计网(城轨供电)第7讲 高速列车网络技术

1、1第第7 7讲讲 高速列车网络技术高速列车网络技术n本章主要内容本章主要内容TCN 概述TCN 发展历史及现状WTBWVBRTP小结27.1 TCN概述nTCN （Train Communication NetWork）n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n 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 。n 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

2、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n列车级， 车厢级，设备级56TCN的三种应用方式n1) 具有 WTB 但没有车辆总线 ,或者有其它的车辆总线但不是标准的 MVB ;n2) 具有 MVB 但没有列车总线 ,或者有其它的列车总线但不是标准的 WTB ;n3) 可以是其它形式的总线使用实时协议 ,而不是 WTB 或者 MVB。7WTB8特征绞线式列车总线绞线式列车总线WTBWTB多功能车厢总线多功能车厢总线MVBMVB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）

3、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8 bit地址12 bit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256 bits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

4、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：n短而紧迫的过程变量 (Process_Variables)（如用于牵引控制）；n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；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；控制操作实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性；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

5、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127.2 TCN的发展历史n 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。 13n1988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。n1999年6月，经过长达11年的工作，IEC/

6、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。14n（IEC 61375）n表1.315n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/T 30352002列 车 通 信 网 络Train Communication Network20020209发布 20020701实施中华人民共和国铁道部发布16TCN标准的发展n核心芯片被几大厂商控制，价格很贵n IEC 2003，TAHG(Train Communi

7、cation Network AD Hoc Group) 对TCN的开放性，互操作性进行改进，并且评估各种新的总线。n表1.317TCN在我国的情况n表1.2n 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。n 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。187.3 WTBn概述n拓扑n物理介质n信号表示n介质访问n初始运行n其他197.3.1 绞线式列车总线（Wire_Train_Bus，WT

8、B） 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。20217.3.2 WTB总线拓扑 接入主干电缆的两种方式。227.3.3 WTB物理介质nWTB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（Medium Attachment Unit）n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n

9、总线开关n端接开关n方向开关24WTB介质冗余 n总是在两路总线上发送，而只是在一路总线上接收。257.3.4 WTB信号表示26 WTB帧27WTB链路层及其报文28三种报文n1）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。n2）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。n3）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。n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 n通常消息报文只是被一个目标接受31WTB监督数据报文

10、n可以没有从帧327.3.5 WTB介质访问 （时分）n周期性数据与偶发性数据33访问的几点规则n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。n当车辆增加，周期相变长，而偶发相变短。n紧迫和非紧迫的数据n偶发性数据必须留有足够的时间。34常规操作WTB帧（总结） 357.3.6 WTB 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。n总线需要重新组态。36节点地址分配节点地址分配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

11、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：n自己的地址n线A和线B，分别命名为P 和 S.n自己的地址是增序还是减序。n网络的拓扑，所有节点的位置，地址，类型。38强节点与弱节点n只能指定一个节点为总线主，这个节点称为强节点。n在没有总线主的情况下，允许几个节点（弱节点）成为总线主。n弱总线主 新的总线主n弱节点的机制主要用来克服总线主故障。n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 n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。n在

12、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 43n新增加节点n总线收缩nWTB总线主冗余其他的相关知识447.4 MVBn概述n物理层n总线控制器n（信号表示，帧，端口，报文略）n介质访问n容错457.4.1 MVB 概述nMultifunction Vehicle Bus n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。46n车厢总线允许设备的安装间距在200米以内；n车厢总线至少支持256个设备；n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绞线式列车总线WTBWTB多功能车厢总线多功能车厢总线MVBMV

13、B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8 bit地址12 bit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256 bits完整性帧FCS-16，帧校验以及曼彻斯特编码IEC60870 校

14、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487.4.2 MVB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（

15、OGF），星型连接或点到点方式下最大距离2000米。49RS485n和RS232一样，是一种典型的串行通讯标准。 nRS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS -232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 n RS-485的数据最高传输速率为10Mbps n RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 一般只需二根连线。 RS485接口连接器通常采用DB-9的9芯插头座。n RS485编程 串口协议只是

16、定义了传输的电压，阻抗等，编程方式和普通的串口编程一样50电短距离介质ESDn该介质使用RS-485收发器，基于基本的差分传输。无需在发送器和收发器之间电隔离。51ESD连接器布置52电气中距离介质EMDn在封闭的列车系统中，在封闭的列车系统中，MVB可以跨越几个可以跨越几个车厢。在这种应用中可采用电中距离介质，车厢。在这种应用中可采用电中距离介质，每段最大可以达到每段最大可以达到200米，约米，约4个车厢。用个车厢。用于连接不解挂的车厢组合。于连接不解挂的车厢组合。53EMD传输介质采用双绞屏蔽线，屏蔽方式如图；收发器与传输介质之间采用变压器隔离。54设备与EMD的双线连接(冗余)55光纤介

17、质连接n光纤介质由一对构成全双工点对点连接的光纤组成。光纤介质由一对构成全双工点对点连接的光纤组成。n光介质被推荐用于高电磁噪音的区域，例如机车。光介质被推荐用于高电磁噪音的区域，例如机车。56拓扑结构n电介质采用总线拓扑结构，而光介质通常电介质采用总线拓扑结构，而光介质通常采用星型拓扑。采用星型拓扑。57MVB总线段连接(混合拓扑结构)587.4.3 总线控制器（Bus_Controller）总线控制器用途：总线控制器用途：控制总线的访问；控制总线的访问；通过发送器和接收通过发送器和接收器附挂到两条冗余总器附挂到两条冗余总线；线；包含编码器包含编码器/译码器译码器和通信存储和通信存储（Tra

18、ffic_Store）控制逻辑；控制逻辑；译码到达帧并寻址译码到达帧并寻址通信存储。通信存储。597.4.4 MVB信号编码nMVB速率：速率：1.5MB/s。n数据采用曼切斯特编码。数据采用曼切斯特编码。n数据位编码如图数据位编码如图60MVB链路层一次传输包括两种类型帧：n主设备帧（Master_Frame），只由总线主设备生成；n从设备帧（Slave_Frame），由从设备在响应主设备帧时发送。n一个主设备帧及相应从设备帧共同形成一个报文：61端口与通信存储器通信存储器设立目的通信存储器设立目的端口分为两类端口分为两类 逻辑端口逻辑端口 物理端口物理端口 通信存储器的组成通信存储器的组成

19、通信存储器的访问者通信存储器的访问者62报文类型nMVB中中有有16种种报文，由报文，由主设备帧主设备帧中的中的F_code区分。区分。F_code（功能码）（功能码）报文类型报文类型016位过程数据请求帧位过程数据请求帧132位过程数据请求帧位过程数据请求帧264位过程数据请求帧位过程数据请求帧3128位过程数据请求帧位过程数据请求帧4256位过程数据请求帧位过程数据请求帧5(保留保留)6(保留保留)7(保留保留)8主设备权传送请求帧主设备权传送请求帧9总体事件请求帧总体事件请求帧10(保留保留)11(保留保留)12256位消息数据请求帧位消息数据请求帧13组事件请求帧组事件请求帧14单事件

20、请求帧单事件请求帧15设备状态请求帧设备状态请求帧637.4.5 MVB介质分配（MAC）MVB由单个主设备控制，该设备是能发送Master_Frames（主设备帧）的唯一设备，所有其它的设备都是从设备，他们不能自发发送。在持续几秒钟的一轮期间，可能有几个设备Bus_Administrators（总线管理器）能够成为主设备，但一次只能一个成为主设备。主设备可位于总线的任意位置。主设备按照某种预定顺序（策略）对端口进行周期性的轮询（Polling）。64MVB介质分配基本周期、周期相、偶发相；过程数据、消息数据； 主设备轮询：源寻址广播； 65MVB介质分配过程数据：根据所传送数据的需要安排访问

21、时间间隔。时间间隔以基本周期为单位，按2n （n=1-10）关系统一部署。667.4.6 MVB容错n检测传送过程中的错误。n故障独立性。n提高可用性。（双份物理介质和冗余总线管理器）n系统可有单线和备份混合组成。677.4.6.1 介质冗余n电器和光纤的物理介质全部备份68光纤介质冗余697.4.6.2 总线管理器冗余（主设备权的转移）令牌传送算法令牌传送算法 ：相应的策略来保证所有的管理器对总线的循环访问。：相应的策略来保证所有的管理器对总线的循环访问。707.5 RTPn概述n变量服务n消息服务717.5.1 RTP概述nReal Time Protocoln它为一个应用与另外一个应用在

22、列车通信网络上提供协议和服务。72变量与消息RTP 提供以下两种主要的应用通信服务:n1) 变量(分布式进程数据库) :传送具有确定传输延时的短数据。n2) 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。n3）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) 。73RTP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。74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。n 变量主要是列车运行的控制命令

23、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;n 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。n 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）757.5.2 变量n为时间紧迫的数据或者过程提供的一种传送服务。n采用广播的方式。n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

24、各有自己的过程变量。n消费者与发行者。7677n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。78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。797.5.3 消息n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,

25、还是在TCN 的其他任何地方。（图 3.61）n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。 n消息被分段成若干小包以便发送。 每个包带有标识其源和目标的全部地址。 列车总线各节点为各包确定路线。n重发协议用于流控制和出错恢复。 这个传送协议仅由端设备执行, 中间节点仅在特殊情况下(例如初运行)才介入。807.6 TCN小结n与OSI 模型的比较n网络管理817.6.1 TCN与OSI 模型的比较nOSI 通用，TCN专用n都强调兼容性nTCN总是实时工作，而OSI中没有考虑数据是短距离传输，且频繁，时限紧迫的情况。nOSI包头相对复杂。（网络速率不同）nOSI 软件复杂，而TCN主要应用