基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化及應(yīng)用

本書致力于研究基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性問題，以我國CRH5型動(dòng)車組為原型，建立基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，深入分析了交換機(jī)的兩級(jí)調(diào)度優(yōu)化算法，并通過排隊(duì)論和網(wǎng)絡(luò)演算法詳細(xì)計(jì)算了列車通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延構(gòu)成，為列車的實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)傳輸提供了實(shí)時(shí)傳輸解決方案，對研究基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)問題做出了深入闡述。
本書內(nèi)容具有一定的專業(yè)深度，能為研究列車通信網(wǎng)絡(luò)的讀者解決深層次的專業(yè)問題提供參考方案。同時(shí)，本書的研究內(nèi)容具有一定的行業(yè)擴(kuò)展性，目前以太網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信、列車通信和航空航天通信等通信領(lǐng)域，因此本書亦能為通信技術(shù)專業(yè)方向的多個(gè)行業(yè)的高校教師、學(xué)生、研究人員和設(shè)備商等提供技術(shù)支持。

（1）致力于研究以太網(wǎng)式列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性問題 （2）以我國CRH5型動(dòng)車組為原型，建立基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，深入分析了交換機(jī)的兩級(jí)調(diào)度優(yōu)化算法，并詳細(xì)計(jì)算了列車通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延構(gòu)成。 （3）為列車的實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)的傳輸提供了實(shí)時(shí)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(yùn)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(chǎn)業(yè)以來，到2010年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)到9.1萬公里，居世界第二位，投入運(yùn)營的高速鐵路營業(yè)里程達(dá)到8358公里，居世界第一位。截至2023年底，全國鐵路運(yùn)營里程達(dá)15.9萬公里，居世界第二位，高鐵里程達(dá)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(jì)起進(jìn)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(yùn)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。《中國城市軌道交通行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，軌道交通相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模達(dá)到數(shù)千億元，共涉及相關(guān)行業(yè)20多個(gè)。截至2023年12月，31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)共有55個(gè)城市開通運(yùn)營城市軌道交通線路306條，運(yùn)營里程10165.7公里。
鐵路列車高速運(yùn)行，城軌車輛頻繁啟停，對列車安全、可靠及高效運(yùn)行提出了更高要求，機(jī)車車輛的控制和診斷技術(shù)越來越先進(jìn)，與此同時(shí)面向乘客的服務(wù)信息越來越豐富，這些因素使列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的設(shè)備種類和數(shù)量日益增多。此外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，還會(huì)有新設(shè)備需要加入列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。智能列車設(shè)備具備計(jì)算和通信功能，這就要求列車通信網(wǎng)絡(luò)承載更多的信息交換，即需要通過網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
目前，常用作列車通信網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已難以滿足列車實(shí)時(shí)傳輸大數(shù)據(jù)量信息的需求。
以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)通信技術(shù)，因其傳輸速率高，已成為未來列車通信網(wǎng)絡(luò)的主要解決方案和研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)不適用于振動(dòng)、高溫、干擾、潮濕的列車運(yùn)行環(huán)境，工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)解決了這一問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上更多地考慮了材質(zhì)的強(qiáng)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(wǎng)雖然解決了運(yùn)行環(huán)境的問題，但仍采用傳統(tǒng)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議CSMA/CD。這種介質(zhì)訪問控制協(xié)議使以太網(wǎng)成為一種不確定性網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)性較差。這樣的列車通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致列車網(wǎng)絡(luò)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(zāi)難。
交換式以太網(wǎng)技術(shù)為解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性問題提供了突破口，其采用全雙工和微網(wǎng)段技術(shù)，將沖突域控制在交換機(jī)的各個(gè)端口，并通過交換機(jī)內(nèi)部的隊(duì)列調(diào)度機(jī)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(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。
本書分別從交換式以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信調(diào)度優(yōu)化算法和端到端時(shí)延分析計(jì)算三個(gè)方面出發(fā)，研究基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)問題，促進(jìn)我國相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)程。
本書由首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)周潔瓊獨(dú)立撰寫，研究過程中得到了北京交通大學(xué)王立德教授和申萍副教授、中國鐵道科學(xué)研究院簡捷博士、萊茵技術(shù)(上海)有限公司王濤的支持，在此特別感謝!
限于研究的時(shí)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(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性概述 001
1.1 以太網(wǎng)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用現(xiàn)狀 003
1.2 列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性需求分析 006
1.2.1 列車通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 007
1.2.2 數(shù)據(jù)分類與實(shí)時(shí)性需求 008
1.3 以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性 010
1.3.1 確定性和實(shí)時(shí)性問題 010
1.3.2 實(shí)時(shí)性評價(jià)方法 014
1.4 交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性研究現(xiàn)狀 015
1.4.1 交換式以太網(wǎng)的特點(diǎn) 015
1.4.2 交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問題 016
1.4.3 交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性研究現(xiàn)狀 016
1.5 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 021
1.5.1 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議 021
1.5.2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) 022

2　基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析 023
2.1 概述 023
2.2 列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)需求 024
2.2.1 一般列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的組成 025
2.2.2 列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)需求總結(jié) 026
2.3 列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì) 027
2.3.1 以太網(wǎng)交換機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 027
2.3.2 交換式以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)幀的端到端時(shí)延構(gòu)成 028
2.3.3 基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì) 030
2.4 列車通信網(wǎng)絡(luò)及時(shí)可靠性分析 033
2.4.1 及時(shí)可靠性模型 034
2.4.2 基于二元決策圖的及時(shí)可靠性 035
2.4.3 及時(shí)可靠性的仿真測試與分析 038
2.5 列車通信網(wǎng)絡(luò)的最大端到端時(shí)延分析 041
2.5.1 網(wǎng)絡(luò)演算理論 042
2.5.2 FCFS 調(diào)度方式下的數(shù)據(jù)幀端到端時(shí)延 043
2.5.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的最大端到端時(shí)延計(jì)算實(shí)例 045
2.5.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的最大端到端時(shí)延分析 046
2.5.5 端到端時(shí)延的仿真測試與分析 048
2.6 本章小結(jié) 055

3　基于相對時(shí)延的終端設(shè)備到交換機(jī)的優(yōu)化分配 056
3.1 概述 056
3.2 終端設(shè)備到交換機(jī)的分配優(yōu)化問題描述 057
3.2.1 遺傳算法基礎(chǔ) 057
3.2.2 數(shù)據(jù)流的端到端相對時(shí)延 060
3.2.3 列車設(shè)備到交換機(jī)的分配模型 060
3.2.4 設(shè)備分配約束條件 060
3.2.5 基于相對時(shí)延的設(shè)備分配目標(biāo)函數(shù) 061
3.2.6 目標(biāo)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(yīng)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(shè)計(jì) 066
3.4 優(yōu)化結(jié)果測試與分析 067
3.4.1 對標(biāo)準(zhǔn)測試函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果及分析 067
3.4.2 對列車設(shè)備分配的適應(yīng)度函數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析 070
3.5 本章小結(jié) 072

4　交換機(jī)兩級(jí)調(diào)度算法研究 073
4.1 概述 073
4.2 實(shí)時(shí)調(diào)度算法研究現(xiàn)狀 074
4.2.1 實(shí)時(shí)調(diào)度算法在控制網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用 074
4.2.2 優(yōu)先級(jí)調(diào)度方法在交換機(jī)調(diào)度中的應(yīng)用 076
4.3 交換機(jī)兩級(jí)調(diào)度算法 077
4.3.1 一級(jí)調(diào)度——優(yōu)先級(jí)-時(shí)間片調(diào)度 078
4.3.2 二級(jí)調(diào)度——最小截止期優(yōu)先 079
4.4 采用網(wǎng)絡(luò)演算計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的最大端到端時(shí)延 081
4.5 采用排隊(duì)論計(jì)算數(shù)據(jù)的平均端到端時(shí)延 082
4.5.1 交換機(jī)數(shù)據(jù)的G/D/1 排隊(duì)模型 082
4.5.2 G/D/1 排隊(duì)模型中的交換機(jī)排隊(duì)時(shí)延 085
4.5.3 基于G/D/1 排隊(duì)模型的交換機(jī)排隊(duì)時(shí)延實(shí)例計(jì)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(jié) 091

5　基于FQPSO 和SMT 理論的實(shí)時(shí)周期業(yè)務(wù)調(diào)度優(yōu)化 093
5.1 概述 093
5.2 周期任務(wù)調(diào)度優(yōu)化建模 094
5.2.1 時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)理 094
5.2.2 列車通信網(wǎng)絡(luò)建模 097
5.2.3 任務(wù)調(diào)度約束條件 100
5.2.4 抖動(dòng)與負(fù)載均衡目標(biāo) 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(kuò)張系數(shù)與勢阱長度關(guān)系 108
5.3.3 基于模糊控制的量子粒子群自適應(yīng)優(yōu)化算法 110
5.4 基于可調(diào)度性排序SMT的時(shí)間觸發(fā)調(diào)度 114
5.4.1 可滿足性模塊理論 114
5.4.2 周期業(yè)務(wù)可調(diào)度性排序 115
5.5 調(diào)度表性能評估 116
5.5.1 算法流程 116
5.5.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 118
5.5.3 算例分析 119
5.6 本章小結(jié) 122

6　實(shí)時(shí)非周期業(yè)務(wù)調(diào)度與分析優(yōu)化方法 124
6.1 概述 124
6.2 實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)融合調(diào)度模型 125
6.2.1 實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)傳輸特征 125
6.2.2 實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)融合傳輸機(jī)制 126
6.2.3 動(dòng)態(tài)平滑加權(quán)輪詢-最小截止期優(yōu)先兩級(jí)調(diào)度 130
6.3 基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算的實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)時(shí)延計(jì)算 135
6.3.1 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論 135
6.3.2 TCN 實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)到達(dá)與服務(wù)過程 136
6.3.3 TCN 實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)積壓與時(shí)延邊界計(jì)算 139
6.4 基于貝葉斯規(guī)則的實(shí)時(shí)非周期業(yè)務(wù)時(shí)延估計(jì)方法 144
6.4.1 業(yè)務(wù)端到端時(shí)延測試 144
6.4.2 數(shù)據(jù)幀延誤先驗(yàn)與后驗(yàn)概率分布 145
6.4.3 基于目標(biāo)置信度的端到端數(shù)據(jù)延誤率估計(jì)算法 147
6.5 算例仿真與分析 149
6.5.1 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算算例分析 149
6.5.2 DSRR-EDF 調(diào)度仿真 153
6.5.3 貝葉斯時(shí)延測試方法分析 160
6.6 本章小結(jié) 162

參考文獻(xiàn) 164

附錄　專業(yè)術(shù)語中英文對照 169