基于工业以太网的地铁列车通信网络实时性及仿真研究

摘要

随着我国轨道交通行业的蓬勃发展，列车的运营安全问题日渐突出，各种确保列车安全的技术不断涌现，列车网络承载的各类信息日渐丰富，其中包括控车类信息、服务类信息和安全检测类信息，这使得列车网络中的设备种类和数量日益增多，需要通过列车通信网络传输的数据也日益增多。目前以太网列车网络技术不断兴起，以其高速、宽带、灵活组网的优势，为支撑多业务的传输开辟了新的途径。国外在列车通信网络方面的研究处于领先和垄断地位，国内在这方面的研究刚刚起步。本文的研究依托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》（项日编号:2015BAG12B01-08），此项目研究的重点之一就是基于IEC61375-2-5及IEC61375-3-4标准的地铁车辆多业务融合的列车网络技术。
　　本研究主要内容包括：⑴结合工业以太网和列车通信网络的发展现状及特点，深入研究国际电工委员会颁布的IEC61375-2-5及IEC61375-3-4标准，分析以太列车骨干网和以太列车编组网的网络结构、数据分类和性能指标。⑵基于地铁列车网络的研究现状和特点以及工业以太网存在的可靠性、实时性等方面的缺陷，重点分析影响以太网实时性的因素及改进策略，提出一种综合分级调度的实时调度机制，有效降低了地铁列车通信实时数据的端到端传输时延，这也是本文的创新点。并使用网络演算分别给出了在先来先服务与综合分级调度算法下的时延上界，从理论上验证了综合分级调度机制在地铁列车上的可行性。⑶深入研究OPNET仿真的三层建模技术，根据协议对以太网模型进行改进，搭建以太列车骨干网和编组网的网络模型、节点模型和进程模型，配置仿真参数。验证了综合分级调度算法在端到端时延、吞吐量和丢包率等网络性能的结果都符合地铁列车通信网络要求，且有较大优势。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 列车通信网络的发展现状及特点

1．2．1 列车通信网络的发展现状

1．2．2 列车通信网络的特点

1．3 工业以太网在列车通信网络的应用现状及存在的问题

1．3．1 国内外工业以太网在列车通信网络的应用现状

1．3．2 工业以太网在列车通信网络应用中存在的问题

1．4 论文主要内容及组织结构

2 以太列车通信网络的实时性问题分析

2．1 以太列车通信网络介绍

2．1．1 网络拓扑结构介绍

2．1．2 网络数据分类介绍

2．2 影响以太网通信实时性因素分析

2．3 地铁列车通信网络时延分析

2．4 以太列车通信网络实时性改进方法

2．5 本章小结

3 综合分级调度方法研究

3．1 实时调度的算法研究

3．2 综合分级调度方法设计

3．2．1 一级调度

3．2．2 二级调度

3．3 实时数据帧最大端到端时延计算

3．3．1 网络演算基础

3．3．2 先来先服务的实时数据帧端到端时延

3．3．3 综合分级调度的实时数据帧端到端时延

3．3．4 基于综合分级调度算法网络性能分析

3．4 本章小结

4 基于OPNET的建模仿真研究

4．1 OPNET仿真技术

4．2 网络模型设计

4．3 节点模型设计

4．3．1 列车级节点模型设计

4．3．2 车辆级节点模型设计

4．4 进程模型设计

4．4．1 Source进程模块

4．4．2 Mac_imp进程模

4．4．3 Mac进程模块

4．4．4 defer进程

4．5 仿真参数配置

4．5．1 仿真环境参数配置

4．5．2 仿真数据配置

4．6 仿真设计及结果分析

4．6．1 仿真场景设计

4．6．2 仿真结果分析

4．7 本章小结

5 总结

5．1 工作总结

5．2 不足与展望

参考文献

作者简历

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