列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性理論與方法研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)通信和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、智能微機(jī)控制技術(shù)、嵌入式電子控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)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(luò)的分布式車載微機(jī)控制系統(tǒng)。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用多種總線技術(shù)，將分布在全列車上的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)或完成特定功能的智能設(shè)備互連起來(lái)，是一種典型的實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)。列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN(Train Communication Network)就是運(yùn)用于其中進(jìn)行信息交換的數(shù)據(jù)通信平

2、臺(tái)，列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1則是IEC為車載數(shù)據(jù)通信而制定的一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，旨在為各種列車控制應(yīng)用建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信息通信平臺(tái)。TCN標(biāo)準(zhǔn)將列車通信網(wǎng)絡(luò)定義成兩級(jí)分層結(jié)構(gòu)，各個(gè)車輛間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)稱為多功能車輛總線MVB。通過(guò)TCN技術(shù)將復(fù)雜的列車控制功能下放到不同的層次，簡(jiǎn)化了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)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(luò)相比，列車通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于列車控制這個(gè)特定場(chǎng)合的現(xiàn)場(chǎng)總線。作為一種典型的實(shí)時(shí)分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性非常重要，它直接影響著整個(gè)列車控制系統(tǒng)的性能，因此和列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性相關(guān)的許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題都值得深入研究，以便形成有關(guān)列車網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信調(diào)度機(jī)制、實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)等方面的理論建模和分析方法，為實(shí)際應(yīng)用及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能提供理論指導(dǎo)。 為此，本論文首先對(duì)列車通信

4、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程及列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，指出我國(guó)在列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(chǎng)總線實(shí)時(shí)調(diào)度理論和方法的基礎(chǔ)上，以MVB和WTB總線為研究對(duì)象，對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)有關(guān)實(shí)時(shí)性問(wèn)題的理論和方法進(jìn)行了深入研究，研究結(jié)果和內(nèi)容主要概括為以下幾個(gè)方面： 在列車通信網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程是總線協(xié)議中最為重要的內(nèi)容之一。對(duì)于列車網(wǎng)絡(luò)總線周期信息的實(shí)時(shí)調(diào)度而言，如何對(duì)其通信過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的理論建模以及

5、如何構(gòu)建實(shí)時(shí)調(diào)度表是研究列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性技術(shù)的首要關(guān)鍵問(wèn)題。從分析MVB和WTB兩種總線的基本通信原理入手，對(duì)它們各自周期信息的實(shí)時(shí)通信調(diào)度機(jī)制分別進(jìn)行了深入的研究。根據(jù)它們周期信息通信的特點(diǎn)，分別提出了相應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)間表的構(gòu)建算法；同時(shí)，對(duì)MVB和WTB周期信息實(shí)時(shí)調(diào)度算法的可調(diào)度性分析進(jìn)行了研究，通過(guò)求取周期信息最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的方法，給出了實(shí)時(shí)調(diào)度有效性判定條件。最后，設(shè)計(jì)了相應(yīng)程序?qū)ξ闹兴崴惴ê头椒ㄟM(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)例分析

6、證明了所建模型的正確性。 對(duì)于列車通信網(wǎng)絡(luò)中偶發(fā)性的非周期信息而言，其通信調(diào)度機(jī)理及其響應(yīng)時(shí)間特性也在某種程度上影響著列車網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。由于MVB和WTB采用了兩種完全不同的方式進(jìn)行非周期信息的調(diào)度，MVB采用基于沖突的事件仲裁機(jī)制進(jìn)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(jìn)行非周期信息的傳輸。為此，論文對(duì)MVB和WTB非周期信息通信時(shí)的響應(yīng)時(shí)間特性進(jìn)行了研究，分別提出了非周期信息最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算方法。論文中通過(guò)對(duì)

7、具體實(shí)例的分析，驗(yàn)證了所提算法的正確性，有效地評(píng)估了極端情況下非周期信息的響應(yīng)時(shí)間特性。 列車通信網(wǎng)絡(luò)性能的分析是改進(jìn)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的基礎(chǔ)，同時(shí)也是提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量Qos的前提和保證。為此，論文針對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，提出了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能參數(shù)以及其它各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)平均性能指標(biāo)的計(jì)算方法，并進(jìn)行了仿真分析。以MVB為例，重點(diǎn)利用排隊(duì)論對(duì)其實(shí)時(shí)性能指標(biāo)一信息平均傳輸時(shí)延進(jìn)行了建模和分析：同時(shí)，對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)的利用率、傳輸效

8、率、吞吐量等平均性能的計(jì)算方法也進(jìn)行了仔細(xì)研究，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了所建模型的正確性。仿真結(jié)果也進(jìn)一步指出了影響列車通信網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素，可以對(duì)實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能起到很好的指導(dǎo)作用。 通過(guò)上述對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)總體性能的分析和評(píng)價(jià)可以看出，現(xiàn)有MVB和WTB網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的提高和優(yōu)化還值得展開(kāi)進(jìn)一步的研究。為此，論文以MVB為研究對(duì)象，首先對(duì)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(jìn)行了研究，提出了