列車網絡化控制系統(tǒng)中控制與調度協(xié)同的研究.pdf

1、隨著軌道交通高速、安全、舒適、智能化需求的不斷提高，對列車控制功能的要求越來越高，系統(tǒng)結構也越來越復雜，網絡化是高速列車控制系統(tǒng)發(fā)展的必然結果，現(xiàn)代列車控制系統(tǒng)也已發(fā)展成為基于網絡的分布式列車控制系統(tǒng)。將計算機網絡技術引入列車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡潔，功能強，自動化程度高，易于實現(xiàn)分布式控制;然而網絡的引入，改變了牽引控制系統(tǒng)信息的傳遞方式，也改變了控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，會對列車控制系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性帶來影響;同時，在新結構下，為保

2、證控制的實時性、安全性、可靠性等，控制系統(tǒng)對網絡的運行性能也提出了相應的要求。因此對列車網絡化控制系統(tǒng)的實時通信調度策略及性能進行研究具有重要意義。
　　本文就列車網絡化控制系統(tǒng)，在既定網絡體系結構下，從控制和調度協(xié)同的角度，圍繞如何提高和優(yōu)化網絡性能以適應控制對網絡的要求展開研究和探討，本論文完成的主要工作及獲得的創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)以周期負載均衡為目標的實時周期數據調度優(yōu)化。在研究和分析MVB介質訪問控制方法和傳

3、輸時延的基礎上，指出傳統(tǒng)周期信息調度表構建方法存在一定的缺陷;給出了三種情況下MVB周期信息可調度的判定條件，以網絡系統(tǒng)可調度為目標，以網絡負載均衡性為優(yōu)化對象，結合MVB周期通信模型，在不改變采樣周期的情況下，提出了基于負載均衡的優(yōu)化策略，僅通過優(yōu)化各周期信息的初相來實現(xiàn)負載均衡，最后給出了基于預測域免疫遺傳算法的求解方法。新算法提高系統(tǒng)實時性可靠性的同時，解決傳統(tǒng)算法在負載較高時無法調度的情況;在相同網絡資源情況下，支持服務更多控制

4、子系統(tǒng)的數據傳輸，進而有利于系統(tǒng)控制性能的提升。
　　(2)以控制系統(tǒng)性能和帶寬資源利用率為優(yōu)化目標的調度策略。在分析網絡時延、抖動對網絡化控制系統(tǒng)性能影響的基礎上，對與控制系統(tǒng)性能直接相關的MVB實時周期數據，修正了其介質分配方式，提出基于抖動的協(xié)同設計優(yōu)化調度策略，在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，兼顧傳輸抖動對控制閉環(huán)動態(tài)性能影響的同時，使子系統(tǒng)的網絡資源占用率最低，解決了傳統(tǒng)算法為減小抖動過度占用網絡資源而導致調度失敗的問題;

5、最后給出了一種基于PBIL的EDA算法來求取相應最優(yōu)解，同時完成了收斂性分析和數值仿真實驗。
　　(3)雙層結構列車網絡協(xié)同控制系統(tǒng)(Train Networked Collaborative ControlSystem，TNCCS)的帶寬調度優(yōu)化模型。對于列車網絡化控制系統(tǒng)這類復雜結構的控制系統(tǒng)，建立了基于雙層結構的協(xié)同控制系統(tǒng)，在此基礎上分析了其系統(tǒng)性能，并提出以參考控制信號平均敏感度作為影響因子設計控制子系統(tǒng)的效用函數，進而

6、建立了以系統(tǒng)綜合控制性能最優(yōu)的帶寬資源分配調度模型。
　　(4)以綜合控制性能最優(yōu)為目標的動態(tài)調度策略。針對帶寬資源受限的列車網絡化控制系統(tǒng)，利用博弈論中的非合作博弈理論來初步探討TNCCS的網絡資源分配問題，建立了一種帶寬調度的非合作博弈模型，以期利用成熟的經濟學理論來優(yōu)化網絡帶寬調度，然后基于網絡定價機制結合以參考控制信號平均敏感度評估系統(tǒng)性能的方法，設計了兼具控制、網絡約束的多目標帶寬調度優(yōu)化方案，從而將網絡控制系統(tǒng)的網絡資

7、源分配問題轉換為非合作博弈競爭模型下的Nash均衡點求解問題。在此基礎上，采用分布式估計算法得到此框架下的納什均衡解，并進一步基于Nash均衡解提出一種自適應的帶寬預留時間片調度方法;最后建立了基于TrueTime的TNCCS仿真模型，仿真結果表明了所提方法的有效性。
　　(5)建立了滿足TNCS網絡化控制系統(tǒng)測試需求的試驗平臺。以典型標準化動車組網段配置為原型設計并完成了列車控制網絡UIC實驗平臺，其中列車控制網絡采用半實物仿真