列车通信网络论文

摘要：随着科学技术水平的提高和嵌入式微机控制技术的创新发展，现代地铁列车的过程控制逐渐由传统的直接数字控制系统向着分布式控制系统发展。本文通过对基于TCN地铁列车通信网络系统的分析，从TCN层次结构、TCN网络组态以及TCN控制系统特征三个方面着手，对基于TCN的地铁列车通信网络系统展开深入研究，希望能为相关研究工作的开展提供参考。今天小编给大家找来了《列车通信网络论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

列车通信网络论文 篇1：

基于以太网的列车通信网络性能仿真研究

摘要：列车通信网络是列车通信的核心部分，它负责对整辆列车进行控制、检测，以及各种信息的采集和传送。通过对子网拓扑结构，从网络时延、网络负载以及吞吐量、链路使用率方面进行分析。研究表明，增加冗余可以满足列车以太网通信低时延、高实时性的需求，改善了吞吐量和链路使用率。

关键词：以太网；拓扑；列车

随着客运专线和高速铁路的不断发展，列车通信网络的应用需求不断提高，以太网作为一种应用最普遍的标准网络技术，具有高的通信速率，可以满足对带宽的更高要求，同时还具有价格低廉、容易扩展、通用性强等优点。因此组建采用以太网的列车通信网络非常有实际价值。但是，由于列车本身运行环境的复杂性和以太网自身不确定性的缺点阻碍了以太网在列车通信网络中的应用。本文通过构建以太网子网网络拓扑的不同模型进行仿真，分析不同的网络拓扑结构的网络时延、网络负载以及吞吐量、链路使用率。

一、列车通信网络构造

列车通信网络骨干系统主要部件包括列车信息中央装置、列车信息终端装置、列车信息显示器、车内信息显示控制装置、卡架、列车引导信息显示器等。列车从车头到车尾，各个车厢编号如表一按照从左到右的顺序，也是整个列车通信网络的控制中心，头车中设置有由控制部分和监视器部分构成的中央装置，具有列车编组整体信息管理功能和向司机台信息显示器传送数据的功能。各车厢分别设置有台终端装置，实现各车厢车载设备的控制功能和信息传送。列车通信网络装置具有三大功能控制指令传送功能动车组牵引、制动、辅助电源等设备分散布置于列车各车辆，司机操作台布置在头车，控制指令通过信息网络，实现整列车集中控制。监视器功能将列车信息显示在司机台的显示器上，使乘务员了解列车运行状态。车载检测功能使列车检测自动化，实时检测记录列车设备状态，及时切除故障设备，避免故障扩大，记录的状态数据还可作为维修依据，减轻维护保养工作。

二、基于以太网子网网络拓扑结构的列车通信

1、TCP/IP协议列车通信网络采用TCP/IP协议[1]，该协议使用四层网络，其中底层的网络访问层包括物理层和数据链路层，而数据链路层又包括了逻辑链路控制子层以及介质访问控制子层。应用层：为lnternet操作、文件传输、网络排错以及远程控制提供了所需的应用程序，同时还支持应用编程接口，使得网络能够被某一操作系统编写的程序所访问。

传输层：提供流量控制、确认服务和错误控制，充当网络应用程序的接口。

网际层：提供独立于硬件的逻辑寻址，从而让数据能够在具有不同物理结构的子网之间传递。提供路由功能降低流量，支持网间的数据传递。实现物理地址与逻辑地址的转换。

网络访问层：提供与物理网络连接的接口。针对传输介质设置数据的格式，根据硬件的物理地址实现数据的寻址，对数据物理网络中的传递提供错误控制。

2、子网网络结构拓扑图，基于以太网的交换技术组网，交换机成为通信网络的中间桥梁，交换机与所有终端设备直接连接[1]，由于终端设备过多或交换机过多，利用子网将路由器以及各个终端设备放在不同的子网中进行信息传输。当以太网的交换技术以子网的形式在列车通信网络中应用时，为了比较不同数量的冗余，将所用到的子网网络拓扑结构分为直线形拓扑结构、环形拓扑结构以及双冗余环形拓扑结构三种，子网内部主要采用了三层结构：网络模型、节点模型、进程模型，在子网中采用了四个子网结合的三种拓扑结构图，分别创建了三种不同的网络场景，采用带宽10M以太网传输。

三、网络传输性能仿真结果

仿真实验中，首先验证所构建的子网网络拓扑结构仿真模型是否具有可行性，即是否能够查看网络时延、网络负载、数据吞吐量等，以及是否能够完成总体数据的发送和接收等相关的基础研究。仿真中三种不同的子网网络结构按照要求，一共设置了三个仿真场景，其中仿真时间设定为1h。以太网网络时延、网络负载和点对点吞吐量、链路使用率仿真结果其中，浅色代表直线形拓扑结构，略深色代表环形拓扑结构，深色代表双冗余环形拓扑结构。

列车通信网络的网络时延性能分析：在三种不同的子网网络拓扑结构进行仿真时，直线形拓扑结构的以太网网络延时最小，只有0.0275s左右；双冗余环形拓扑结构的以太网网络延时适中，在0.0325s左右；环形拓扑结构的以太网网络延时在三者之中达到最大，在0.0375s左右，这三种以太网子网网络拓扑结构在网络实时性方面都能满足列车的实时性要求，即延时小于0.04s。

列车通信网络的网络负载性能分析：在使用这三种不同的冗余拓扑结构的以太网时，网络负载都较为相似，其大小在4000bit/s左右。相比之下直线形拓扑结构负载更大一些，而双冗余环形拓扑结构负载更小一些。

列车通信网络的点对点吞吐量性能分析：在三种不同的子网网络拓扑结构进行仿真时，双冗余环形拓扑结构的以太网点对点吞吐量最小，只有7000bit/s左右；直线形拓扑结构的以太网点对点吞吐量适中，在10000bit/s左右；环形拓扑结构的以太网点对点吞吐量最大，达到11000bit/s左右。

列车通信网络的链路使用率性能分析：在三种不同的子網网络拓扑结构进行仿真时，双冗余环形拓扑结构的以太网链路使用率最小，只有0.075s左右；直线形拓扑结构的以太网链路使用率适中，在0.1s左右；环形拓扑结构的以太网链路使用率最大，达到0.125s左右，如图。

从图可以分析出：这三种不同的网络拓扑结构中链路使用率大大低于25%的标准；此时，通信网络几乎不会发生数据报文的碰撞，能够保证网络中各种数据可靠、实时地传输[2]。

通过分析三组仿真可以发现，三种以太网子网网络拓扑结构虽然都能进行数据的发送和接收，而以太网子网直线形拓扑结构虽然时延较低，但负载较高，而列车以太网的通信网络需要低负载，显而易见，子网直线形拓扑结构是不能满足列车以太网通信网络性能要求的。以太网子网双冗余环形拓扑结构时延适中，相较于其他拓扑结构而言负载更小，而列车以太网中的通信需要低时延、低负载以及低网络利用率，可见子网双冗余环形拓扑结构能够满足列车以太网通信网络性能要求。

参考文献：

[1]丁超义，苗剑，贺德强.基于网络的双向S7通信仿真[M].广西大学学报出版社，2014.

[2]苗剑，贺德强，丁超义. 基于工业以太网的列车通信网络及其仿真[J]. 计算机测量与控制，2012，（ 18 ） 20.

[3]王周海，金谋平，范娟. 复杂大网络的仿真与优化设计[J]. 现代电子， 2012，（ 1） 17.

（作者单位：中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心）

作者：马宏宇

列车通信网络论文 篇2：

浅析基于TCN的地铁列车通信网络系统

摘 要：随着科学技术水平的提高和嵌入式微机控制技术的创新发展，现代地铁列车的过程控制逐渐由传统的直接数字控制系统向着分布式控制系统发展。本文通过对基于TCN地铁列车通信网络系统的分析，从TCN层次结构、TCN网络组态以及TCN控制系统特征三个方面着手，对基于TCN的地铁列车通信网络系统展开深入研究，希望能为相关研究工作的开展提供参考。

关键词：TCN；地铁列车；通信网络系统；分布式控制系统

一、基于TCN的地铁列车通信网络系统概述

列车控制系统、检测系统以及故障诊断系统是当前组成地铁列车车载危机的主要技术手段，在保证地铁列车稳定运行以及服务水平提升方面发挥着重要作用。网络系统是地铁列车故障诊断与运行控制的核心部分，主要具有冗余功能、安全回路、故障诊断以及数据收集等一系列功能。基于TCN的地铁列车通信网络系统采用的是TCN网络结构，是由列车总线WTB系统以及车辆总线MVB系统两个部分共同组成，并且列车总线WTB与车辆总线MVB均为两路冗余，同时分为4个MVB网段（即：对应四个牵引单元），牵引单元之间主要是借助TCN网关的WTB总线实现连接。除此之外，在整个地铁列车通信网络系统中，网络系统还涉及到列车中央控制单元CCU、列车牵引控制单元TCU、列车制动控制单元BCU、列车辅助控制单元ACU等等，而列車人机接口HMI、分布式输入输出模块以及紧凑式输入输出模块等等，在地铁列车通信网络系统中也发挥着重要作用。

二、基于TCN地铁列车通信网络系统结构

（一）TCN层次结构

列车控制与诊断信息数据通信网络简称为列车通信网，即TCN（Train Communication Network），基于TCN的地铁列车通信网络系统可以将地铁列车内部整体微机控制系统中各个层级和各个单元进行紧密联系，并将其作为实现第地铁列车通信网络系统中信息交换与共享的主要渠道。从某种程度上讲，基于TCN的地铁列车通信网络系统，促进了列车整体网络环境下的信息交换，地铁列车通信网络系统的广泛应用，在很大程度上使得地铁列车控制系统向着分布式控制系统进行发展和优化，同时为地铁列车通信网络系统信息化水平的提升奠定良好的基础。

国内的通信网络系统以及车载网络技术是在现场总线网络技术不断的背景下逐渐发展而来，车载网络主要被分为两级总线的层次结构，也可以将其理解为用于连接列车内部各个节点动态编组的绞线式列车总线WTB，另一种形式主要是用于连接不同车辆以及固定列车内部编组车辆单元的多功能车辆总线，简称为MVB。列车总线之间所涉及的列车总线节点在整个网络系统中承担着网关的作用，MVB网络总线凭借自身较强的易用性特点以及较低的要求，在网络系统中得以广泛应用。

一般情况下，基于TCN的地铁列车总线与车厢总线属于两个完全独立的通信子网，这两个独立存在的通信子网可以采用不同的网络与协议，所以在地铁列车通信网络系统建立过程中，外来保证网络系统的功能性与可靠性，需要考虑到以下几方面的内容：第一，地铁列车总线可以对列车总线中的各个节点进行命名以及确定基本方位，这种情况下往往会涉及到复杂程度相对较高的硬件以及初始化过程，而然这些对于地铁列车内部相关设备固定的车厢总线而言无疑是多余的；第二，一般情况下，地铁列车车厢总线网络在定时方面的要求要远远高于列车总线对于定时的要求，地铁列车车厢总线网络中的响应时间比列车总线网络的响应事件要快出10倍以上。

（二）TCN网络组态

在分析研究TCN网络组态相关问题时，应该从列车的三种构成方式这一角度出发，关于列车构成方式的定义具体如下：第一，开式列车。这种列车主要是由一组车辆构成，同时开式列车的组成在列车的正常运行过程中可以进行相应的调整，典型的开式列车有国际铁路联盟列车（UIC）；第二，封闭式列车。这种类型的列车主要是由一组车辆构成，但是在列车正常运行过程中不支持组成变化，也是地铁列车的基础构成方式；第三，多单元列车。主要是由多个封闭式列车单元共同构成，在列车运行过程中其单元数量可以改变。而TCN在地铁列车中的组态可以呈现出多种形式。比如：在由多个封闭式列车组成的多元列车中，可以使用WIB作为基本的地铁列车总线，如果使用其他方式组态，还可以用MVB总线进行代替。

（三）TCN控制系统特征

基于TCN的地铁列车通信网络系统在实现地铁列车通信信息共享方面起到重要作用，同时在强化网络系统控制功能方面也发挥着积极的作用，TCN控制系统在这一环节中的作用显而易见。TCN控制系统的应用特征主要体现在以下几个方面：第一，分布性特征。地铁列车控制系统属于集中控制系统中的一种，其自身具有的分布式特点还具有一定的共性特征。比如：软件与硬件结构上的模块性、运行方式上的自治性、系统功能方面的并行性以及系统构成上的透明性等；第二，实时性特征。地铁列车控制系统属于实时系统，其实时性特征主要体现在在线实时响应方面，同时系统还可以对处于运行状态的设备进行实时监测，保证设备运行的安全性与稳定性。[1]

三、结语

综上所述，基于TCN的地铁列车通信网络系统的建设涉及到多个方面的内容，借助多种总线技术将分布在地铁列车各个位置且具有特定功能的计算机进行紧密联系，在实现通信资源共享、列车分散监控、集中管理与操作以及协同工作等方面发挥着不可忽视的重要作用。基于TCN的列车网络控制系统是在计算机网络的基础上发展而来，将计算机技术、控制技术以及网络通信技术有机结合，从而为地铁列车的稳定运行提供保障。

参考文献：

[1]陈文翔.基于TCN的CRH3型高速列车控制系统半实物仿真平台设计[D].浙江大学，2012.

作者：艾子洋 尚磊

列车通信网络论文 篇3：

列车通信网络系统形式化建模与验证方法研究

摘要：随着现场总线技术、计算机网络通信技术、嵌入式系统控制技术以及故障诊断技术的高速发展，当前列车控制系统已经实现了从孤立的数字控制系统向基于网络的分布式控制系统的转变。在现下我国高速铁路迅猛发展的浪潮下，列车通信网络系统的自主研发、设备制造以及维护运营等课题引起了各大高校和研究机构的高度重视。然而，在列车客运业硕果累累的同时，其诸多问题在系统设计过程中变得日渐凸显。本文对基于形式化方法和模拟方法的列车系统建模及验证的相关研究进行了重点探讨。

关键词：列车通信网络；形式化建模；静态属性分析；形式化验证；模拟验证

我国幅员辽阔、人员众多的基本国情决定了构建安全可靠、经济环保以及实用快捷的高速列车的重要意义。随着二十一世纪初叶我国第一条高速铁路京津城际高铁的正式通车运营，我国从此迈入了高速列车时代。根据《中国铁路中长期规划》，二零二零年我国将建设二百公里时速以上的高速铁路长达约两万公里，以便满足人民群众日益增长的出行需要。随着列车通信网络的逐渐发展和创新升级，其取得了不菲的成就，然而在自主研发、设备制造以及维护运营等相关问题上尚未有切实可行的方案。但是我国铁路尚还处于起步阶段，迫切需要高速列车关键技术的技术支持。

一、列车通信网络系统的形式化建模概述

（一）UML

UML是Unified Modeling Language的英文缩写，又称为统一建模语言。UML是二十世纪末期由对象管理组织发布的一种建模语言，其具备定义良好、功能强大以及使用便捷等诸多优点，因而在业界得到了广泛使用[1]。UML支持对软件密集系统的可视化建模，并且具有面向对象语言的特征，即其理念是“让语言适应问题，而不是要问题适应语言”，它能够让开发人员关注与系统的模型和结构，而不是系统实现的具体细节，适用于数据建模、业务建模、对象建模以及组件建模等。

（二）Petri网

Petri网是德国科学家Carl Adam Petri博士于二十世纪中叶在其博士论文《Kommunikationmit Automaten》中首次提出的，然后经过了长达40余年的发展和完善，逐步形成的一種完整、系统的通用建模语言[2]。Petri网不仅可以勾勒系统的结构，还能描述系统的动态行为，当前其在计算机科学与技术、自动化科学技术、机械设计与制造、工业过程控制以及经济学等领域都得到了普及应用。Petri网是一种基于图形的数学建模语言，其既可以通过图形界面模拟系统的行为特征，又能够结合线性代数、矩阵论等相关数学理论对系统的性质进行有效的分析，Petri网的分类如图1所示。

Petri網理论经过业界多年的实践与完善，目前已经形成多层次、多分支的理论结构，从其外延上可以分为基本Petri网、有色Petri网、增广Petri网以及含时间因素的Petri网等，其中有色Petri网、增广Petri网以及含时间因素的Petri网均可以称作高级Petri网。高级Petri网是对基本Petri网的扩展和抽象，其能够做到对网中的托肯进行分类、解析和运算，减少网系统中国的基本元素，以便实现缩小网系统规模的目标[3]。高级Petri网的主要优势是当其对复杂的系统进行建模时，所建立的模型将更为简单、清晰以及直观。

（三）时间自动机

时间自动机是一种用于实时系统建模和验证的理论，其以基本有限自动机的为基础，并加入了实时变量建模时钟集合，时钟变量的限制用于控制自动机的行为，相关研究机构在其理论技术上开发了时间自动机属性验证工具，比如UPPAAL以及Kronos等，实现了自动化验证过程的高效执行。

二、列车通信网络系统的形式化验证方法

形式化验证过程如图2所示，较其他验证方法，其具备四大优势：第一，验证情况蕴含所有的激励空间，验证过程和理论是完整的；第二，验证结果的正确性以数学理论为保障，与系统的激励情况无关；第三，验证结果不需要建立参考模型，生成期望的输出序列；第四，当验证发现错误时，可以生成简单易懂的错误调试信息[4]。当前，形式化验证方法主要包括定理证明、模型检查以及等价性检查。

（一）定理证明

定理证明（Theorem Proving）的目标是借助公理和推理规则等形式化逻辑证明设计的正确性。在理论证明系统中，通过逻辑架构对设计进行描述，并用引理对一系列性质进行描述，引理需要通过一些推理规则证明正确性。一级逻辑和高级逻辑能够准确无误地实现系统信息的表达，进而有效规避了自然语言描述系统带来的不准确的风险。

定理证明系统可以处理复杂的逻辑运算，定理证明过程以公理、推理规则、中间引理以及派生定义为依托，一般而言，往往需要具有专业素养过硬的人员进行推理路线的选定，进而交互式的完成证明过程。

（二）模型检查

上世纪末期E.M.Clarke等提出了基于师太逻辑和有限状态转移图的模型检查方法之后，模型检查方法因为较定理证明方法具有更高的自动化程度的优势，而在世界上各个研究机构和实验室得到深入研究和普及应用，以后经过了许多年的实践和完善。模型检查方法以时态逻辑为基本思想，描述程序或电路的时序性质，使用Kripke结构表示程序或电路的行为和结构，通过Kripke结构验证其是否满足时态逻辑公式。

结语

综上所述，我国幅员辽阔、人员众多的基本国情决定了构建安全可靠、经济环保以及实用快捷的高速列车的重要意义。尽管高速列车网络系统仍存在一些问题，但是随着高速列车网络系统形式化建模和验证方法的实践和不断完善，我国的高速列车客运业到一定可以实现更为良好的发展。

参考文献：

[1] 孙立宏，洪一.？？基于VMM统一验证平台的处理器芯片功能验证[J]. 火控雷达技术. 2010（01）

[2] 陈江，陈建国，陆慧娟，王康健.？？UML时间顺序图的实时系统建模及验证[J]. 中国计量学院学报. 2010（01）

[3] 傅游，花嵘，田银花.？？基于带抑制弧的Petri网的min-min算法模型研究[J]. 计算机应用研究. 2010（01）

朱小艳，1985年10月28日出生，性别女，民族汉，籍贯安徽池州，单位中车南京浦镇车辆有限公司，邮编210032，职称助理工程师，学历硕士，研究方向列车通信网络

作者：朱小艳 廉雪莹 赵云婷