列車控制網(wǎng)絡(luò)實時性能分析及調(diào)度策略研究.pdf

1、隨著嵌入式技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代列車控制系統(tǒng)已從集中式的直接數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展成為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式列車控制系統(tǒng)。將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入列車控制系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,功能強自動化程度高,但由于網(wǎng)絡(luò)通信的延遲以及其不確定性,可能會對列車控制系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性帶來影響。因此對列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時通信調(diào)度策略及性能進行研究具有重要意義。列車控制網(wǎng)絡(luò)種類較多,按照實時調(diào)度原理分類,可將其分為時間驅(qū)動式,令牌式和優(yōu)先級驅(qū)動式。本文在對幾種

2、典型列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).時間驅(qū)動式MVB網(wǎng)絡(luò),令牌式ARCNET網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)先級驅(qū)動式CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上,對控制網(wǎng)絡(luò)實時通信調(diào)度策略及性能展開研究,所完成的主要工作及獲得的創(chuàng)新性成果如下:
　　 1.建立實時通信模型,對時間驅(qū)動式,令牌式,優(yōu)先級驅(qū)動式列車控制網(wǎng)絡(luò)的通信原理進行分析,并建立層次化仿真模型。
　　 2.在對不同列車控制網(wǎng)絡(luò)實時調(diào)度原理分析的基礎(chǔ)上,指出可在數(shù)據(jù)鏈路層之上添加實時調(diào)度層對網(wǎng)絡(luò)通信進行控制。并

3、給出兩種帶寬分配策略:帶寬預(yù)留模式和帶寬不預(yù)留模式的帶寬分配策略。帶寬不預(yù)留模式中可采用通用典型實時調(diào)度算法對控制網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)度,在帶寬預(yù)留模式中,采用本文提出的實時通信方法進行信息調(diào)度。
　　 3.對周期信息調(diào)度表規(guī)模進行研究。在典型周期信息調(diào)度表算法中,采用最小公倍數(shù)/最大公約數(shù)法確定調(diào)度表的宏周期和基本周期,當(dāng)信息周期較長且互為質(zhì)數(shù)時,調(diào)度表規(guī)模將非常龐大,針對此問題,本文研究減小調(diào)度表規(guī)模的約束條件,并給出新的建立周期信息

4、調(diào)度表的方法。
　　 4.在對靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度特性研究的基礎(chǔ)上,給出定時調(diào)度算法,可以滿足調(diào)度的靈活性,同時相比較動態(tài)調(diào)度減小了運行開銷。在列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,主要包含兩類信息,周期信息和非周期信息。周期信息實時性要求較強,如控制命令和控制決策需要的設(shè)備狀態(tài)信息等,可采用靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度兩種方式進行通信調(diào)度,靜態(tài)調(diào)度方式對周期信息通過離線建立實時調(diào)度表進行通信,這樣每條信息的時限可得到滿足,但調(diào)度靈活性較差,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中信息量或

5、信息參數(shù)改變時,需要重新離線建立調(diào)度表。動態(tài)調(diào)度在信息量變化或信息參數(shù)改變時,可以及時的更改調(diào)度表,但是其運行開銷增大,調(diào)度器需要實時檢測信息集合的改變。因此本文提出定時調(diào)度方法,定時在非周期相內(nèi)對系統(tǒng)狀態(tài)進行查詢,更新調(diào)度表,可以在滿足調(diào)度靈活性的同時減小運行開銷。
　　 5.典型事件搜索仲裁算法在并發(fā)事件數(shù)較多時,仲裁延遲將大大增加。論文給出基于事件搜索的非周期信息仲裁優(yōu)化算法。通過對非周期信息的研究發(fā)現(xiàn)其在傳輸層會將長的非

6、周期消息數(shù)據(jù)分解成便于傳送的固定長度的包,設(shè)備在傳輸消息數(shù)據(jù)時可能會連續(xù)發(fā)送。優(yōu)化算法通過對搜索事件的記憶減小事件搜索次數(shù),從而減小事件平均仲裁延遲。
　　 6.建立不同列車控制網(wǎng)絡(luò)通信延遲的數(shù)學(xué)模型,對列車控制網(wǎng)絡(luò)實時性能進行研究。分別從周期通信量和非周期信息到達率對實時性能的影響進行分析。對本文提出的定時調(diào)度算法的運行開銷建立數(shù)學(xué)模型,進行定量分析。當(dāng)周期通信量增加時,相應(yīng)非周期帶寬減少,文中給出不同類型報文增加時,允許并發(fā)

7、事件數(shù)的變化曲線。在非周期帶寬一定時,非周期信息到達速率不同的情況下,平均仲裁延遲不同。文中給出平均仲裁延遲和到達速率以及并發(fā)事件數(shù)的關(guān)系。
　　 7.列車制動控制系統(tǒng)對實時性的要求很高。為了對本文給出的列車控制網(wǎng)絡(luò)實時調(diào)度及其優(yōu)化算法進行驗證,在對列車制動控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,建立列車制動控制網(wǎng)絡(luò)實時性能測試平臺。開發(fā)電子制動控制模擬單元,MVB通信模塊,ARCNET通信模塊和CAN通信模塊。搭建基于CAN網(wǎng)絡(luò)的制動控制內(nèi)部子