基于以太網的列車通信網絡實時調度優(yōu)化及應用

本書致力于研究基于以太網的列車通信網絡的實時性問題，以我國CRH5型動車組為原型，建立基于交換式以太網的列車通信網絡拓撲結構，深入分析了交換機的兩級調度優(yōu)化算法，并通過排隊論和網絡演算法詳細計算了列車通信網絡的時延構成，為列車的實時周期數(shù)據(jù)和實時非周期數(shù)據(jù)傳輸提供了實時傳輸解決方案，對研究基于以太網的列車通信網絡的關鍵技術問題做出了深入闡述。
本書內容具有一定的專業(yè)深度，能為研究列車通信網絡的讀者解決深層次的專業(yè)問題提供參考方案。同時，本書的研究內容具有一定的行業(yè)擴展性，目前以太網技術已廣泛應用于互聯(lián)網通信、列車通信和航空航天通信等通信領域，因此本書亦能為通信技術專業(yè)方向的多個行業(yè)的高校教師、學生、研究人員和設備商等提供技術支持。

（1）致力于研究以太網式列車通信網絡的實時性問題 （2）以我國CRH5型動車組為原型，建立基于交換式以太網的列車通信網絡拓撲結構，深入分析了交換機的兩級調度優(yōu)化算法，并詳細計算了列車通信網絡的時延構成。 （3）為列車的實時周期數(shù)據(jù)和實時非周期數(shù)據(jù)的傳輸提供了實時傳輸解決方案。

鐵路交通長期以來一直是我國主要的交通運輸方式。自從2010年我國將高速鐵路作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)以來，到2010年底，我國鐵路營業(yè)里程達到9.1萬公里，居世界第二位，投入運營的高速鐵路營業(yè)里程達到8358公里，居世界第一位。截至2023年底，全國鐵路運營里程達15.9萬公里，居世界第二位，高鐵里程達4.5萬公里，居世界第一位，占到世界高鐵里程的70%左右。
我國從21世紀起進入城市軌道交通快速發(fā)展的新階段，以五年為周期，線路規(guī)模連續(xù)翻番增長，從2016年起城市軌道交通運營里程躍居全球第一，已建成軌道交通的城市之多、線路之長位居世界前列?！吨袊鞘熊壍澜煌ㄐ袠I(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》顯示，軌道交通相關產業(yè)鏈規(guī)模達到數(shù)千億元，共涉及相關行業(yè)20多個。截至2023年12月，31個省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產建設兵團共有55個城市開通運營城市軌道交通線路306條，運營里程10165.7公里。
鐵路列車高速運行，城軌車輛頻繁啟停，對列車安全、可靠及高效運行提出了更高要求，機車車輛的控制和診斷技術越來越先進，與此同時面向乘客的服務信息越來越豐富，這些因素使列車網絡控制系統(tǒng)中的設備種類和數(shù)量日益增多。此外，隨著技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，還會有新設備需要加入列車網絡控制系統(tǒng)中。智能列車設備具備計算和通信功能，這就要求列車通信網絡承載更多的信息交換，即需要通過網絡傳輸?shù)牧熊嚳刂?、狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷以及乘客信息的數(shù)據(jù)越來越多，要求列車通信網絡有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
目前，常用作列車通信網絡的現(xiàn)場總線有WTB+MVB、ARCNET、LonWorks和CAN等。其中，WTB的傳輸速率為1Mbps，MVB的傳輸速率為1.5Mbps，ARCNET在使用光纖傳輸時也只有2.5Mbps的傳輸速率，LonWorks的最大傳輸速率為1.25Mbps，CAN的最大傳輸速率為1Mbps。這些網絡的傳輸速率已難以滿足列車實時傳輸大數(shù)據(jù)量信息的需求。
以太網是目前應用最為廣泛的局域網通信技術，因其傳輸速率高，已成為未來列車通信網絡的主要解決方案和研究熱點。傳統(tǒng)以太網不適用于振動、高溫、干擾、潮濕的列車運行環(huán)境，工業(yè)以太網的出現(xiàn)解決了這一問題，在產品設計上更多地考慮了材質的強度、適用性、抗干擾性、可靠性等滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境需求的條件。
工業(yè)以太網雖然解決了運行環(huán)境的問題，但仍采用傳統(tǒng)以太網的介質訪問控制協(xié)議CSMA/CD。這種介質訪問控制協(xié)議使以太網成為一種不確定性網絡，實時性較差。這樣的列車通信網絡會導致列車網絡控制系統(tǒng)的控制性能下降、不穩(wěn)定、系統(tǒng)振蕩，甚至引起災難。
交換式以太網技術為解決傳統(tǒng)以太網的不確定性問題提供了突破口，其采用全雙工和微網段技術，將沖突域控制在交換機的各個端口，并通過交換機內部的隊列調度機制基本保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，也在一定程度上提高了網絡的實時性。
本書分別從交換式以太網的拓撲結構設計、通信調度優(yōu)化算法和端到端時延分析計算三個方面出發(fā)，研究基于以太網的列車通信網絡關鍵技術問題，促進我國相關技術的研究和應用進程。
本書由首都經濟貿易大學周潔瓊獨立撰寫，研究過程中得到了北京交通大學王立德教授和申萍副教授、中國鐵道科學研究院簡捷博士、萊茵技術(上海)有限公司王濤的支持，在此特別感謝!
限于研究的時效性和作者水平，書中如有疏漏，敬請廣大讀者批評指正。

著者

1　基于以太網的列車通信網絡實時性概述 001
1.1 以太網在列車通信網絡中的應用現(xiàn)狀 003
1.2 列車通信網絡的實時性需求分析 006
1.2.1 列車通信網絡的特點 007
1.2.2 數(shù)據(jù)分類與實時性需求 008
1.3 以太網的實時性 010
1.3.1 確定性和實時性問題 010
1.3.2 實時性評價方法 014
1.4 交換式以太網的實時性研究現(xiàn)狀 015
1.4.1 交換式以太網的特點 015
1.4.2 交換式以太網的實時性問題 016
1.4.3 交換式以太網的實時性研究現(xiàn)狀 016
1.5 實時以太網的研究現(xiàn)狀 021
1.5.1 實時以太網協(xié)議 021
1.5.2 時間敏感網絡 022

2　基于交換式以太網的列車通信網絡時延分析 023
2.1 概述 023
2.2 列車通信網絡拓撲設計需求 024
2.2.1 一般列車網絡控制系統(tǒng)的組成 025
2.2.2 列車通信網絡拓撲設計需求總結 026
2.3 列車通信網絡拓撲設計 027
2.3.1 以太網交換機的結構和工作原理 027
2.3.2 交換式以太網中數(shù)據(jù)幀的端到端時延構成 028
2.3.3 基于交換式以太網的列車通信網絡拓撲設計 030
2.4 列車通信網絡及時可靠性分析 033
2.4.1 及時可靠性模型 034
2.4.2 基于二元決策圖的及時可靠性 035
2.4.3 及時可靠性的仿真測試與分析 038
2.5 列車通信網絡的最大端到端時延分析 041
2.5.1 網絡演算理論 042
2.5.2 FCFS 調度方式下的數(shù)據(jù)幀端到端時延 043
2.5.3 實時數(shù)據(jù)幀的最大端到端時延計算實例 045
2.5.4 實時數(shù)據(jù)幀的最大端到端時延分析 046
2.5.5 端到端時延的仿真測試與分析 048
2.6 本章小結 055

3　基于相對時延的終端設備到交換機的優(yōu)化分配 056
3.1 概述 056
3.2 終端設備到交換機的分配優(yōu)化問題描述 057
3.2.1 遺傳算法基礎 057
3.2.2 數(shù)據(jù)流的端到端相對時延 060
3.2.3 列車設備到交換機的分配模型 060
3.2.4 設備分配約束條件 060
3.2.5 基于相對時延的設備分配目標函數(shù) 061
3.2.6 目標函數(shù)的仿真測試與分析 062
3.3 基于混合交叉的遺傳算法 065
3.3.1 編碼方式 065
3.3.2 適應度函數(shù) 065
3.3.3 選擇算子 066
3.3.4 混合交叉遺傳算法設計 066
3.4 優(yōu)化結果測試與分析 067
3.4.1 對標準測試函數(shù)的優(yōu)化結果及分析 067
3.4.2 對列車設備分配的適應度函數(shù)優(yōu)化結果分析 070
3.5 本章小結 072

4　交換機兩級調度算法研究 073
4.1 概述 073
4.2 實時調度算法研究現(xiàn)狀 074
4.2.1 實時調度算法在控制網絡通信中的應用 074
4.2.2 優(yōu)先級調度方法在交換機調度中的應用 076
4.3 交換機兩級調度算法 077
4.3.1 一級調度——優(yōu)先級-時間片調度 078
4.3.2 二級調度——最小截止期優(yōu)先 079
4.4 采用網絡演算計算實時數(shù)據(jù)幀的最大端到端時延 081
4.5 采用排隊論計算數(shù)據(jù)的平均端到端時延 082
4.5.1 交換機數(shù)據(jù)的G/D/1 排隊模型 082
4.5.2 G/D/1 排隊模型中的交換機排隊時延 085
4.5.3 基于G/D/1 排隊模型的交換機排隊時延實例計算 086
4.6 仿真測試與分析 088
4.6.1 仿真配置 088
4.6.2 仿真分析 088
4.7 本章小結 091

5　基于FQPSO 和SMT 理論的實時周期業(yè)務調度優(yōu)化 093
5.1 概述 093
5.2 周期任務調度優(yōu)化建模 094
5.2.1 時間觸發(fā)通信機理 094
5.2.2 列車通信網絡建模 097
5.2.3 任務調度約束條件 100
5.2.4 抖動與負載均衡目標 103
5.3 模糊控制量子粒子群算法 106
5.3.1 量子粒子群算法 107
5.3.2 收縮-擴張系數(shù)與勢阱長度關系 108
5.3.3 基于模糊控制的量子粒子群自適應優(yōu)化算法 110
5.4 基于可調度性排序SMT的時間觸發(fā)調度 114
5.4.1 可滿足性模塊理論 114
5.4.2 周期業(yè)務可調度性排序 115
5.5 調度表性能評估 116
5.5.1 算法流程 116
5.5.2 網絡環(huán)境 118
5.5.3 算例分析 119
5.6 本章小結 122

6　實時非周期業(yè)務調度與分析優(yōu)化方法 124
6.1 概述 124
6.2 實時非周期數(shù)據(jù)融合調度模型 125
6.2.1 實時非周期數(shù)據(jù)傳輸特征 125
6.2.2 實時非周期數(shù)據(jù)融合傳輸機制 126
6.2.3 動態(tài)平滑加權輪詢-最小截止期優(yōu)先兩級調度 130
6.3 基于隨機網絡演算的實時非周期數(shù)據(jù)時延計算 135
6.3.1 隨機網絡演算理論 135
6.3.2 TCN 實時非周期數(shù)據(jù)到達與服務過程 136
6.3.3 TCN 實時非周期數(shù)據(jù)積壓與時延邊界計算 139
6.4 基于貝葉斯規(guī)則的實時非周期業(yè)務時延估計方法 144
6.4.1 業(yè)務端到端時延測試 144
6.4.2 數(shù)據(jù)幀延誤先驗與后驗概率分布 145
6.4.3 基于目標置信度的端到端數(shù)據(jù)延誤率估計算法 147
6.5 算例仿真與分析 149
6.5.1 隨機網絡演算算例分析 149
6.5.2 DSRR-EDF 調度仿真 153
6.5.3 貝葉斯時延測試方法分析 160
6.6 本章小結 162

參考文獻 164

附錄　專業(yè)術語中英文對照 169