列车网络控制技术复习打印版

1、列车网络控制技术一、网络控制系统概述1.1 1.1 根本概念根本概念 广义上，被称为基广义上，被称为基于网络的控制系统，是于网络的控制系统，是一种完全网络化、分布一种完全网络化、分布化的控制系统，通过网化的控制系统，通过网络构成闭环的反响控制络构成闭环的反响控制系统。系统。 狭义上，是以网络狭义上，是以网络为根底，实现传感器、为根底，实现传感器、控制器和执行器等系统控制器和执行器等系统各部件之间的信息交换，各部件之间的信息交换，从而实现资源共享、远从而实现资源共享、远程检测与控制。程检测与控制。列车网络控制技术一、网络控制系统概述 1.1 1.1 产生和开展产生和开展 1 1集中控制模拟控制系

2、统集中控制模拟控制系统- -需求：远距离传输需求：远距离传输 2 2直接数字控制，计算机集中控制，不可靠；直接数字控制，计算机集中控制，不可靠； 3 3集散控制系统集散控制系统DCSDCS-“-“集中管理，分散控制集中管理，分散控制 结构为多级主从关系，设备通信系统必须通过主结构为多级主从关系，设备通信系统必须通过主机进行，系统容易崩溃；机进行，系统容易崩溃； 现场仪表大多采用模拟信号，可靠性差现场仪表大多采用模拟信号，可靠性差; ; 标准不统一；标准不统一； 4 4现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS，公开化、标准化，公开化、标准化，全分布式结构全分布式结构 现场总线标准种类过多，难

3、以整合；现场总线标准种类过多，难以整合； 本质平安、数据传输、可靠性存在一定瓶颈；本质平安、数据传输、可靠性存在一定瓶颈； 5 5工业以太网控制系统工业以太网控制系统FCSFCS，全开放、全，全开放、全数字、标准化，实时性，平安性，环境适用性。数字、标准化，实时性，平安性，环境适用性。列车网络控制技术一、网络控制系统概述 1.3 1.3 控制网络和信息网络的区别控制网络和信息网络的区别信息网络：指已在办公和通信等领域广为采用的、由包括信息网络：指已在办公和通信等领域广为采用的、由包括PCPC在内的各种计算机及网络连接构成的系统。在内的各种计算机及网络连接构成的系统。特点：特点：1 1瞬间数据量

4、大，支持各种数据；瞬间数据量大，支持各种数据； 2 2发生频率较低；发生频率较低； 3 3实时性没有苛刻的限制；实时性没有苛刻的限制；控制网络：控制系统向开放化、智能化与网络化开展所形控制网络：控制系统向开放化、智能化与网络化开展所形成的一种特殊网络，直接面向生产过程和控制过程，肩负成的一种特殊网络，直接面向生产过程和控制过程，肩负这工业一线测量与控制信息传输的特殊任务。这工业一线测量与控制信息传输的特殊任务。 要求实时性与确定性、高可靠性与平安性、恶劣环境要求实时性与确定性、高可靠性与平安性、恶劣环境适应性、总线供电与本质平安等特殊要求。适应性、总线供电与本质平安等特殊要求。列车网络控制技术

5、一、网络控制系统概述 1.3 1.3 控制网络和信息网络的区别控制网络和信息网络的区别 控制网络和信息网络的区别主要表达在：控制网络和信息网络的区别主要表达在： 1 1短帧信息，交换频繁；短帧信息，交换频繁； 2 2周期测量与控制与非周期信息如报警周期测量与控制与非周期信息如报警同时存在；同时存在； 3 3实时性强；实时性强； 4 4方向性强；方向性强； 5 5顺序性好；顺序性好； 6 6环境适应性强；环境适应性强； 7 7播送通信方式，信息网络：点对点播送通信方式，信息网络：点对点 8 8需解决一致性和互操作性问题信息网络：互需解决一致性和互操作性问题信息网络：互联互通问题联互通问题 区分信

6、息网络和控制网络的关键因素是看网络是否具有支持实时应用的能力！列车网络控制技术二、列车通信网络的任务与功能1实现各动力车的牵引重联控制2实现全列车动车和拖车所有由计算机控制的部件联网通信和资源共享3实现全列车的制动控制、自动门控制、轴温监测及空调控制等功能4完成全列车的自检及故障诊断决策 将分布于列车上不同位置具有不同功能的控制节点计算机控制单元以一定的规那么用通信介质连接起来，形成信息通道；在一定的计算机软、硬件的支持下，为连接于其上的节点提供稳定、可靠的通信效劳。列车网络控制技术二、国内外列车控制系统的现状与开展 20世纪70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出

7、现。开始仅仅是用于传动装置传动装置的控制。 1999年6月,TCN标准草案正式成为国际标准，即IEC61735。列车网络控制技术三、列车通信网络的构成、特点及开展趋势 列车通信网络是列车总线和车辆总线的二层结构，列车总线连接不同的车辆或动车组单元，贯穿整个列车；车辆总线连接车辆内部的控制单元或诊断单元等智能装置，车辆总线通过网关或类似的装置挂接于列车总线上。1 1、列车通信网络的结构、列车通信网络的结构列车网络控制技术(1) 实时性；(2) 协议简单性；(3) 短帧信息传送；(4) 信息交换的频繁性、网络负载的稳定性；(5) 较高的平安性、容错能力；(6) 低本钱需要。 列车通信网络是用于列车

8、这一流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性强、与控制系统紧密相关的特殊的计算机网络。2 2、对列车通信网的要求、对列车通信网的要求列车网络控制技术现代列车控制系统主要是基于网络技术的控制系统，比方Siemens的SIBAS 32铁路自动化系统、ADtranz公司(现已被Bombardier公司收购)的MITRACR列车通信和控制系统、Alstom公司的A- GATER控制系统以及日本三菱、东芝公司的 TCMS 列车控制监视系统。 近年来，随着用户对控制网络的开放性、性价比等要求的提高, 以及基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新需求的提出, IEC TCN列车通信网络，World

9、FIP， LonWorks，CAN，工业以太网以及无线网络等技术都在车载控制系统中找到了它们最适宜的应用场合, 控制网络在列车上的应用将呈现出多种技术并存、相互竞争和融合的局面。 四、列车网络技术应用现状列车网络控制技术 1、局面上 由于各种控制网络都有其优缺点,目前还没有一种控制网络能很好地满足铁路用户的所有应用需求。因此,在将来,列车网络技术标准和IE C61158工业现场总线标准一样, 将不再是仅包含一种技术的标准,而是多种网络技术的融合。列车控制网络技术今后的开展将呈以下趋： 1) 相互竞争,多种网络技术并存； 2) 相容并蓄,多种网络共存于一个系统中； 3) 异军突起,工业以太网的引

10、入将成为新的热点。五、列车网络开展趋势列车网络控制技术(1) 为改善控制性和确保可靠性，在中央装置和各终端装置已分别采用复数的32位CPU代替了早期单一的8位CPU，以平安控制为中心的列车运行监测还要不断提高其可靠性和响应性。(2) 进一步开展具有诊断功能的监测装置，其关键技术是信息传输系统传输通道、传输速度、控制方式等。由于列车的运行环境使有线和无线传输系统容易受到潜在的电磁干扰影响，如果采用光纤通讯，那么可不受电磁干扰。(3) 实现标准化和无维修化等。2 2、技术上、技术上列车网络控制技术一、一、通信系统概述通信系统概述1、根本概念、根本概念(4) 信道信道信道是传输信号的通道，由传输介质

11、及相应的附属信号信道是传输信号的通道，由传输介质及相应的附属信号设备组成。设备组成。信道可分为逻辑信道和物理信道。一条线路可以是一条信道可分为逻辑信道和物理信道。一条线路可以是一条信道一般称为物理信道，但这条线路上可以有多条逻信道一般称为物理信道，但这条线路上可以有多条逻辑信道，如一条光纤可以供上千人通话，就有上千个逻辑辑信道，如一条光纤可以供上千人通话，就有上千个逻辑信道。通常所讲的信道都是指逻辑信道。根据信道传输的信道。通常所讲的信道都是指逻辑信道。根据信道传输的信号不同，将其分为模拟信道和数字信道。信号不同，将其分为模拟信道和数字信道。(5) 带宽带宽 数据信号传送时信号的能量或功率的主

12、要局部集中的频数据信号传送时信号的能量或功率的主要局部集中的频率范围称为信号宽带。假设通信线路不失真地传送率范围称为信号宽带。假设通信线路不失真地传送2MHz或或10MHz的信号，那么该通信线路的带宽为的信号，那么该通信线路的带宽为2MHz或或10MHz。信道上能够传送信号的最大频率范围称信道的带宽，信道信道上能够传送信号的最大频率范围称信道的带宽，信道带宽大于信号带宽。带宽大于信号带宽。(6) 总线总线 总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的

13、公共连线，用于在各个部件之间的传输信息。人们常常以共连线，用于在各个部件之间的传输信息。人们常常以MHz来描述总线频率。来描述总线频率。列车网络控制技术2、通信系统的组成、通信系统的组成信息源编码调制传 输介 质解调译码接收者发 送 设 备 接 收 设 备噪 声 干 扰 将复杂网络间设备通信简化，可以得到以下的简单的单向数字通信模型数字通信模型。列车网络控制技术14 2发送设备发送设备发送设备的根本功能是将信息源和传输介质匹配起发送设备的根本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，变换来，即将信息源产生的消息信号经过编码，变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。为便

14、于传送的信号形式，送往传输介质。对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两局部。信源编码是把分为信道编码与信源编码两局部。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码那么是使连续消息变换为数字信号；而信道编码那么是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。变换方式是多种多样的，调制是最常见有效性。变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。的变换方式之一。列车网络控制技术曼彻斯特编码manchester Encoding：这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟

15、信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。在曼彻斯特编码中，时间被划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每一小段时间本身又分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值取反码，后半个时间段传送的是比特值本身。可见在一个时间段内，其中间点总有一次信号电平的变化。因此携带有信号传送的同步信息而不需另外传送同步信号。二、数据编码二、数据编码步骤：步骤：1 1采样、采样、2 2量化、量化、3 3编码编码列车网络控制技术数据编码数据编码类型：类型： 模拟数据编码模拟数据编码 ：模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的：模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0 0，1 1 状态。状态。幅度、频率、相位

16、描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟幅度、频率、相位描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。幅度键控数据编码。幅度键控ASKASKamplitude-sheft keyingamplitude-sheft keying、频移键控、频移键控FSKFSKfrequency-sheft keyingfrequency-sheft keying、相移键控、相移键控PSKPSK中中(phase-shift keying(phase-shift keying是模拟数是模拟数据编码的三种编码方法。据编码的三种编码方法。列车网络控制技术三三、信号的传输方式、信号的传输方式

17、1.串行和并行串行和并行：按每次传送的数据位数，传输方式可分为：并行传输和串行传输两种。2.异步传输和同步传输异步传输和同步传输 在串行通信中，数据是一位一位依次传输的，同步问题尤为重要，因为比特的传送和接收是通过采用定时时钟来完成的。发送方利用它的时钟来决定每个数据位的起始和结束。在接收方时钟被用来确定对信号进行采样取值的位置和间隔时间。列车网络控制技术三三、信号的传输方式、信号的传输方式基带传输：基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最根本的数据传输方式。特点：信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器，这使得系统价格低廉。它

18、可采用双绞线或同轴电缆作为传输介质，也可采用光缆作为传输介质。与宽带网相比，基带网的传输介质比较廉价，可以到达较高的数据传输速率一般为1Mbps10Mbps，但其传输距离一般不超过25km，传输距离越长，质量越低。基带网中线路工作方式只能为半双工方式或单工方式。载波传输：载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最根本的调制方式有上述的幅度键控ASK频移键控FSK相移键控PSK三种。列车网络控制技术五、过失控制技术过失的产生过失的产生 所谓过失就是在数所谓过失就是在数据通信中，接收端接据通信中，接收端接收到的数据与发送端收到的数据与发送端实际发出的数据出现实际发出的数据出现不一致的现象。过

19、失不一致的现象。过失的产生是由噪声引起的产生是由噪声引起的。根据产生原因的的。根据产生原因的不同可把噪声分为两不同可把噪声分为两类：热噪声和冲击噪类：热噪声和冲击噪声。声。四四、通信方式、通信方式列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码 (1) 奇偶校验码：奇偶校验码又称奇偶监督码，也叫垂直奇偶校验码：奇偶校验码又称奇偶监督码，也叫垂直冗余校验冗余校验VCR，Verticial Redundancy Check，是最简，是最简单、最常用和费用最低的过失检错码。其特点是构成简单，单、最常用和费用最低的过失检错码。其特点是构成简单，而且插入的冗余又低。因此，在实际通信系统中应

20、用最多。而且插入的冗余又低。因此，在实际通信系统中应用最多。奇偶校验编码只需在信息码后加一位校验位或称监督奇偶校验编码只需在信息码后加一位校验位或称监督位，使得码组中位，使得码组中“1的个数为技术或偶数即可。两种编的个数为技术或偶数即可。两种编码的原理相同，效果也相同。在这种编码中，无论信息位码的原理相同，效果也相同。在这种编码中，无论信息位有多少，监督位都只有一位。有多少，监督位都只有一位。偶校验奇校验列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码 (2) 方正校验码：方正校验码也称行列监督码或纵向冗余方正校验码：方正校验码也称行列监督码或纵向冗余校验码校验码LRC，Logn

21、itudinal Redundancy Check，它的码，它的码元受到行和列两个监督，行列监督码是二维的奇偶监督码，元受到行和列两个监督，行列监督码是二维的奇偶监督码，这种码可以克服奇偶监督码不能发现偶数个过失的缺点，这种码可以克服奇偶监督码不能发现偶数个过失的缺点，并且是一种用以纠正突发过失的简单纠错编码并且是一种用以纠正突发过失的简单纠错编码特点： 可以克服奇偶监督码不能发现偶数个过失的缺点； 常用于纠正突发性出错，但长度有限； 可使误码率降到原来的1%0.01%； 不能纠正过失数正好是4的倍数，求位置在矩形的4个角的过失。列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码

22、(3) 循环冗余校验码循环冗余校验码CRC：通信中用得最广泛的校验：通信中用得最广泛的校验码是一种漏检率很低，也便于实现的循环冗余码码是一种漏检率很低，也便于实现的循环冗余码CRC，Cyclic Redundancy Code，CRC码又称多项式码。码又称多项式码。 根本原理：根本原理：CRC检验原理实际上就是在一个检验原理实际上就是在一个k位二进制数据序列之后附加一位二进制数据序列之后附加一个个r位二进制检验码位二进制检验码(序列序列)，从而构成一个总长为，从而构成一个总长为nkr位的二进制位的二进制序列；附加在数据序列之后的这个检验码与数据序列的内容之间存在序列；附加在数据序列之后的这个检

23、验码与数据序列的内容之间存在着某种特定的关系。如果因干扰等原因使数据序列中的某一位或某些着某种特定的关系。如果因干扰等原因使数据序列中的某一位或某些位发生错误，这种特定关系就会被破坏。因此，通过检查这一关系，位发生错误，这种特定关系就会被破坏。因此，通过检查这一关系，就可以实现对数据正确性的检验。就可以实现对数据正确性的检验。列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码 (3) 循环冗余校验码循环冗余校验码CRC：通信中用得最广泛的校验：通信中用得最广泛的校验码是一种漏检率很低，也便于实现的循环冗余码码是一种漏检率很低，也便于实现的循环冗余码CRC，Cyclic Redund

24、ancy Code，CRC码又称多项式码。码又称多项式码。 任何一个n位的二进制数都可以用一个n-1次的多项式来表示： 1 二进制编码多项式的加减运算为模2加减运算，即两个码多项式相加时，对应项系数进行模2加减，所谓模2加减就是个位都不带进位，借位的按位加减。这种加减运算实际上局势逻辑上的异或运算，即加法和减法等价。212101210(x)BBnnnnBXBXXB X121221(X)(X)(X)(X)(X)(X)BBBBBB列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码 (3) 循环冗余校验码循环冗余校验码CRC 二进制码多项式的乘除法运算与普通代数多项数的乘除法运算是一样的

25、，符合同样的规律。 3 表征CRC码的多项式成为生成多项式G(x)4=122(X)/(X)Q(X)R(X)/ B (X)BBB(X)/G(X)Q(X)R(X)/G(X)rX(X)R(X)Q(X)G(X)rX B(X)R(X)Q(X)G(X)V(X)rX B列车网络控制技术CRC的工作原理列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码 (3) 循环冗余校验码循环冗余校验码CRC 1、帧检验序列FCSFrame Check Sequence：为了进行过失检验而添加的冗余码。2、多项式模2运行：实际上是按位异或(Exclusive OR)运算，即相同为0，相异为1，也就是不考虑进位、

26、借位的二进制加减运算。如：10011011 + 11001010 = 01010001。3、生成多项式generator polynomial：当进行CRC检验时，发送方与接收方需要事先约定一个除数，即生成多项式，一般记作Gx。生成多项式的最高位与最低位必须是1。常用的CRC码的生成多项式有：CRC8=X8+X5+X4+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC16=X16+X15+X5+1CRC12=X12+X11+X3+X2+1CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1每一个生成多项式都可以与一个代码相对应，

27、如CRC8对应代码：100110001。列车网络控制技术五、过失控制技术2. 过失控制编码过失控制编码 (3) 循环冗余校验码循环冗余校验码CRC 错误检测：错误检测：当接收方收到数据后，用收到的数据对当接收方收到数据后，用收到的数据对P事先约定的进行模事先约定的进行模2除法，除法，假设余数为假设余数为0，那么认为数据传输无过失；假设余数不为，那么认为数据传输无过失；假设余数不为0，那么认为数据，那么认为数据传输出现了错误，由于不知道错误发生在什么地方，因而不能进行自动纠传输出现了错误，由于不知道错误发生在什么地方，因而不能进行自动纠正，一般的做法是丢弃接收的数据。正，一般的做法是丢弃接收的数

28、据。几点说明：几点说明：CRC是一种常用的检错码，并不能用于自动纠错。是一种常用的检错码，并不能用于自动纠错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不，那么出现检测不到的过失的概率就很小很小。到的过失的概率就很小很小。仅用循环冗余检验仅用循环冗余检验CRC过失检测技术只能做到无过失接受只是非过失检测技术只能做到无过失接受只是非常近似的认为是无过失的，并不能保证可靠传输。常近似的认为是无过失的，并不能保证可靠传输。列车网络控制技术五、过失控制技术3. 过失控制方法过失控制方法 (1) 反响重发检错方法 反响重发检错方法又称自动请求重发

29、Automatic Repeater Quest，ARQ，是利用编码的方法在数据接收端检测过失。当检测出过失后，设法通知发送数据端重新发送数据，直到无过失为止，如下图。ARQ方法只使用检错码。列车网络控制技术五、过失控制技术3. 过失控制方法过失控制方法 2前向纠错方法。 前向纠错方法Forward Error Correcting，FEC中，接收数据端不仅对数据进行检测，而且当检测出过失后还能利用编码的方法自动纠正过失，如下图。FEC方法必须使用纠错码。列车网络控制技术电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段：电路交换的三个阶段：建立连接建立连接

30、通信通信释放连接释放连接列车网络控制技术2.1 2.1 报文交换报文交换在在 20 20 世纪世纪 40 40 年代，电报通信也采用了基于年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换存储转发原理的报文交换(message switching)(message switching)。 报文交换报文交换 即存储转发交换。报文那么指具有完整消息即存储转发交换。报文那么指具有完整消息含义的数据单元，交换单元。含义的数据单元，交换单元。报头中至少要包含的信息：报头中至少要包含的信息： 报文的起始标志报文的起始标志 数据的开始标志数据的开始标志 数据源节点地址数据源节点地址 数据目的节点地数据目的节点

31、地址及路由信息址及路由信息 控制信息控制信息 报文编号报文编号列车网络控制技术2.2 分组交换交换机理相同于报文交换，差异在于交换数据单元长度不同。交换机理相同于报文交换，差异在于交换数据单元长度不同。交换单元：分组。把报文一段分成假设干分组，在每个分组前交换单元：分组。把报文一段分成假设干分组，在每个分组前加分组标头进行传输。加分组标头进行传输。两种方式：两种方式：数据报：独立处理的每个分组称为数据报：独立处理的每个分组称为“数据报。数据报。虚电路：建立的一条逻辑连接。虚电路：建立的一条逻辑连接。列车网络控制技术分组交换特点分组交换的优点：分组交换的优点： 高效高效 动态分配传输带宽，对通信

32、链路是逐段占用。动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活灵活 以分组为传送单位和查找路由。以分组为传送单位和查找路由。 迅速迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。宽。 可靠可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。性。 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部里面有必不可少的控制信息也造成了一定分组必须携带的首部里面有必不可少的控制信息也造成了一定

33、的开销。的开销。 列车网络控制技术三种交换方式特点线路交换：线路交换： 在数据传送开始之前必须建立一条完整的通路；在数据传送开始之前必须建立一条完整的通路； 在线路释放之前，该通路将被一对用户完全占用在线路释放之前，该通路将被一对用户完全占用; ; 适于突发式的通信，线路利用率不高。适于突发式的通信，线路利用率不高。报文交换：报文交换： 报文从源站传送到目的地采用存储转发方式；报文从源站传送到目的地采用存储转发方式； 在传送报文时，同时只占用一段通道；在传送报文时，同时只占用一段通道； 在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，时间延迟取决于中在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，时间延迟取决

34、于中继交换局的数目；继交换局的数目； 不适用于实时通信的要求。不适用于实时通信的要求。分组交换：分组交换： 报文从源站被分成分组进行传输，并规定了最大分组长报文从源站被分成分组进行传输，并规定了最大分组长 度；度； 在数据报方式中，目的站需要重新组装报文；在数据报方式中，目的站需要重新组装报文； 可根据通信网的现状选择最正确路由，提高了通信效率和可靠性可根据通信网的现状选择最正确路由，提高了通信效率和可靠性； 分组交换技术是网络中使用最广泛的一种交换技术。分组交换技术是网络中使用最广泛的一种交换技术。列车网络控制技术什么是多路复用技术?两种四类常用的多路复用技术 频分复用 (用于模拟信号) 频

35、分复用 (电路适用) 波分复用 (光缆适用) 时分复用 (用于数字信号) 同步时分复用 统计时分复用七七、多路复用技术多路复用技术列车网络控制技术一、计算机网络与网络拓扑一、计算机网络与网络拓扑网络的拓扑结构网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。在网络拓扑结构中，星形、环形、总线形和树形较为常见。四、总线拓扑四、总线拓扑在总线型拓扑中，传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接至总线上。一个站发送数据，所有其他站都能接收。树形拓扑是总线拓扑的扩展形式，传输介质是不封闭的分支电缆。它和总线拓扑一样，一个站发送数据，其他站都能接收。特点：总线和树形拓扑的传输介质称作多点式或播送式。因为所有节点

36、共享一条传输链路，一次只允许一个站发信息，需有某种存取控制方式，确定下一个可以发送的站。信息也是按分组发送，到达目的站后，经过地址识别，将信息复制下来。列车网络控制技术36如前所述，在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD。在控制访问方式中那么常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线

37、、标记环。列车网络控制技术38一、一、CSMA/CDCSMA/CD载波监听多路访问载波监听多路访问/ /冲突检测冲突检测载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，那么可以发送。如果介质是忙的，那么等待一定间隔后重试。当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法：1不坚持CSMA。假设介质是空闲的，那么发送。假设介质是忙的，那么等待一段随机时间，重复第一步。21-坚持CSMA。假设介质是空闲的，那么发送。假设介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送。假设冲突发生，那么等待一段随机时间，重复第一步。3P-

38、坚持CSMA。假设介质是空闲的，那么以P 的概率发送，或以1-P的概率延迟一个时间单位后重复处理。该时间单位等于最大的传输延迟。假设介质是忙的，继续监听直到介质空闲，重复第一步。列车网络控制技术40二、令牌标记访问控制方式二、令牌标记访问控制方式CSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式，令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌token的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。列车网络控制技术 OSI开放系统互联参考模型共包括7层，如图2-4-1所示，第

39、17层依次为物理层Physical Layer、数据链路层(Date Link Layer)、网络层(Network Layer)、传输层(Transport Layer)、会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)和应用层(Application Layer).7个层次可以划分为低层和高层两局部，13层为低层，主要负责设备间的通信；57层为高层，主要面向信息处理；传输层是高层与低层之间的接口，负责将高层与低层连接起来。 图2-4-1 OSI参考模型列车网络控制技术 在每一层中数据包协议数据单元均由来自上一层的数据与信息头组成，因而，数据包通常在不同的

40、层中有不同的名称，如表2-4-1所示。表2-4-1 数据包在OSI各层中的名称 当不同的设备同时进行通信时，OSI参考模型中由最底层物理层最底层物理层到最高层应用层最高层应用层都形影完成不同的功能，从而完成两设备间的数据交流。下面将对OSI模型各层的功能逐一介绍。列车网络控制技术 物理层实体间的物理数据单元的传输时在两台相邻的通信设备之间进行的。通信设备分为两类，即数据终端设备DTE,Data Terminal Equipment和数据通信设备DCE,Data Communication Equipment。DTE具有根据协议控制数据通信的功能，例如，网络中连接的计算机和数据的输入、输出设备等

41、；DEC是数据通信设备，例如，调制解调器和自动呼叫应答机等。在发送数据端，并行输出的数据经过DTE和DCE后，形成串行信号序列，在传输媒介如双绞线上进行传输。在接收端进行相反的变换，实现计算机的通信。1) 1) 物理层概述物理层概述 物理层并不关心传输过程中比特流的含义，它只关心与网络的物理连接及信号的发送和接收。为了保证比特流能送达物理信道，正确传输比特流信息，并是接收方正确地接受信息，其协议规定了建立、维持和撤除物理信道的相关特性，它们分别是：机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。机械特性主要指硬件连接的接口，一般包括硬件接口的大小和形状；电气特性主要反映信号的码型结构、电压电平和电压变

42、化的规那么及信号的同步等与信号有关的功能特性；功能特性包括有关规定、目的要求、数据类型、控制方式等，主要说明接口引脚的功能和作用。以反映接口电路的功能；过程特性是在功能特性的根底上规定了接口的功能函数，传输数据的顺序等，它涉及信号的传输方式。列车网络控制技术实现位同步实现位同步。数据信号的传输数据信号的传输。接口设计接口设计。信号传输规程信号传输规程。2)物理层解决的主要问题物理层解决的主要问题3 3物理层的功能物理层的功能实现实体之间的按位传输，并保证按位传输的正确性，同时向实现实体之间的按位传输，并保证按位传输的正确性，同时向数据链路层进行一个透明的位流传输。数据链路层进行一个透明的位流传

43、输。监督比特流转换成电磁信号，并通过通信介质传输的规程。监督比特流转换成电磁信号，并通过通信介质传输的规程。在数据终端设备、数据通信和交换设备间完成对数据传输的物在数据终端设备、数据通信和交换设备间完成对数据传输的物理信道的建立、保持和撤除。理信道的建立、保持和撤除。表示层的功能表示层的功能 数据转换数据转换。 数据的格式化数据的格式化。 数据压缩数据压缩。 数据加密数据加密。列车网络控制技术图2-4-6 IEEE协会数据链路层划分为LLC子层和MAC子层 1) 1) 数据链路层概述数据链路层概述 IEEE协会将数据链路层划分为两个字层见图2-4-6：介质访问控制MAC，Media Acces

44、s Control子层和逻辑链路控制LLC，Logic Link Control子层。介质访问控制MAC：提供访问控制，负责物理寻址和对网络介质 的物理访问；逻辑链路控制LLC：提供出错纠正和数据流控制，建立和维护网 络设备间的数据链路连接。列车网络控制技术第三章 列车通信网络协议 列车通信网的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息通道，实现信息交流，从而到达列车通信网的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息通道，实现信息交流，从而到达控制的统一和资源共享资源共享的目的。 列车中所用的网络协议主要包括：TCN通信网络标准、Lonworks通信网络标准、ARCNET通信网络标准以及CAN

45、通信网络标准。这些协议或专为铁路系统设计；或者是为适用于铁路系统而改进的通用通信网络标准。列车控制网络的介质列车控制网络的介质TCN推荐：列车总线用双绞屏蔽线200以内车厢总线用双绞屏蔽线大于200米车厢总线用光纤列车网络控制技术 TCN列车通信网络于列车通信网络于1999年年6 月正式成为国际标准，即月正式成为月正式成为国际标准，即月正式成为国际标准，即国际标准，即IEC61735。该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的。该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内

46、容进行了详细的规定。细的规定。 它分为上、下两层，上层为列车总线，下层为车辆总线。它分为上、下两层，上层为列车总线，下层为车辆总线。 列车总线由各个车厢内固定安装的物理传输介质双绞线或同轴缆通过列车总线由各个车厢内固定安装的物理传输介质双绞线或同轴缆通过车厢之间的互连而构成。每个车厢内设一个通信节点，列车总线通过节点与车厢之间的互连而构成。每个车厢内设一个通信节点，列车总线通过节点与车辆总线相连。车辆总线相连。 车辆总线分别设置在各节车厢内，连接该节车厢的各个控制单元与设备。车辆总线分别设置在各节车厢内，连接该节车厢的各个控制单元与设备。 分三层结构：列车级控制、车厢级控制、设备级控制分三层结

47、构：列车级控制、车厢级控制、设备级控制列车网络控制技术开式列车开式列车闭式列车组闭式列车组车辆在运行中不别离.列车总线由司机或工厂离线配置例子: TGV, ICE, 地铁, 郊区通勤列车 .包括需要频繁编组和解编的车辆，列车总线能自动再配置初运行例子: 国际旅客列车.WG22 区分两种主要不同的列车:列车通信网的结构：列车通信网的结构：列车网络控制技术 图中给出了三节的结构，其中，车厢中从站及智能设备的数量因要求不同而有差异。 列车总线与车辆总线是两个独立的通信子网, 而且有不同的通信协议。节点就是进行协议转换的网关。 一般有动力装置的车厢动车或机车内的节点称主节点Master Node，无动

48、力装置的车厢为的节点称为从节点Slave Node。每一列车在运行中必须有一个且只能有一个控制总线工作的节点，称为控制节点。正常情况下以前导车的主节点为主控节点。主控节点管理列车总线的运行，必要的时候主控节点可以切换。 车辆总线的运作由各车厢的节点来管理。列车通信网的结构：列车通信网的结构：列车网络控制技术一、列车通信网的体系结构一、列车通信网的体系结构列车网络控制技术 TCN 列车通信网络将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：列车通信网络将列车上的智能设备连接起来，完成下述功能：列车牵引控制及车辆控制如车门、车灯等的远程控制；列车牵引控制及车辆控制如车门、车灯等的远程控制；远程诊断及维护

49、；远程诊断及维护；旅客信息及舒适性；旅客信息及舒适性； TCN包括两层结构：包括两层结构：1连接各车辆的绞线式列车总线连接各车辆的绞线式列车总线Wire Train BusWTB，列车新编组时可，列车新编组时可自动配置，通信介质为双绞线通信速率为自动配置，通信介质为双绞线通信速率为1Mbit/s；2连接一节车辆内或车辆组单元各设备的多功能车辆总线连接一节车辆内或车辆组单元各设备的多功能车辆总线Multifunction Vehicle BusMVB)，经优化具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，通信速率，经优化具有快响应性，通信介质为双绞线或光纤，通信速率为。为。 网络管理局部包括对网络的配置

50、、维护、及操作。网络管理局部包括对网络的配置、维护、及操作。一、列车通信网的体系结构一、列车通信网的体系结构列车网络控制技术一、列车通信网的体系结构一、列车通信网的体系结构列车网络控制技术 MVB总线用于连接位于同一节车辆内或不同车辆内的标准设备，构成一列车通信网。标准设备包括可编程设备和智能传感器和执行器。 MVB可以连接4096个设备，不同设备分配不同地址。其中256个站具有消息传送能力。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus列车网络控制技术MVB传输的数据有以下三类：传输的数据有以下三类：1过程数据：过程数据：定时播送的带源地址的数

51、据，定时间隔小于定时播送的带源地址的数据，定时间隔小于1ms；2消息数据：消息数据：有请求时应答，带有目的地址的点对点或播送数据；有请求时应答，带有目的地址的点对点或播送数据；3管理数据：管理数据：用于事件判决、主设备转换、设备状态发送的数据。用于事件判决、主设备转换、设备状态发送的数据。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus列车网络控制技术一 MVB物理层 MVB提供三种通信介质，工作速率相同。1标准的RS-485收发器，距离20m，最多连接32个设备；2IEC61158-2规定的变压器及电气隔离收发器，采用屏蔽双绞线，距离200m，最

52、多32个设备；3光纤，距离2000m，点对点连接或星形连接。 MVB上连接的设备都有一总线控制器，设备通过它来控制总线访问。 MVB采用曼彻斯特编码，每一数据位码元中间都有跳变，从高到低的跳变负跳变表示1，正跳变那么表示0。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus列车网络控制技术 二 MVB 帧 MVB帧是由9-bit起始位+数据+8-bit校验位+结束位构成的。 MVB有两种帧： 主控帧：总线的某个总线管理器发送的帧； 附属帧：由总线从设备发送，回应某个主控帧。 基于帧结构，MVB共有16种报文，在主控帧中以一个字码F-code来区分，如

53、表所示。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus列车网络控制技术 二二 MVB 帧帧 MVB介质访问控制采用主从方式，由唯一的主控器以定时轮询的方式发送介质访问控制采用主从方式，由唯一的主控器以定时轮询的方式发送主控帧。主控帧。 总线上其它设备均为附属设备，需要根据收到的主控帧来回送附属帧，它们总线上其它设备均为附属设备，需要根据收到的主控帧来回送附属帧，它们不能同时发送信息。不能同时发送信息。 MVB由专用主设备由专用主设备总线管理器进行管理，管理器是唯一的主设备。为增总线管理器进行管理，管理器是唯一的主设备。为增加可用性，可能有多个总线

54、管理器，它们以令牌方式传递主设备控制权。在一个加可用性，可能有多个总线管理器，它们以令牌方式传递主设备控制权。在一个给定时间，仅有一个管理器在总线上工作。对于多个偶发性响应，主设备减少发给定时间，仅有一个管理器在总线上工作。对于多个偶发性响应，主设备减少发送设备数量，直到不发生冲突。送设备数量，直到不发生冲突。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus列车网络控制技术 二二 MVB 帧帧 根据通信网上所传输数据的性质和实时性的要求，把通信网上的数据分为三类：根据通信网上所传输数据的性质和实时性的要求，把通信网上的数据分为三类： 过程数据过程数

55、据process data：是那些短而紧迫，传输时间确定和有界的数据。：是那些短而紧迫，传输时间确定和有界的数据。把列车运行的控制命令和运行状态信息定义为过程数据。过程数据的传输是周期性的。把列车运行的控制命令和运行状态信息定义为过程数据。过程数据的传输是周期性的。 消息数据消息数据message data：是那些非紧迫的但可能冗长的信息。把诊断信息、：是那些非紧迫的但可能冗长的信息。把诊断信息、显示信息和效劳功能作为消息数据来传送。它们的传送是非周期的，而且可以根据需显示信息和效劳功能作为消息数据来传送。它们的传送是非周期的，而且可以根据需要分帧传送。要分帧传送。 管理数据管理数据Super

56、visory data：是网络自身管理、维护和初始化时在通信网：是网络自身管理、维护和初始化时在通信网中传递的数据。这些数据只有在网络重构或初始化时才传递，且传递时与其他两种数中传递的数据。这些数据只有在网络重构或初始化时才传递，且传递时与其他两种数据不发生冲突。据不发生冲突。 因此在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和消息数据。因此在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和消息数据。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus列车网络控制技术二二 MVB 帧帧 列车运行时通信网上传送的过程数据和消息数据用周期传送和非周期列车运行时通信网上传送

57、的过程数据和消息数据用周期传送和非周期传送来区分。周期性和偶发性数据通信共享同一总线，但在各设备中被分别传送来区分。周期性和偶发性数据通信共享同一总线，但在各设备中被分别处理。周期性和偶发性数据发送由充当主节点的一个设备控制，这保证了确处理。周期性和偶发性数据发送由充当主节点的一个设备控制，这保证了确定性的介质访问。为此，主节点在根本周期中交替产生周期相和偶发相，如定性的介质访问。为此，主节点在根本周期中交替产生周期相和偶发相，如下图。下图。二、多功能车辆总线二、多功能车辆总线 MVBMultifunction Vehicle Bus 绞式列车总线 WTB是一种串行通信总线，主要是为车辆间建立

58、通信连接而设计的。以下图表示了绞式列车总线的组成。三、绞式列车总线三、绞式列车总线WTBWired Train Bus一 WTB物理层 WTB采用屏蔽双绞线，要求有较高的机械连接性能。使用该种介质可以到达1Mbit/s通信速率，长度为860m，对应22节26m长的UIC列车，可连接至少32个节点。 MVB采用曼彻斯特编码，每一数据位码元中间都有跳变，从高到低的跳变负跳变表示1，正跳变那么表示0。列车网络控制技术三三WTB的介质访问机制的介质访问机制 1总线主节点负责介质访问，所有其他从节点只有当总线主对其轮询总线主节点负责介质访问，所有其他从节点只有当总线主对其轮询时才响应。时才响应。 2当列

59、车网络组成改变时，每个节点都通知总线主自己所需被轮询的当列车网络组成改变时，每个节点都通知总线主自己所需被轮询的周期，总线主据此建立轮询策略。周期，总线主据此建立轮询策略。 3根本周期为根本周期为25ms，紧迫的过程数据可以请求每个周期被轮询，不，紧迫的过程数据可以请求每个周期被轮询，不紧迫的可请求按特征周期轮询，一个特征周期是根本周期的整倍数。紧迫的可请求按特征周期轮询，一个特征周期是根本周期的整倍数。 三、绞式列车总线三、绞式列车总线WTBWired Train Bus列车网络控制技术三三WTB的介质访问的介质访问 4随着车辆数的增加，周期相增长，偶发相收缩。对于偶发性数据，随着车辆数的增

60、加，周期相增长，偶发相收缩。对于偶发性数据，总线只要按顺序轮询节点，为缩短搜索时间，可通告有偶发性数据，那么总线只要按顺序轮询节点，为缩短搜索时间，可通告有偶发性数据，那么总线主在周期相后再次轮询该节点偶发数据。总线主在周期相后再次轮询该节点偶发数据。 5每个根本周期里，总线主轮询其中一个端节点；如果端节点是自身，每个根本周期里，总线主轮询其中一个端节点；如果端节点是自身，仍然轮询自己并响应，以便让所有其他节点检测总线主的存在口。仍然轮询自己并响应，以便让所有其他节点检测总线主的存在口。三、绞式列车总线三、绞式列车总线WTBWired Train Bus列车网络控制技术1一个列车内的初运行一个