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122.1
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| 編輯推薦： |
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（1）致力于研究以太网式列车通信网络的实时性问题（2）以我国CRH5型动车组为原型，建立基于交换式以太网的列车通信网络拓扑结构，深入分析了交换机的两级调度优化算法，并详细计算了列车通信网络的时延构成。（3）为列车的实时周期数据和实时非周期数据的传输提供了实时传输解决方案。
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| 內容簡介： |
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本书致力于研究基于以太网的列车通信网络的实时性问题，以我国CRH5型动车组为原型，建立基于交换式以太网的列车通信网络拓扑结构，深入分析了交换机的两级调度优化算法，并通过排队论和网络演算法详细计算了列车通信网络的时延构成，为列车的实时周期数据和实时非周期数据传输提供了实时传输解决方案，对研究基于以太网的列车通信网络的关键技术问题做出了深入阐述。本书内容具有一定的专业深度，能为研究列车通信网络的读者解决深层次的专业问题提供参考方案。同时，本书的研究内容具有一定的行业扩展性，目前以太网技术已广泛应用于互联网通信、列车通信和航空航天通信等通信领域，因此本书亦能为通信技术专业方向的多个行业的高校教师、学生、研究人员和设备商等提供技术支持。
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| 目錄：
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1 基于以太网的列车通信网络实时性概述 001
1.1 以太网在列车通信网络中的应用现状 003
1.2 列车通信网络的实时性需求分析 006
1.2.1 列车通信网络的特点 007
1.2.2 数据分类与实时性需求 008
1.3 以太网的实时性 010
1.3.1 确定性和实时性问题 010
1.3.2 实时性评价方法 014
1.4 交换式以太网的实时性研究现状 015
1.4.1 交换式以太网的特点 015
1.4.2 交换式以太网的实时性问题 016
1.4.3 交换式以太网的实时性研究现状 016
1.5 实时以太网的研究现状 021
1.5.1 实时以太网协议 021
1.5.2 时间敏感网络 022
2 基于交换式以太网的列车通信网络时延分析 023
2.1 概述 023
2.2 列车通信网络拓扑设计需求 024
2.2.1 一般列车网络控制系统的组成 025
2.2.2 列车通信网络拓扑设计需求总结 026
2.3 列车通信网络拓扑设计 027
2.3.1 以太网交换机的结构和工作原理 027
2.3.2 交换式以太网中数据帧的端到端时延构成 028
2.3.3 基于交换式以太网的列车通信网络拓扑设计 030
2.4 列车通信网络及时可靠性分析 033
2.4.1 及时可靠性模型 034
2.4.2 基于二元决策图的及时可靠性 035
2.4.3 及时可靠性的仿真测试与分析 038
2.5 列车通信网络的最大端到端时延分析 041
2.5.1 网络演算理论 042
2.5.2 FCFS 调度方式下的数据帧端到端时延 043
2.5.3 实时数据帧的最大端到端时延计算实例 045
2.5.4 实时数据帧的最大端到端时延分析 046
2.5.5 端到端时延的仿真测试与分析 048
2.6 本章小结 055
3 基于相对时延的终端设备到交换机的优化分配 056
3.1 概述 056
3.2 终端设备到交换机的分配优化问题描述 057
3.2.1 遗传算法基础 057
3.2.2 数据流的端到端相对时延 060
3.2.3 列车设备到交换机的分配模型 060
3.2.4 设备分配约束条件 060
3.2.5 基于相对时延的设备分配目标函数 061
3.2.6 目标函数的仿真测试与分析 062
3.3 基于混合交叉的遗传算法 065
3.3.1 编码方式 065
3.3.2 适应度函数 065
3.3.3 选择算子 066
3.3.4 混合交叉遗传算法设计 066
3.4 优化结果测试与分析 067
3.4.1 对标准测试函数的优化结果及分析 067
3.4.2 对列车设备分配的适应度函数优化结果分析 070
3.5 本章小结 072
4 交换机两级调度算法研究 073
4.1 概述 073
4.2 实时调度算法研究现状 074
4.2.1 实时调度算法在控制网络通信中的应用 074
4.2.2 优先级调度方法在交换机调度中的应用 076
4.3 交换机两级调度算法 077
4.3.1 一级调度——优先级-时间片调度 078
4.3.2 二级调度——最小截止期优先 079
4.4 采用网络演算计算实时数据帧的最大端到端时延 081
4.5 采用排队论计算数据的平均端到端时延 082
4.5.1 交换机数据的G/D/1 排队模型 082
4.5.2 G/D/1 排队模型中的交换机排队时延 085
4.5.3 基于G/D/1 排队模型的交换机排队时延实例计算 086
4.6 仿真测试与分析 088
4.6.1 仿真配置 088
4.6.2 仿真分析 088
4.7 本章小结 091
5 基于FQPSO 和SMT 理论的实时周期业务调度优化 093
5.1 概述 093
5.2 周期任务调度优化建模 094
5.2.1 时间触发通信机理 094
5.2.2 列车通信网络建模 097
5.2.3 任务调度约束条件 100
5.2.4 抖动与负载均衡目标 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 收缩-扩张系数与势阱长度关系 108
5.3.3 基于模糊控制的量子粒子群自适应优化算法 110
5.4 基于可调度性排序SMT的时间触发调度 114
5.4.1 可满足性模块理论 114
5.4.2 周期业务可调度性排序 115
5.5 调度表性能评估 116
5.5.1 算法流程 116
5.5.2 网络环境 118
5.5.3 算例分析 119
5.6 本章小结 122
6 实时非周期业务调度与分析优化方法 124
6.1 概述 124
6.2 实时非周期数据融合调度模型 125
6.2.1 实时非周期数据传输特征 125
6.2.2 实时非周期数据融合传输机制 126
6.2.3 动态平滑加权轮询-最小截止期优先两级调度 130
6.3 基于随机网络演算的实时非周期数据时延计算 135
6.3.1 随机网络演算理论 135
6.3.2 TCN 实时非周期数据到达与服务过程 136
6.3.3 TCN 实时非周期数据积压与时延边界计算 139
6.4 基于贝叶斯规则的实时非周期业务时延估计方法 144
6.4.1 业务端到端时延测试 144
6.4.2 数据帧延误先验与后验概率分布 145
6.4.3 基于目标置信度的端到端数据延误率估计算法 147
6.5 算例仿真与分析 149
6.5.1 随机网络演算算例分析 149
6.5.2 DSRR-EDF 调度仿真 153
6.5.3 贝叶斯时延测试方法分析 160
6.6 本章小结 162
参考文献 164
附录 专业术语中英文对照 169
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| 內容試閱：
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铁路交通长期以来一直是我国主要的交通运输方式。自从2010年我国将高速铁路作为优先发展的战略性新兴产业以来，到2010年底，我国铁路营业里程达到9.1万公里，居世界第二位，投入运营的高速铁路营业里程达到8358公里，居世界第一位。截至2023年底，全国铁路运营里程达15.9万公里，居世界第二位，高铁里程达4.5万公里，居世界第一位，占到世界高铁里程的70%左右。
我国从21世纪起进入城市轨道交通快速发展的新阶段，以五年为周期，线路规模连续翻番增长，从2016年起城市轨道交通运营里程跃居全球第一，已建成轨道交通的城市之多、线路之长位居世界前列。《中国城市轨道交通行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示，轨道交通相关产业链规模达到数千亿元，共涉及相关行业20多个。截至2023年12月，31个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团共有55个城市开通运营城市轨道交通线路306条，运营里程10165.7公里。
铁路列车高速运行，城轨车辆频繁启停，对列车安全、可靠及高效运行提出了更高要求，机车车辆的控制和诊断技术越来越先进，与此同时面向乘客的服务信息越来越丰富，这些因素使列车网络控制系统中的设备种类和数量日益增多。此外，随着技术的不断发展和用户需求的不断提高，还会有新设备需要加入列车网络控制系统中。智能列车设备具备计算和通信功能，这就要求列车通信网络承载更多的信息交换，即需要通过网络传输的列车控制、状态监视、故障诊断以及乘客信息的数据越来越多，要求列车通信网络有较高的数据传输速率。
目前，常用作列车通信网络的现场总线有WTB MVB、ARCNET、LonWorks和CAN等。其中，WTB的传输速率为1Mbps，MVB的传输速率为1.5Mbps，ARCNET在使用光纤传输时也只有2.5Mbps的传输速率，LonWorks的最大传输速率为1.25Mbps，CAN的最大传输速率为1Mbps。这些网络的传输速率已难以满足列车实时传输大数据量信息的需求。
以太网是目前应用最为广泛的局域网通信技术，因其传输速率高，已成为未来列车通信网络的主要解决方案和研究热点。传统以太网不适用于振动、高温、干扰、潮湿的列车运行环境，工业以太网的出现解决了这一问题，在产品设计上更多地考虑了材质的强度、适用性、抗干扰性、可靠性等满足工业现场环境需求的条件。
工业以太网虽然解决了运行环境的问题，但仍采用传统以太网的介质访问控制协议CSMA/CD。这种介质访问控制协议使以太网成为一种不确定性网络，实时性较差。这样的列车通信网络会导致列车网络控制系统的控制性能下降、不稳定、系统振荡，甚至引起灾难。
交换式以太网技术为解决传统以太网的不确定性问题提供了突破口，其采用全双工和微网段技术，将冲突域控制在交换机的各个端口，并通过交换机内部的队列调度机制基本保证了数据传输的确定性，也在一定程度上提高了网络的实时性。
本书分别从交换式以太网的拓扑结构设计、通信调度优化算法和端到端时延分析计算三个方面出发，研究基于以太网的列车通信网络关键技术问题，促进我国相关技术的研究和应用进程。
本书由首都经济贸易大学周洁琼独立撰写，研究过程中得到了北京交通大学王立德教授和申萍副教授、中国铁道科学研究院简捷博士、莱茵技术(上海)有限公司王涛的支持，在此特别感谢!
限于研究的时效性和作者水平，书中如有疏漏，敬请广大读者批评指正。
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