基于实时以太网PowerLink的列车网络的实现研究

摘要

列车网络在地铁列车运行的过程中起着至关重要的作用，关系着列车运行的安全与乘客出行的舒适度。依据业务的要求，传统的列车网络中存在多种网络，各自发挥着不可替代的作用，比如列车运行控制系统、列车安全监控系统、列车广播服务系统等，这些独立的系统造成网络资源严重浪费、网络管理复杂、后期维护难度大等不利的影响。随着信息技术的不断发展与成熟，确保列车安全、为乘客提供服务等业务往往受到网络带宽限制，难以实现技术升级、网络资源的综合管理，所以研究适合多业务融合的列车网络技术势在必行，是下一代地铁列车实现智能化安全运行、人性化信息服务等先进性的重要标志。实时工业以太网凭借通信速率高、兼容性好、实时性高、适应性强、成本低等优势成为实现下一代列车网络研究的热点。
　　本文基于国家科技支撑项目课题《下一代地铁列车关键技术研究及样车制造项目》中子课题《下一代地铁列车网络融合技术研究》(项目编号:2015BAG12B01-08)和IEC61375系列标准，对实时工业以太网技术实现地铁列车网络的应用研究。文章分析了实时以太网PowerLink技术特点，并结合我国地铁列车业务的要求，构建典型的4M2T列车网络系统，主要工作内容如下:
　　(1)深入分析了国际电工委员会颁布的IEC61375-2-5及IEC61375-3-4标准，了解以太网列车几种典型的网络拓扑结构、数据分类、性能指标以及列车通信网络具有初运行、基本管理和服务质量、冗余功能。根据列车通信网络的性能特点，研究了工业以太网在列车通信网络中的应用。
　　(2)研究实时以太网PowerLink技术特点、地铁列车网络方案，包括通信机制和性能指标。重点分析PowerLink实时性特征与机制，提出一种优化方案，即采用卡尔曼滤波算法来解决主从节点精确同步的问题，优化轮询帧的数量，有效降低地铁列车网络传输时延，保证数据实时、可靠性，这也是本文的创新点。
　　(3)通过OPNET仿真软件来建模分析各种拓扑结构的业务指标，结合列车实际运行状况设计最优的地铁列车网络拓扑结构，并使用二元决策图来验证此拓扑结构的可靠性。
　　(4)在OMNeT++网络仿真平台上，针对主从节点卡尔曼滤波同步算法优化方案，进行验证，实验结果表明同步精确度得到很大的提高;利用PC机搭建的地铁列车仿真环境，按照(1)中描述的业务需求，完成对列车网络仿真验证实验，验证了优化后的实时以太网PowerLink技术在时延和可靠性方面有较大提高。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 下一代地铁列车通信网络的发展现状

1．3 几种实时工业以太网的比较

1．4 下一代的列车通信网络研究方向

1．5 本文研究的主要内容及论文的组织结构

2 实时以太网PowerLink技术

2．1 PowerLink概述

2．1．1 PowerLink网络节点

2．1．2 PowerLink服务

2．2 PowerLink网络参考模型

2．3 PowerLink物理层

2．4 PowerLink数据链路层

2．4．1 PowerLink帧结构

2．4．2 PowerLink实时通信机制

2．5 PowerLink应用层

2．6 PowerLink协议栈分析

2．7 本章小结

3 基于PowerLink的列车通信网络分析

3．1 列车通信网络设计需求

3．1．1 项目需求分析

3．1．2 IEC 61375标准的规定

3．2 基于OPNET的建模分析

3．3 列车通信网络拓扑结构

3．4 列车网络数据的时延分析

3．5 列车网络的可靠性分析

3．6 本章小结

4 PowerLink通信机制的优化

4．1 PowerLink通信模式优缺点分析

4．2 优化方案设计

4．2．1 时钟补偿算法优化

4．2．2 通信网络轮询帧优化

4．3 算法实现

4．4 本章小结

5．1 时间补偿算法实验

5．2 列车仿真网络实验

5．2．1 环境搭建

5．2．2 仿真结果分析

5．3 本章小结

6．1 工作总结

6．2 不足与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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