列車通信網(wǎng)絡實時性理論與方法研究.pdf

1、隨著計算機通信和網(wǎng)絡控制技術(shù)、智能微機控制技術(shù)、嵌入式電子控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)以及故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代列車控制系統(tǒng)已從集中型的直接數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展成為基于網(wǎng)絡的分布式車載微機控制系統(tǒng)。列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應用多種總線技術(shù)，將分布在全列車上的計算機應用系統(tǒng)或完成特定功能的智能設備互連起來，是一種典型的實時分布式控制系統(tǒng)。列車通信網(wǎng)絡TCN(Train Communication Network)就是運用于其中進行信息交換的數(shù)據(jù)通信平

2、臺，列車通信網(wǎng)絡標準IEC61375-1則是IEC為車載數(shù)據(jù)通信而制定的一項國際標準，旨在為各種列車控制應用建立一個標準的信息通信平臺。TCN標準將列車通信網(wǎng)絡定義成兩級分層結(jié)構(gòu)，各個車輛間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡稱為絞線式列車總線WTB，同一車輛內(nèi)部或固定編組的不同車輛間各種設備之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡稱為多功能車輛總線MVB。通過TCN技術(shù)將復雜的列車控制功能下放到不同的層次，簡化了列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了真正意義上的分布式列車控制。

3、 與一般的信息通信網(wǎng)絡相比，列車通信網(wǎng)絡本質(zhì)上屬于工業(yè)控制局域網(wǎng)的范疇，也可以看作是應用于列車控制這個特定場合的現(xiàn)場總線。作為一種典型的實時分布式控制網(wǎng)絡技術(shù)，列車通信網(wǎng)絡的實時性非常重要，它直接影響著整個列車控制系統(tǒng)的性能，因此和列車通信網(wǎng)絡實時性相關(guān)的許多關(guān)鍵技術(shù)問題都值得深入研究，以便形成有關(guān)列車網(wǎng)絡實時通信調(diào)度機制、實時性能評價等方面的理論建模和分析方法，為實際應用及優(yōu)化網(wǎng)絡性能提供理論指導。 為此，本論文首先對列車通信

4、網(wǎng)絡的發(fā)展歷程及列車網(wǎng)絡技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了闡述，指出我國在列車通信網(wǎng)絡實時性理論研究方面存在的不足；然后在分析并總結(jié)一般現(xiàn)場總線實時調(diào)度理論和方法的基礎上，以MVB和WTB總線為研究對象，對列車通信網(wǎng)絡有關(guān)實時性問題的理論和方法進行了深入研究，研究結(jié)果和內(nèi)容主要概括為以下幾個方面： 在列車通信網(wǎng)絡中，實時調(diào)度過程是總線協(xié)議中最為重要的內(nèi)容之一。對于列車網(wǎng)絡總線周期信息的實時調(diào)度而言，如何對其通信過程進行系統(tǒng)的理論建模以及

5、如何構(gòu)建實時調(diào)度表是研究列車通信網(wǎng)絡實時性技術(shù)的首要關(guān)鍵問題。從分析MVB和WTB兩種總線的基本通信原理入手，對它們各自周期信息的實時通信調(diào)度機制分別進行了深入的研究。根據(jù)它們周期信息通信的特點，分別提出了相應的實時調(diào)度時間表的構(gòu)建算法；同時，對MVB和WTB周期信息實時調(diào)度算法的可調(diào)度性分析進行了研究，通過求取周期信息最長響應時間的方法，給出了實時調(diào)度有效性判定條件。最后，設計了相應程序?qū)ξ闹兴崴惴ê头椒ㄟM行了仿真實現(xiàn)，通過實例分析

6、證明了所建模型的正確性。 對于列車通信網(wǎng)絡中偶發(fā)性的非周期信息而言，其通信調(diào)度機理及其響應時間特性也在某種程度上影響著列車網(wǎng)絡的實時性。由于MVB和WTB采用了兩種完全不同的方式進行非周期信息的調(diào)度，MVB采用基于沖突的事件仲裁機制進行消息事件的查詢和發(fā)送，而WTB則采用按序輪詢的方式進行非周期信息的傳輸。為此，論文對MVB和WTB非周期信息通信時的響應時間特性進行了研究，分別提出了非周期信息最長響應時間的計算方法。論文中通過對

7、具體實例的分析，驗證了所提算法的正確性，有效地評估了極端情況下非周期信息的響應時間特性。 列車通信網(wǎng)絡性能的分析是改進和優(yōu)化網(wǎng)絡實時性能的基礎，同時也是提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡服務質(zhì)量Qos的前提和保證。為此，論文針對列車通信網(wǎng)絡的各項性能指標，提出了網(wǎng)絡實時性能參數(shù)以及其它各項網(wǎng)絡平均性能指標的計算方法，并進行了仿真分析。以MVB為例，重點利用排隊論對其實時性能指標一信息平均傳輸時延進行了建模和分析：同時，對列車通信網(wǎng)絡的利用率、傳輸效

8、率、吞吐量等平均性能的計算方法也進行了仔細研究，并通過仿真分析驗證了所建模型的正確性。仿真結(jié)果也進一步指出了影響列車通信網(wǎng)絡性能的主要因素，可以對實際應用中優(yōu)化網(wǎng)絡性能起到很好的指導作用。 通過上述對列車網(wǎng)絡通信調(diào)度機制以及網(wǎng)絡總體性能的分析和評價可以看出，現(xiàn)有MVB和WTB網(wǎng)絡實時性能的提高和優(yōu)化還值得展開進一步的研究。為此，論文以MVB為研究對象，首先對其周期信息特征輪詢周期與最多可配置邏輯端口數(shù)之間的關(guān)系進行了研究，提出了