列车通信网络实时性理论与方法研究

论文摘要

随着计算机通信和网络控制技术、智能微机控制技术、嵌入式电子控制技术、现场总线技术以及故障诊断技术的快速发展,现代列车控制系统已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式车载微机控制系统。列车网络控制系统应用多种总线技术,将分布在全列车上的计算机应用系统或完成特定功能的智能设备互连起来,是一种典型的实时分布式控制系统。列车通信网络TCN（Train Communication Network）就是运用于其中进行信息交换的数据通信平台,列车通信网络标准IEC61375-1则是IEC为车载数据通信而制定的一项国际标准,旨在为各种列车控制应用建立一个标准的信息通信平台。TCN标准将列车通信网络定义成两级分层结构,各个车辆间的数据通信网络称为绞线式列车总线WTB,同一车辆内部或固定编组的不同车辆间各种设备之间的数据通信网络称为多功能车辆总线MVB。通过TCN技术将复杂的列车控制功能下放到不同的层次,简化了列车网络控制系统的结构,实现了真正意义上的分布式列车控制。与一般的信息通信网络相比,列车通信网络本质上属于工业控制局域网的范畴,也可以看作是应用于列车控制这个特定场合的现场总线。作为一种典型的实时分布式控制网络技术,列车通信网络的实时性非常重要,它直接影响着整个列车控制系统的性能,因此和列车通信网络实时性相关的许多关键技术问题都值得深入研究,以便形成有关列车网络实时通信调度机制、实时性能评价等方面的理论建模和分析方法,为实际应用及优化网络性能提供理论指导。为此,本论文首先对列车通信网络的发展历程及列车网络技术的国内外研究现状进行了阐述,指出我国在列车通信网络实时性理论研究方面存在的不足:然后在分析并总结一般现场总线实时调度理论和方法的基础上,以MVB和WTB总线为研究对象,对列车通信网络有关实时性问题的理论和方法进行了深入研究,研究结果和内容主要概括为以下几个方面:在列车通信网络中,实时调度过程是总线协议中最为重要的内容之一。对于列车网络总线周期信息的实时调度而言,如何对其通信过程进行系统的理论建模以及如何构建实时调度表是研究列车通信网络实时性技术的首要关键问题。从分析MVB和WTB两种总线的基本通信原理入手,对它们各自周期信息的实时通信调度机制分别进行了深入的研究。根据它们周期信息通信的特点,分别提出了相应的实时调度时间表的构建算法;同时,对MVB和WTB周期信息实时调度算法的可调度性分析进行了研究,通过求取周期信息最长响应时间的方法,给出了实时调度有效性判定条件。最后,设计了相应程序对文中所提算法和方法进行了仿真实现,通过实例分析证明了所建模型的正确性。对于列车通信网络中偶发性的非周期信息而言,其通信调度机理及其响应时间特性也在某种程度上影响着列车网络的实时性。由于MVB和WTB采用了两种完全不同的方式进行非周期信息的调度,MVB采用基于冲突的事件仲裁机制进行消息事件的查询和发送,而WTB则采用按序轮询的方式进行非周期信息的传输。为此,论文对MVB和WTB非周期信息通信时的响应时间特性进行了研究,分别提出了非周期信息最长响应时间的计算方法。论文中通过对具体实例的分析,验证了所提算法的正确性,有效地评估了极端情况下非周期信息的响应时间特性。列车通信网络性能的分析是改进和优化网络实时性能的基础,同时也是提供稳定的网络服务质量Qos的前提和保证。为此,论文针对列车通信网络的各项性能指标,提出了网络实时性能参数以及其它各项网络平均性能指标的计算方法,并进行了仿真分析。以MVB为例,重点利用排队论对其实时性能指标—信息平均传输时延进行了建模和分析;同时,对列车通信网络的利用率、传输效率、吞吐量等平均性能的计算方法也进行了仔细研究,并通过仿真分析验证了所建模型的正确性。仿真结果也进一步指出了影响列车通信网络性能的主要因素,可以对实际应用中优化网络性能起到很好的指导作用。通过上述对列车网络通信调度机制以及网络总体性能的分析和评价可以看出,现有MVB和WTB网络实时性能的提高和优化还值得展开进一步的研究。为此,论文以MVB为研究对象,首先对其周期信息特征轮询周期与最多可配置逻辑端口数之间的关系进行了研究,提出了确保所有周期信息均能满足实时响应要求的约束条件。然后,对现有MVB非周期通信调度策略进行了优化研究,提出了基于过程数据从帧填充法的SFS方法,对提高列车通信网络中紧急非周期信息的实时性能进行了尝试和探索。最后,论文提出了有待进一步研究和完善的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 列车通信网络的发展
• 1.1.1 列车通信网络发展概述
• 1.1.2 现场总线与主流列车通信总线的分析与比较
• 1.2 国内外列车通信网络技术研究现状
• 1.2.1 列车网络总线通信调度技术研究现状
• 1.2.2 列车通信网络性能研究现状
• 1.3 本论文研究背景、目的及意义
• 1.4 本论文主要研究内容及论文组织
• 第2章 现场总线实时调度理论基础
• 2.1 实时任务描述及其特征
• 2.1.1 实时系统描述
• 2.1.2 实时任务描述
• 2.1.3 实时任务特征
• 2.2 实时任务调度理论
• 2.2.1 实时调度算法分类
• 2.2.2 典型实时调度算法
• 2.2.3 算法可调度性分析
• 2.3 现场总线通信调度特性
• 2.3.1 现场总线模型
• 2.3.2 现场总线信息描述及特征
• 2.4 实时任务调度理论在现场总线通信调度中的应用
• 2.5 小结
• 第3章 多功能车辆总线通信的建模与调度研究
• 3.1 MVB信息通信原理
• 3.1.1 MVB信息模型
• 3.1.2 MVB基本通信过程
• 3.2 MVB周期信息实时调度
• 3.2.1 MVB实时调度表结构
• 3.2.2 MVB实时调度表构建算法
• 3.2.3 MVB实时调度算法可调度性分析
• 3.2.4 MVB实时调度表的软件实现
• 3.3 MVB非周期信息调度
• 3.3.1 MVB非周期信息调度过程
• 3.3.2 MVB非周期信息响应时间分析
• 3.3.3 实例分析
• 3.4 小结
• 第4章 绞线式列车总线通信的建模与调度研究
• 4.1 WTB信息通信原理
• 4.1.1 WTB信息模型
• 4.1.2 WTB基本通信过程
• 4.2 WTB周期信息实时调度
• 4.2.1 WTB实时调度表构建算法
• 4.2.2 WTB实时调度实例
• 4.3 WTB非周期信息调度
• 4.3.1 WTB非周期信息调度过程
• 4.3.2 WTB非周期信息响应时间分析
• 4.3.3 实例分析
• 4.4 小结
• 第5章 列车通信网络实时特性与性能的研究
• 5.1 基本排队理论基础
• 5.1.1 稳定状态下的数据流
• 5.1.2 泊松过程
• 5.1.3 几种典型的排队模型
• 5.2 列车通信网络的性能分析
• 5.2.1 MVB的传输时延
• 5.2.2 MVB其他性能指标
• 5.2.3 MVB网络性能的仿真分析
• 5.3 小结
• 第6章 列车通信网络性能的优化研究
• 6.1 确保MVB周期通信实时性的研究
• 6.1.1 周期通信带宽分配策略
• 6.1.2 周期信息特征周期与逻辑端口数间的配置关系
• 6.2 MVB非周期通信实时性能的优化研究
• 6.2.1 现有非周期通信调度算法存在的问题
• 6.2.2 非周期通信调度算法的优化
• 6.3 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 部分源程序代码
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果