城轨车辆新型网络控制系统的调度、建模及优化

论文摘要

城轨车辆网络控制系统基于车载网络通信完成整车的控制功能,其相关技术是实现城轨车辆安全、高效和智能化运行的重要保障。针对目前在城轨车辆网络控制系统研究方面存在的问题,论文以“十一五”国家科技支撑计划重点项目“100%低地板轻轨车研制”为依托,围绕城轨车辆网络控制系统的新型调度机制、基于网络的控制逻辑及面向控制的故障诊断建模、基于控制性能约束的网络性能优化等方面开展研究,在既定网络调度机制及车辆控制系统功能模型下,综合优化网络及控制性能,完善了城轨车辆网络控制系统的设计方法及理论体系,在以下方面取得了一些成果：以网络负载均衡性为前提,提出了一种基于CANopen的新型车辆网络调度机制。从车载网络及其所传输数据的特点出发,通过stateflow的建模仿真结果并结合地铁车载网络实例实验,验证了所述调度机制在保证城轨车辆网络负载均衡性的同时,实时性能够比拟既有的MVB网络,且成本低廉,开发周期短；系统提出了城轨车辆控制系统的架构描述、建模及仿真方法。以基于多代理(MAS)的分层递阶式城轨车辆网络控制系统构架描述为对象,结合AUML和着色petri网(CPN)建模工具,提出了整车逻辑控制功能的建模和仿真方法；结合模糊离散事件系统理论(FDES),在以模糊分层着色petri网(FHCPN)所建立的智能诊断功能模型中引入“权系数”,解决了传统模糊矩阵求解过程中存在的“维数爆炸”问题。文中对上述各部分的成果分别进行了建模、仿真及算例分析,证明了其可行性及有效性；基于CANopen的新型车辆网络调度机制及车辆控制系统的静态功能模型,建立了以控制性能为约束的城轨车辆网络性能优化模型,并提出求解该模型的整数编码、自适应交叉、变异概率和重复优化的改进型遗传算法。通过优化实例及其仿真结果,验证了所述方法对网络及控制性能进行综合优化的有效性；在城轨车辆网络控制模拟实验系统上对文中所提出的理论与方法完成了模拟实验,并在国内首台自主研发的100%低地板轻轨车辆上进行了试验验证。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 城轨车辆网络控制系统的研究现状和发展趋势
• 1.2.1 城轨车辆车载网络研究现状
• 1.2.2 基于网络的车辆控制系统研究现状
• 1.2.3 城轨车辆网络控制系统的发展趋势
• 1.3 本文研究的核心问题
• 1.3.1 城轨车辆新型车载网络的调度方法
• 1.3.2 基于网络的车辆控制系统建模
• 1.3.3 城轨车辆网络性能与控制性能的综合优化
• 1.4 论文章节安排
• 2 基于负载均衡性原则的城轨车辆网络调度
• 2.1 城轨车辆新型车载网络
• 2.1.1 城轨车辆车载网络需求分析
• 2.1.2 新型车载网络通信总线研究
• 2.2 新型车载网络通信总线与MVB对比研究
• 2.2.1 CANopen协议解析
• 2.2.2 MVB协议分析
• 2.2.3 CANopen协议与MVB协议性能对比
• 2.2.4 对比研究总结
• 2.3 新型车辆网络调度机制研究
• 2.3.1 网络调度算法
• 2.3.2 基于负载均衡性的新型CANopen网络调度机制
• 2.3.3 新型调度机制的建模仿真
• 2.4 实例验证
• 2.4.1 既有MVB网络实例分析
• 2.4.2 基于CANopen网络的新型调度机制的应用
• 2.4.3 实验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于网络的城轨车辆逻辑控制及智能诊断建模
• 3.1 总体建模研究思路
• 3.1.1 系统构架描述思路
• 3.1.2 逻辑控制建模思路
• 3.1.3 智能诊断建模思路
• 3.2 城轨车辆控制系统构架描述
• 3.2.1 基于MAS的分层递阶式车辆控制系统静态描述
• 3.2.2 基于AUML的车辆控制系统动态行为描述
• 3.3 城轨车辆逻辑控制功能建模
• 3.3.1 系统的混合建模方式及建模工具
• 3.3.2 系统顶层模型规划
• 3.3.3 系统底层模型建立
• 3.3.4 模型网络接口信号分析
• 3.3.5 仿真结果及分析
• 3.4 城轨车辆智能诊断建模
• 3.4.1 基于模糊层次CPN的故障诊断建模方法
• 3.4.2 带权系数的故障诊断模型
• 3.5 本章小结
• 4 基于控制性能约束的城轨车辆网络性能优化
• 4.1 基于控制性能约束的车辆数据网络传输周期
• 4.1.1 网络传输周期对车辆系统控制性能影响
• 4.1.2 网络的数据传输周期建模与计算
• 4.2 基于控制性能约束的城轨车辆网络性能优化建模
• 4.2.1 城轨车辆网络控制系统优化的性能目标函数
• 4.2.2 性能目标函数的约束条件
• 4.3 基于改进型遗传算法的综合优化模型求解
• 4.3.1 组合优化问题求解策略
• 4.3.2 基本遗传算法求解优化模型的不足
• 4.3.3 基于城轨车辆网络控制系统优化问题的基本遗传算法改进
• 4.3.4 算法性能评估
• 4.4 优化实例及结果分析
• 4.4.1 优化实例及相关计算
• 4.4.2 网络性能优化效果分析
• 4.4.3 控制性能优化及仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 城轨车辆新型网络控制系统实验验证
• 5.1 模拟实验系统的设计与实现
• 5.1.1 CANopen网络从节点实现
• 5.1.2 CANopen网络主节点实现
• 5.1.3 司机控制台硬件设计
• 5.1.4 HMI设计实现
• 5.1.5 模拟实验系统整体效果图
• 5.1.6 结论
• 5.2 实验验证
• 5.2.1 基于负载均衡性原则的CANopen网络调度机制验证
• 5.2.2 基于网络的城轨车辆控制系统建模有效性验证
• 5.3 在100%低地板车上的试验验证
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文主要研究成果与结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 附录A 公式符号表
• 作者简历
• 发表论文列表
• 参与过的主要科研工作
• 学位论文数据集