列車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中控制與調(diào)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(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)化是高速列車控制系統(tǒng)發(fā)展的必然結(jié)果，現(xiàn)代列車控制系統(tǒng)也已發(fā)展成為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式列車控制系統(tǒng)。將計(jì)算機(jī)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(qiáng)，自動化程度高，易于實(shí)現(xiàn)分布式控制;然而網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)下，為保

2、證控制的實(shí)時性、安全性、可靠性等，控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能也提出了相應(yīng)的要求。因此對列車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實(shí)時通信調(diào)度策略及性能進(jìn)行研究具有重要意義。
　　本文就列車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，在既定網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下，從控制和調(diào)度協(xié)同的角度，圍繞如何提高和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能以適應(yīng)控制對網(wǎng)絡(luò)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(fù)載均衡為目標(biāo)的實(shí)時周期數(shù)據(jù)調(diào)度優(yōu)化。在研究和分析MVB介質(zhì)訪問控制方法和傳

3、輸時延的基礎(chǔ)上，指出傳統(tǒng)周期信息調(diào)度表構(gòu)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(diào)度的判定條件，以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可調(diào)度為目標(biāo)，以網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性為優(yōu)化對象，結(jié)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(fù)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(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，最后給出了基于預(yù)測域免疫遺傳算法的求解方法。新算法提高系統(tǒng)實(shí)時性可靠性的同時，解決傳統(tǒng)算法在負(fù)載較高時無法調(diào)度的情況;在相同網(wǎng)絡(luò)資源情況下，支持服務(wù)更多控制

4、子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)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(biāo)的調(diào)度策略。在分析網(wǎng)絡(luò)時延、抖動對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)性能影響的基礎(chǔ)上，對與控制系統(tǒng)性能直接相關(guān)的MVB實(shí)時周期數(shù)據(jù)，修正了其介質(zhì)分配方式，提出基于抖動的協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)資源而導(dǎo)致調(diào)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(yīng)最優(yōu)解，同時完成了收斂性分析和數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。
　　(3)雙層結(jié)構(gòu)列車網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制系統(tǒng)(Train Networked Collaborative ControlSystem，TNCCS)的帶寬調(diào)度優(yōu)化模型。對于列車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，建立了基于雙層結(jié)構(gòu)的協(xié)同控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)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(shè)計(jì)控制子系統(tǒng)的效用函數(shù)，進(jìn)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(diào)度模型。
　　(4)以綜合控制性能最優(yōu)為目標(biāo)的動態(tài)調(diào)度策略。針對帶寬資源受限的列車網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)資源分配問題，建立了一種帶寬調(diào)度的非合作博弈模型，以期利用成熟的經(jīng)濟(jì)學(xué)理論來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)度，然后基于網(wǎng)絡(luò)定價機(jī)制結(jié)合以參考控制信號平均敏感度評估系統(tǒng)性能的方法，設(shè)計(jì)了兼具控制、網(wǎng)絡(luò)約束的多目標(biāo)帶寬調(diào)度優(yōu)化方案，從而將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資

7、源分配問題轉(zhuǎn)換為非合作博弈競爭模型下的Nash均衡點(diǎn)求解問題。在此基礎(chǔ)上，采用分布式估計(jì)算法得到此框架下的納什均衡解，并進(jìn)一步基于Nash均衡解提出一種自適應(yīng)的帶寬預(yù)留時間片調(diào)度方法;最后建立了基于TrueTime的TNCCS仿真模型，仿真結(jié)果表明了所提方法的有效性。
　　(5)建立了滿足TNCS網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)測試需求的試驗(yàn)平臺。以典型標(biāo)準(zhǔn)化動車組網(wǎng)段配置為原型設(shè)計(jì)并完成了列車控制網(wǎng)絡(luò)UIC實(shí)驗(yàn)平臺，其中列車控制網(wǎng)絡(luò)采用半實(shí)物仿真