基于以太网的CRH2动车组通信网络仿真研究

侯世良，谭献海，孙小盛

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031）

本文主要以CRH2动车组上的列车级网络ARCNET作为参考模型，在以太网环境下进行模拟和仿真CRH2动车组网络系统工作过程，开发出基于以太网的CRH2动车组网络控制仿真平台系统，以期为CRH2动车组通信网络的仿真开发提供更多的基础。

1 基于以太网的CRH2列车通信网络仿真平台设计

1.1 CRH2列车通信网络系统

CRH2动车组列车信息控制系统是以通过贯穿列车的总线来传输信息，通过对列车运行以及与车载设备动作相关的信息进行集中管理，可以有效的帮助司机和乘务员操纵列车，加强车载设备的维护保养，提升对乘客的服务质量。系统的主要部件包括：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、IC卡架、列车引导信息显示器等。

CRH2型动车组内部采用ARCNET网络标准。它是一种应用广泛的嵌入式网络技术，从网络拓扑看ARCNET是一种典型的令牌总线网络，从网络模型来看，它是一种拥有物理层和数据链路层的2层网络，但是却开放顶层接口，允许用户自行开发。

CRH2动车组通信网将整个列车微机控制系统的各层次及其各单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，实现全列车环境下的信息交换。列车网络控制系统的结构如图1。列车网络主要由终端装置和中央装置（假设均对应一列车厢）按令牌总线拓扑结构连接而成的环形回路，按图1顺序从左向右依次编号，其中1号车厢和10号车厢为头车，是中央装置，中央装置中装载有司控台装置；其余则为终端装置，每个终端装置都连接有对应的车载设备，其中3号、4号、7号以及8号车还装载有牵引设备， 8号车为列车长车，负责监控整辆列车运行状态以及相关信息的广播发送。CRH2动车网络启动时，首先自动为这10节车厢分配唯一的逻辑地址作为站号,按照ARCNET网络机制构建成拥有10个节点的逻辑环网，之后按照ARCNET网络通信规范进行司控台与车载设备、司控台与牵引设备之间以及列车长与车载设备之间信息的实时可靠的交互过程。

图1 CRH2车信息网络系统总体结构

1.2 基于以太网的CRH2列车通信网络系统仿真平台

CRH2列车通信网络系统仿真平台架构如图2。该架构中共有10台计算机通过集线器连接组成星形拓扑的网络结构，对拓扑内的计算机按图示进行编号，其中，计算机1和计算机10上装载有司控台的数据源仿真，计算机3、计算机4、计算机7、计算机8除了装载有普通的车载设备之外，还装载有牵引设备的实物或者是软件仿真，作为牵引车厢，负责收发牵引数据报文信息。

图2 基于以太网的CRH2列车通信网络系统仿真平台架构

结合ARCNET网络的通信机制，要在以太网环境下实现对CRH2动车组的纯软件仿真，首先必须要构建适合在以太网环境下传递的相关报文，即完成对ARCNET各种功能报文的仿真，这些自定义的报文按照特定的时序在网络中的交互实现了ARCNET逻辑环网的构建与维护的仿真，进而完成各个工作站之间数据信息在网路的通信，最终实现CRH2动车组网络通信仿真。

1.3 系统功能模块设计

针对CRH2动车组网络系统的工作机制，结合以太网的原理，设计了系统仿真平台功能模块，如图3。底层为CRH2网络通信仿真模块，利用以太网技术模拟仿真ARCNET网络，该模块转载在每一台计算机上；上层为HLA/RTI综合仿真模块，主要是纯软件模拟CRH2总控台、司控台以及牵引等设备的数据产生和接收处理，该模块装载于1号机器以及3、4、7、8号机器，综合仿真平台通过以太网接口与网络仿真模块进行通信；车载设备数据模型用于接收和产生相关车载数据报文，该模块装载于每一台终端装置。

上层综合仿真平台产生的数据报文信息通过以太网提供的数据发送接口传输至底层网络，底层网络按照ARCNET规范处理数据报文，通过与上层的数据转发接口把经网络处理的数据转发至目的机器进行处理，这样就完成了数据报文在网络的发送和转发机制，简单实现了基于以太网的CRH2动车组通信网络的仿真，可作为CRH2动车组网络通信的对等开发的研究基础。

2 仿真平台软件设计

网络仿真技术就是一种通过建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。以太网仿真CRH2网络通信，就是要遵循CRH2网络通信模型ARCNET网络的通信规范，实现网络通信具体的功能仿真。

依据CRH2列车网络控制系统的工作机制，要实现对CRH2动车网络的仿真，不仅要完成网络内部交互的各种请求报文，还要实现网络拓扑的构建，即实现CRH2动车网络的令牌环仿真。CRH2动车网络报文只有工作在令牌环网上，才能实现动车网络通信过程，仿真CRH2动车网络令牌环的技术流程如图4。

图3 系统仿真平台功能模块设计

（1）工作站上电启动，按照图2的方案配置各个工作站的站号(对应为逻辑地址)、端口号以及IP地址完成初始化处理，之后要启动接收处理线程和超时处理线程，然后广播发送RECON报文，待RECON报文发送完毕之后，延迟一段时间，广播发送重构令牌帧。

（2）网上其他工作站接收到RECON报文之后，复位发送和接收以及超时处理状态，主要包括：当前工作站的发送状态、接收状态、发送环网第一个令牌状态等，同时清空当前站的上一站和下一站；当工作站接收到广播的令牌重构报文，便向发送站响应一个令牌重构ACK报文，该报文中携带有当前站的逻辑地址信息。

（3）已发送重构令牌报文的工作站接收到网络上其他机器的响应报文后进行解析处理，存储各个工作站的逻辑站号。逻辑站号存储在数组M[10]中，数组的元素下标对应存放工作站的逻辑地址即M[did-1]=did。

（4）经过一段时间的报文交互即可成功构建整个网络环，然后首先发送RECON报文的工作站开始创建令牌帧，开始按照ARCNET的通信机制进行令牌传递和数据报文传输。

（5）当工作站接收到普通令牌帧，启动840 ms定时器，如果840 ms内没有重新收到令牌帧，则做退网处理，如果要重新加入网络则要开始广播发送RECON帧，见图4的超时处理线程。

通过上述过程，基本实现了以太网仿真CRH2动车网络的令牌环的构建以及环网的维护过程，并且该仿真有自己独有的特点：

（1）鉴于Windows环境下各站的启动时间不确定，且远远超出ms级，因此在令牌环构建时并没有严格遵循ARCNET环构建的规范。

（2）创建令牌时并不设置超时值，而是根据整个系统各个计算机的启动顺序来确定，最先启动的工作站创建发送令牌帧。

（3）增加了重构令牌帧和重构令牌响应帧，这2个报文主要用于获取网络上各个工作站的逻辑地址，存放在M中。

（4）当环构建成功时，可以通过M数组获取整个环上各个工作站的逻辑地址，即每个工作站均保存有整个环上的逻辑地址；通过动态维护数组M中的元素，可以方便的实现环网的动态维护，若当前站的上一站或下一站退网，则在数组M中上一站或下一站的清0，同时向下或向上按顺序在M中重新寻找上一站或下一站。

3 仿真结果分析

系统测试环境为7台装有Windows XP系统的计算机，网络环境为以太网，计算机之间通过100/10 M的集线器相连接，设备上电之后，按照图2的方式进行站号（逻辑地址）、端口号以及IP地址的分配，为了达到仿真的效果，分别对计算机按顺序编号1、2、3、5、6、10。配置完成之后，启动程序，利用专门为仿真系统平台研发设计的小型抓包监控软件对网络进行监控，测试中对监控软件某一时刻抓取的数据报文进行了解析，可以发现该报文包含有以太帧头部、ARCNET报文头及ARCNET payload部分，任选其他的报文进行解析，发现具有相同的报文结构，该结构符合设定的报文格式的定义，取得了预期的效果。

当环构建成功时，环上的计算机图标为高亮状态，不在环上的计算机图标为黑屏状态，同时由开始令牌在环上的顺序传递，新加入站或者有站退网时，对应计算机的图标有黑屏变为高亮状态或者由高亮状态变为黑屏状态。本次测试中，令牌的传递顺序：1→2，2→3，3→5，5→6，6→10，10→1，如此循环往复，实现了对CRH2动车组网络的令牌环的仿真。

以上仿真结果表明，按照设计的方案，以太网成功模拟仿真了ARCNET功能报文以及令牌环的构建与维护等功能，经过长时间的测试运行表明，本网络仿真系统在一般配置的计算机中运行占用资源少，运行流畅，整个仿真系统可以正确仿真CRH2动车组的网络通信机制，并且数据稳定可靠，与数据源相比几乎没有出现乱序、丢包的现象，与真实的列车网络比对，减小了令牌的周期，增大了网络的吞吐量，达到了设计的要求。

图4 模拟仿真CRH2动车网络通信流程图

4 结束语

以太网环境下模拟仿真CRH2动车组内部网络控制的仿真研究，利用以太网技术、网络仿真技术和面向过程的软件开发技术，实现了CRH2动车组网络内部报文的仿真、逻辑环网拓扑的构建等基本功能，成功构建了CRH2动车组纯软件虚拟仿真平台，达到了基本设计要求。下面要进一步针对实际的CRH2动车组内部网络的工作机制实现网络逻辑控制的仿真等功能，使当前仿真平台更趋于完善，为实现具有自主知识产权的CRH2型动车网络控制仿真平台提供一定的开发和研究基础，为CRH2动车的网络通信技术的国产化提供了一定的参考。

[1]中国南车株洲电力机车研究所，列车网络系统随车技师教材[Z]. 2008.

[2]王 磊，何正友. 高速列车通信网络技术特点及其应用[J].城市轨道交通研究，2008（2）：57-64.

[3]张元林. 列车控制网络技术的现状与发展趋势[J].电力机车与城轨车辆，2006，29（4）：1-4

[4]聂晓波，王立德. ARCNET网络系统实时性能分析与研究[J]. 铁道学报，2011， 33（1）：58-62.

[5]江守亮. 环形ARCNET网络系统的设计与实现[D]. 成都：西南交通大学，2010.

[6]W. Richard Stevens. TCP/IP Illustrated Volume1:The Protocols[M]. 北京：机械工业出版社，2000.

[7]彭权威. 基于OPNET的列车通信网络仿真研究[D]. 成都：西南交通大学，2010.

[8]游 胜. 网络协议仿真方法及软件实现关键技术的研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[9]左 锋. 基于ARCNET的列车控制网络的开发[D]. 北京：北京交通大学，2009.

[10]张 玮. CRH2与CRH5动车组列车信息控制网络比较[J].铁道运营技术，2010，16（4）：4-7.