列車控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)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(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(dòng)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(huì)對(duì)列車控制系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性帶來影響。因此對(duì)列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信調(diào)度策略及性能進(jìn)行研究具有重要意義。列車控制網(wǎng)絡(luò)種類較多,按照實(shí)時(shí)調(diào)度原理分類,可將其分為時(shí)間驅(qū)動(dòng)式,令牌式和優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)式。本文在對(duì)幾種

2、典型列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).時(shí)間驅(qū)動(dòng)式MVB網(wǎng)絡(luò),令牌式ARCNET網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)式CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上,對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)通信模型,對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)式,令牌式,優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)式列車控制網(wǎng)絡(luò)的通信原理進(jìn)行分析,并建立層次化仿真模型。
　　 2.在對(duì)不同列車控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)調(diào)度層對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)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(shí)時(shí)調(diào)度算法對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度,在帶寬預(yù)留模式中,采用本文提出的實(shí)時(shí)通信方法進(jìn)行信息調(diào)度。
　　 3.對(duì)周期信息調(diào)度表規(guī)模進(jìn)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(shí),調(diào)度表規(guī)模將非常龐大,針對(duì)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(duì)靜態(tài)調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)度特性研究的基礎(chǔ)上,給出定時(shí)調(diào)度算法,可以滿足調(diào)度的靈活性,同時(shí)相比較動(dòng)態(tài)調(diào)度減小了運(yùn)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(shí)時(shí)性要求較強(qiáng),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(dòng)態(tài)調(diào)度兩種方式進(jìn)行通信調(diào)度,靜態(tài)調(diào)度方式對(duì)周期信息通過離線建立實(shí)時(shí)調(diào)度表進(jìn)行通信,這樣每條信息的時(shí)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(shí),需要重新離線建立調(diào)度表。動(dòng)態(tài)調(diào)度在信息量變化或信息參數(shù)改變時(shí),可以及時(shí)的更改調(diào)度表,但是其運(yùn)行開銷增大,調(diào)度器需要實(shí)時(shí)檢測信息集合的改變。因此本文提出定時(shí)調(diào)度方法,定時(shí)在非周期相內(nèi)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行查詢,更新調(diào)度表,可以在滿足調(diào)度靈活性的同時(shí)減小運(yùn)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(shí),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(duì)非周期信息的研究發(fā)現(xiàn)其在傳輸層會(huì)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(shí)可能會(huì)連續(xù)發(fā)送。優(yōu)化算法通過對(duì)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(duì)列車控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能進(jìn)行研究。分別從周期通信量和非周期信息到達(dá)率對(duì)實(shí)時(shí)性能的影響進(jìn)行分析。對(duì)本文提出的定時(shí)調(diào)度算法的運(yùn)行開銷建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行定量分析。當(dāng)周期通信量增加時(shí),相應(yīng)非周期帶寬減少,文中給出不同類型報(bào)文增加時(shí),允許并發(fā)

7、事件數(shù)的變化曲線。在非周期帶寬一定時(shí),非周期信息到達(dá)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(dá)速率以及并發(fā)事件數(shù)的關(guān)系。
　　 7.列車制動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高。為了對(duì)本文給出的列車控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)度及其優(yōu)化算法進(jìn)行驗(yàn)證,在對(duì)列車制動(dòng)控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,建立列車制動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能測試平臺(tái)。開發(fā)電子制動(dòng)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(dòng)控制內(nèi)部子