。变量主要是列车运行的控制命令和运行状态。这些信息对于列车的正常运行来说都是非常重要的。为了保证变量在确定的较小的时延下能够被及时地发送到相应的端口中,在RTP中对变量的传输是周期性的、广播的,从而保证变量的实时性;而消息则不同,消息是一些冗长但不频繁传输的数据,消息是按需传输的,所以消息的传输是非周期性的、点对点的。54这就决定了消息的传输需要发送方和接收方建立连接。从而也就决定了消息要有网络层、传输层等变量没有的层。（表3.5）557.5.2变量为时间紧迫的数据或者过程提供的一种传送服务。采用广播的方式。采用分布式过程数据库，不同设备中的应用程序访问位于一个全局数据库中的过程变量，每个设备各有自己的过程变量。消费者与发行者。5657因为过程变量周期性地通过总线来发送,所以在数据偶然丢失的情况下不需要明确的重发。为了对付持续的错误,总线控制器为每个变量提供了1个计数器,这个计数器表示在多久以前变量被刷新。此外,它也能随同每个变量发送1个校验变量以保证变量及时、正确地产生。58数据集列子应用可以单个访问过程变量,也可以更有效地按组访问过程变量。过程数据应用层按单个的应用变量安排被发送数据。它也可以将数据形式转换成客户所使用的表示法。597.5.3消息各应用之间通过列车通信网络“透明”地交换消息。一个应用并不了解其对方是驻留在同一总线、同一站,还是在TCN的其他任何地方。（图3.61）应用在客户机/服务器基础上通信。一个会话包含两个消息:一个由客户机发出的呼叫和一个响应它由远程服务器发出的应答。消息被