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列车控制网络实时性能分析及调度策略研究

聂晓波  
【摘要】:摘要:随着嵌入式技术以及计算机网络技术的发展,现代列车控制系统已从集中式的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式列车控制系统。将计算机网络技术引入列车控制系统,系统结构简洁,功能强自动化程度高,但由于网络通信的延迟以及其不确定性,可能会对列车控制系统的安全性及稳定性带来影响。因此对列车控制网络系统的实时通信调度策略及性能进行研究具有重要意义。列车控制网络种类较多,按照实时调度原理分类,可将其分为时间驱动式,令牌式和优先级驱动式。本文在对几种典型列车控制网络系统-时间驱动式MVB网络,令牌式ARCNET网络和优先级驱动式CAN网络系统的研究基础上,对控制网络实时通信调度策略及性能展开研究,所完成的主要工作及获得的创新性成果如下: 1.建立实时通信模型,对时间驱动式,令牌式,优先级驱动式列车控制网络的通信原理进行分析,并建立层次化仿真模型。 2.在对不同列车控制网络实时调度原理分析的基础上,指出可在数据链路层之上添加实时调度层对网络通信进行控制。并给出两种带宽分配策略:带宽预留模式和带宽不预留模式的带宽分配策略。带宽不预留模式中可采用通用典型实时调度算法对控制网络进行调度,在带宽预留模式中,采用本文提出的实时通信方法进行信息调度。 3.对周期信息调度表规模进行研究。在典型周期信息调度表算法中,采用最小公倍数/最大公约数法确定调度表的宏周期和基本周期,当信息周期较长且互为质数时,调度表规模将非常庞大,针对此问题,本文研究减小调度表规模的约束条件,并给出新的建立周期信息调度表的方法。 4.在对静态调度和动态调度特性研究的基础上,给出定时调度算法,可以满足调度的灵活性,同时相比较动态调度减小了运行开销。在列车控制网络系统中,主要包含两类信息,周期信息和非周期信息。周期信息实时性要求较强,如控制命令和控制决策需要的设备状态信息等,可采用静态调度和动态调度两种方式进行通信调度,静态调度方式对周期信息通过离线建立实时调度表进行通信,这样每条信息的时限可得到满足,但调度灵活性较差,当网络中信息量或信息参数改变时,需要重新离线建立调度表。动态调度在信息量变化或信息参数改变时,可以及时的更改调度表,但是其运行开销增大,调度器需要实时检测信息集合的改变。因此本文提出定时调度方法,定时在非周期相内对系统状态进行查询,更新调度表,可以在满足调度灵活性的同时减小运行开销。 5.典型事件搜索仲裁算法在并发事件数较多时,仲裁延迟将大大增加。论文给出基于事件搜索的非周期信息仲裁优化算法。通过对非周期信息的研究发现其在传输层会将长的非周期消息数据分解成便于传送的固定长度的包,设备在传输消息数据时可能会连续发送。优化算法通过对搜索事件的记忆减小事件搜索次数,从而减小事件平均仲裁延迟。 6.建立不同列车控制网络通信延迟的数学模型,对列车控制网络实时性能进行研究。分别从周期通信量和非周期信息到达率对实时性能的影响进行分析。对本文提出的定时调度算法的运行开销建立数学模型,进行定量分析。当周期通信量增加时,相应非周期带宽减少,文中给出不同类型报文增加时,允许并发事件数的变化曲线。在非周期带宽一定时,非周期信息到达速率不同的情况下,平均仲裁延迟不同。文中给出平均仲裁延迟和到达速率以及并发事件数的关系。 7.列车制动控制系统对实时性的要求很高。为了对本文给出的列车控制网络实时调度及其优化算法进行验证,在对列车制动控制系统研究的基础上,建立列车制动控制网络实时性能测试平台。开发电子制动控制模拟单元,MVB通信模块,ARCNET通信模块和CAN通信模块。搭建基于CAN网络的制动控制内部子网,基于MVB总线的车辆级网络以及基于ARCNET的列车级网络。在搭建的列车制动控制网络平台中对文中给出的实时调度策略运行开销及实时性能进行测试与分析。 最后在对全文研究内容总结和思考的基础上,提出需要进一步深入研究的问题。


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