1、列车网络发展现状TCP/IP协议在机车车辆上的运用情况&车载设备信息传递简介汇报人：指导老师：班目录页CONTENTS PAGEP1.现状列车网络控制系统的国内外现状P2.以太网技术及TCP/IP协议简介P3.以太网技术及TCP/IP协议在机车车辆上的运用P4.车载设备信息传递简介P1.现状列车网络控制系统的国内外发展现状背景与意义国外列车网络控制系统国内列车网络控制系统列车网络仿真研究的现状Part 1Part 2Part 3Part 44 背景与意义l2004年6月, 全国铁路第六次大提速；l引进生产了 CRH1、CRH2、CRH3、CRH5动车组l高铁的总里程14620公里（2014年1
2、1月26日）l更多的局速铁路专线正在建设和规划中ll380km/h的CRH380系列动车组l我国动车组相关设备通过引进技术的 消化吸收和自主创新己经基本实现国产化l列车网络控制系统、相关网络核心控制设备还需从国外引进现实需求现实状况Part 1Part 2Part 3Part 45 背景与意义消化吸收自主研究创新核心 列车控制网络的主要功能是控制分散在列车各个车辆中的车载设备,使之协同工作,信息共享,实现故障检测及维护,并为列车相关工作人员及旅客提供信息服务等功能。 随着高速铁路时代的到来，旅客对列车乘坐舒适度、安全性、网络服务等需求的不断增加,我们必须要消化吸收国外先进技术,并通过自主研究、
3、创新,掌握列车网络控制系统的核心技术,实现设计生产具有自主知识产权的列车网络控制系统。意义：Part 1Part 2Part 3Part 46 FIP总线WorldFIP 组织幵发1999年被采纳为现场总线国际标准IEC61158-2TGV高速列车AGATE列车控制系统基于总线仲裁器的集中式介质访控制使用曼彻斯特编码极强的抗干扰能力大部分协议固化在硬件中,稳定性好CAN总线德国bosch公司1993年成为国际标准(IS011898)日本的高速列车控制网络在轻轨、地铁、货车等轨道车辆以及车载设备的控制子系统带优先级CSMS/CD的通信介质访问控制短倾结构,传输时间短低成本、高抗噪声性能和高灵活性
4、国外列车网络控制系统20世纪70年代末20世纪80年代初1987 年1999年6月1991年And.ARCNET美国Datapoint公司1999年成为美国国家标准ANSI/ATA-878.1日本的高速列车控制网络基于令牌传递协议快速性、确定性、可扩展性和支持长距离传输开放的标准 LonWorks总线美国Echelon公司1997年美国铁路协会ARR将LonWorks作为其列车内部通信规范。 1999年,LonWorks被纳入IEEE制订的列车通信标IEEE14731999。应用在北美及亚洲带预测P-坚持的CSMA介质访问控制及优先级机制提高了网络性能遵循OSI的七层参考模型LonTalk协议
5、封装在Neuron神经元芯片基于总线管理器的集中式介质访问控制支持介质和总线管理器的冗余由WTB和MVB组成强实时性和高可靠性TCN耗时11年 由国际电工委员会基于ABB公司的MICAS以及西门子公司DIN43322和意大利的CD450制订了列车通信网络标准，即IEC 61375-1标准西门子、庞巴迪、阿尔斯通等国际铁路设备供应商都开发了符合TCN标准的列车网络控制系统,芬兰的EKE电子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司都开发符合TCN标准的相关设备。以太网组成网络(ECN,Ethernet Consist Network)Part 1Part 2Part
6、 3Part 47国外列车网络控制系统l1980年,传输速率为10Mbps的以太网标准问世l100Mbps, 1000Mbps,甚至l0Gbps的以太网标准不断推出l2011年,国际电工委员会制定了 IEC 61375-2-5和IEC 61375-3-4标准,分别描述了基于以太网技术的列车级网络和车辆级网络。lIEC 61375-2-5标准描述了基于IEEE802.3标准的以太网和TCP/IP协议构建的列车级网络一以太列车骨干网(ETB,Ethernet Train Backbone)lIEC 61375-3-4 则描述了基于 IEEE802.3 标准的以太网和TCP/IP协议建立的车辆级网络
7、一以太网组成网络(ECN,Ethernet Consist Network)。 以太网组成网络以太网组成网络(ECN)：极高的传输速率技术成熟高通信带宽竞争力开放性设备成本低廉Part 1Part 2Part 3Part 48国内列车网络控制系统我国从20世纪90年代就开始了列车通信网络的研究,其中以株洲电力机车研究所为代表,其先后在“新曙光”、“先锋”、“中原之星”动车组上对Ionwork、网络和TCN网络进行了适用,并取得了一系列成果。2002年通过了我国列车通信网络铁道行业标准TB/T3035。2004年通过了列车总线上的信息传送铁道行业标准。l1991年株洲电力机车研宄所在购买ABB公
8、司的牵引控制系统开发工具的基础上,联合高校幵发出我国第一套电力机车微机控制装置样机,安装于SS40038机车上。l1995年铁道部开始立项研制自主知识产权的ARCNET列车网络项目,但最终未完成系统。l中国南车集团株洲电力机车研宄所从芬兰EKE公司引进了较完整的TCN网关技术,并在此基础上开发了 TCN网络通信模块。l概况实例Part 1Part 2Part 3Part 49列车网络仿真研究的现状WhyHow仿真研究的作用怎样仿真l纯软件仿真和半实物仿真l纯软件仿真主要是利用网络仿真软件实现,主要运用的有OPNET软件、HLA软件等l半实物仿真采用的是软件与实物硬件联合仿真的方法,l有效地提高
9、网络设计的可靠性和准确性l发现设计缺陷,降低设计成本l研究改善网络性能的重要手段Differencerl其仿真的主要方式是在仿真软件中构造列车网络通信协议模型,网络拓扑结构模型,通过改变相关参数来模拟列车网络的各种工况实现列车网络仿真。l半实物仿真，仿真成本较低,与纯软件仿真相比更加接近于实际网络和设备工况,更加真实的反应网络相关参数、性能。各自的优缺点e.g.实例l巴全龙运用OPNET软件构建了 CRH2动车组的ARCNET控制网络模型,研宄了 ARCNET令牌网络的工作原理以及网络性能。l中国北车的大连电力牵引研发中心成功建立具有冗余的机车WorldFIP网络半实物仿真平台和交流传动机车W
10、orldFIP网络半实物仿真平台l青岛四方车辆研宄所成功开发了高速动车组的列车网络控制系统的半实物仿真平台,该半实物仿真试验台包括模型管理单元、与模型管理单元通信的真实设备和模型单元P2.以太网技术及TCP/IP协议简介以太网发展简介TCP/IP 简介Part 1Part 2Part 3Part 411以太网发展简介以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术。是美国施乐(Xerox)公司的Palo Alto研宄中心于1975年研制成功的。IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网
11、技术。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环网（token ring）、FDDI和ARCNET以太网使用具有冲突检测的载波监听/碰撞检测(CSMA/CD)的介质访问机制。CSMA/CD采用:先听后发、边发边听、冲突停止、延迟重发的工作方式。 简介：字段字段长度（字节） 目的前导码（Preamble）7同步帧开始符（SFD）1标明下一个字节为目的MAC字段目的MAC地址6指明帧的接受者源MAC地址6指明帧的发送者长度（Length）2帧的数据字段的长度（长度或类型）类型（Type）2帧中数据的协议类型（长度或类型数据和填充（Data and Pad）注461500高层的数据，通常为3层协议数
12、据单元。对于TCP/IP是IP数据包帧校验序列（FCS）4对接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧Part 1Part 2Part 3Part 412TCP/IP 简介定义：定义：Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发
13、出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。TCP/IP协议最早起源于美国国防部的ARPA网项目。1983年1月1曰,在因特网的前身(ARPA网)中,TCP/IP协议取代了旧的网络控制协议(NCP,Network Control Protocol),从而成为今天的互联网的基石TCP/IP协议的参考模型与国际标准化组织(ISO)的幵放系统互连模型(OSI)不同,其共分为四层,每一层分别负责不同的通信功能TCP/IP结构对应OSITCP/IPOSI应用层应用层表示层会话层 Telnet、FTP等主机到主机层（TCP）（又称传输层）传输层T
14、CP和UDP网络层（IP）(又称互联层)网络层IP、ICMP和IGM网络接口层（又称链路层）数据链路层物理层设备驱动程序及网卡Part 1Part 2Part 3Part 413TCP/IP 简介TCP传输控制协议传输控制协议:lTCP是面向连接的运输层协议,使用TCP协议前必须先建立TCP连接,完成数据传输后必须将TCP连接释放l每一个TCP连接只能有两个端点,即每个TCP连接只能是点对点的lTCP提供可靠交付的服务,无差错、不丢失、不重复、顺序到达lTCP提供全双工通信IP传输控制协议传输控制协议:l在TCP/IP协议族中最为核心的协议是IP协议lIP协议提供不可靠、无连接的数据报传输服务
15、,就是把数据从源传送到目的地lIP协议向上层的运输层提供服务,任何可靠性要求必须由上层协议来提供P3.以太网技术及TCP/IP协议在机车车辆上的运用以太网在工业控制中的应用IEC61375-2-5 /IEC 61375-3-4 标准TCP/IP协议在机车车辆上的运用小结Part 1Part 2Part 3Part 415以太网在工业控制中的应用 随着以太网技术的不断发展和成熟,以太网凭借着开放性及高带宽等优点在工业领域中迅速推广发展,广泛用于了工业控制、自动化等领域。 当总线上的接入站点增多时,造成碰撞的概率就越大,从而使得以太网站点在传输数据时具有不可预见的延迟,造成数据传输的不确定性和延迟
16、,这就是以太网的“不确定性”。 由于以太网的“非确定性”, 即以太网的介质访问控制采用CSMA/CD协议在网络负荷增大时不能满足实时性要求。以太网的“非确定性”：l分时利用信道方法（使用时间触发TT (Time-Triggered)通信模型取代事件触发模型将使以太网的实时性得到很好的改善）l采用全双工交换式以太网技术l釆用报文优先级技术（在基本的以太网倾中的“源地址”字段和“类型”字段间插入一个标识符）l降低网络负载及提高网络传输速率以太网实时性改进方法：Part 1Part 2Part 3Part 416EC61375-2-5 /IEC 61375-3-4 标准IEC 61375-3-4 标
17、准标准: 由于以太网的“非确定性”,必须要求网络的构建及设备符合相关规范,以满足系统的实时性要求。 为了将以太网技术应用于列车网络控制系统中,国际电工委员会扩展了符合TCN体系的标准,提出了基于以太网的IEC61375-2-5 标准IEC61375-3-4 标准。 IEC 61375-2-5标准描述了基于IEEE802.3标准的以太网和TCP/IP协议构建的列车级网络一以太列车骨干网(ETB,Ethernet Train Backbone) IEC 61375-3-4标准中详细描述了:基于以太网技术的车辆级网络一以太网组成网(ECN,Ethernet Consist Network);连接在E
18、CN中的终端设备的规范;列车骨干网络(Train Backbone,即列车总线)和ECN之间的网关的服务。ECN的数据类型及网络服务的数据类型及网络服务: ECN中使用的数据类型在IEC 61375-1中定义,共5种:监测数据、过程数据、消息数据、流数据、最大努力数据。 由于ECN是基于以太网技术,当网络中数据流量过大时将影响数据传输的实时性以及网络性能。为提高网络性能,ECN将网络中的数据类型进行优先级划分,并按照优先级进行相关操作提尚网络性能。 冗余管理,ECN需要提供网络和设备的冗余功能以及冗余管理。Part 1Part 2Part 3Part 417TCP/IP协议在机车车辆上的运用
19、IP协议由主机到主机协议调用，而此协议负责调用本地网络协议将数据报传送以下一个网关或目的主机。例如TCP可以调用IP协议，在调用时传送目的地址和源地址作为参数，IP形成数据报并调用本地网络（协议）接口传送数据报。 由于IP协议只能提供尽最大努力服务,即IP协议不能提供可靠传输,而TCP的数据报必须通过下层IP协议来进行传输,为了实现TCP的面向连接、可靠的字节流传输服务,TCP必须采用适当的措施来保证通信可靠： 通信的基础是套接口(Socket)，一个套接口是通讯的一端。 Windows Sockets规范定义并记录了如何使用API与Internet协议族(IPS,通常我们指的是TCP/IP)
20、连接，尤其要指出的是所有的Windows Sockets实现都支持流套接口和数据报套接口.应用程序调用Windows Sockets的API实现相互之间的通讯。Windows Sockets又利用下层的网络通讯协议功能和操作系统调用实现实际的通讯工作。Part 1Part 2Part 3Part 418小结WindowsSockets网络通信规范定义了 Windows平台中的网络软件获取网络服务的方式,特别是利用TCP/IP协议实现通信。Windows Sockets定义了Windows平台中应用程序与TCP/IP协议栈间的访问接口,即为程序员提供了 OSI模型中应用层与运输层之间的编程接口。
21、P3.车载设备信息传递简介Part 1Part 2Part 3Part 420以太网发展简介 以CRH2为例，在CRH2动车组的车辆级网络中,终端装置通过与各个车载设备进行数据报文的交换,实现对设备的控制、设备状态的监测等功能。其中,终端装置和各个车载设备间交换的数据报文及其实现的功能如下:Part 1Part 2Part 3Part 421（1 字节） （1 字节） （1 字节） （1 字节） (字节) （2 字节） （1 字节） Flag (01111110) Address1 (00000000) Address2 (11111111) Control Information FCS(F
22、rame Cheak Sequence) Flag (01111110) 编码： Address1 2 : 00H 0FFH（双方都使用Global Address） Control : 13H（双方都只使用UI :Unnumbered Information） FCS :CRCCCITT1 Information : n字节数（n:整数） 使用以下数据种类a) 以10ms为一周期由信息控制终端发出查询SDR : 状态数据的请求（信息控制终端牵引变流器）SD : 状态数据（牵引变流器信息控制终端） b) 发生故障跟踪后插入查询中 TDR(n) : 跟踪数据的请求（信息控制终端牵引变流器） T
23、D(n ) : 跟踪数据（牵引变流器信息控制终端） n:数据组编号 1、牵引变流器：传输数据传输数据：请求(SDR)、跟踪数据请求(TDR),牵引变流器向终端装置反馈状态数据(SD)和跟踪数据(TD)目的：目的：运行指令传输，时刻的同时设定，状态数据的实时监视，跟踪数据的收集输出等 TEXT(0) TEXT(1) TEXT(38) TEXT(39) 全 40 字节长 SDR故障排除用信息（跟踪数据）请求( TDR) TEXT(0) TEXT(1) TEXT(5) 全 6 字节长 bit No 内 容 TEXT No. 7 6 5 4 3 2 1 0 逻 辑 /变 换 比 说 明 0 文 本 类
24、 别 ： 2HA21H 1 请 求 数 据 类 别 二 元 的 补 充 （ 6） 2 请 求 跟 踪 数 据 记 录 数 据 组 编 号 （ 上 位 ） HEX 3 请 求 跟 踪 数 据 记 录 数 据 组 编 号 （ 下 位 ） HEX 开 始 记 录 数 据 组 编 号 为 00H， 最 终 数 据 组 根 据 数 据 而 变 化 。 4 备 用 5 备 用 Part 1Part 2Part 3Part 422（1 字节） （1 字节） （1 字节） （1 字节） (字节) （2 字节） （1 字节） Flag (01111110) Address1 (00000000) Address
25、2 (11111111) Control Information FCS(Frame Cheak Sequence) Flag (01111110) 编码Address、 : ，0FFH(双方都使用Global Address)Control : 13H(双方都只使用UI:Unnumbered Information)FCS : CRCCCITT1Information : n字节数据(n:整数) 使用以下的数据种类 a) 以10ms为一个周期由信息控制终端查询 SDR : 状态数据和请求(信息控制终端制动控制装置) SD : 状态数据(制动控制装置信息控制终端2、制动控制装置：传输数据传输数
26、据：请求(SDR)、制动控制装置向终端装置反馈状态数据(SD)目的：目的：运行指令传输，时刻的同时设定，状态数据的实时监视，故障前后设备内运行记录的收集和传输等Part 1Part 2Part 3Part 4233、空调显示设定器：传输数据传输数据：请求(SDR)、空调显示设定器向终端装置反馈状态数据(SD)目的：目的：运行指令传输，时刻的同时设定，状态数据的实时监视等4、辅助电源装置：传输数据传输数据：请求(SDR)、辅助电源装置向终端装置反馈状态数据(SD)，跟踪数据(TD)目的：目的：实时监控数据(状态数据)的收集,故障检修所用数据(故障前后设备内的追踪数据)的收集和传输,车上试验的试验指令传输和试验结果收集,设备时刻的同步设定。Part 1Part 2Part 3Part 4245、侧面目的地显示器：传输数据传输数据：显示指令目的：目的：以控制侧面目的地显示器的目的地名、列车种类、起始站、列车号的显示6、车端指南信息显示器：传输数据传输数据：显示指令目的：目的：以实现实时短文显示、插入显示、短文交替显示、显示短文消除等。同时,车端指南信息显示器反馈显示信息的接收状态和指南信息显示器的工作状态。谢谢指导！
