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高速动车组列车网络控制若干问题研究

作　者: 郭超勇
导　师: 郑琼林
学　校: 北京交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 串扰 MVB OPNET仿真稳定性轮询调度
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 440次
引　用: 3次
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内容摘要

随着中国高速动车组的发展及对其研究的深入,列车网络控制作为其关键技术之一,得到越来越多的研究者的关注。基于列车通信网络(Train Communication Network, TCN)的控制系统代替原有的、传统的微机集中式控制,具有交互性好、系统布线少、易于扩展和维护、系统的柔性和可靠性高等优点。同时列车通信网络的介入使得控制系统的设计和分析面临更复杂的因素,需要与列车网络控制系统相适应的分析和设计理论。因此,本文结合唐山轨道客车有限责任公司CRH3型高速动车组的消化吸收以及CRH380BL型动车组的设计开发,围绕列车网络控制的性能、稳定性和实时性以及实时调度特性进行研究和分析。TCN网络传输介质采用屏蔽双绞线,是高速动车组网络控制信号的承载,对控制系统的稳定性起着至关重要的作用。TCN传输介质-双绞线采用四个性能指标进行评价：衰减、近端串扰、阻抗特性和时延。在CRH3型动车组调试过程中经常出现由于MVB(Multifunction Vechicle Bus)、WTB(Wired Train Bus)电缆不满足性能且不能准确判断问题产生的原因,基于此,本文推导并建立了双绞线的分布参数模型,应用传输线理论对插入损耗、时延偏移和近端串扰进行求解。利用所建立的模型,对高速动车组上所采用的传输线进行仿真,并和试验结果进行了对比研究。为了研究布线方式对传输线特性的影响,改变导线的布置,计算此时的特性参数,并对此进行比较、仿真和分析。为了研究特性参数对性能的恶化程度,改变单个特性参数进行仿真研究。试验和仿真结果表明：本文推导的模型具有非常高的适用性,可以利用此模型对高速动车组的双绞线进行分析和布局优化；特性参数的扰动对传输介质性能的恶化非常明显,使得各性能指标的裕量降低；不同的特性参数的改变,对性能恶化的程度和范围不同。本文针对CRH3型高速动车组TCN控制网络的特点,提出了基于OPNET仿真的TCN网络研究方法,并结合其周期轮询策略,推导并建立了MVB总线和WTB总线初运行模型。数据通量、延时和碰撞特性一直是网络性能评估的重点,对于新型动车组控制网络的开发,也需要对上述的网络性能进行评估,因此本文根据MVB网络的过程数据调度和消息数据响应机制,在不同的仿真场景下进行了仿真测试,研究了不同消息数据发送节点、不同消息数据发送率等条件对MVB网络性能的影响。为了研究CRH3高速动车组列车重联过程中的列车控制流程,本文深入研究了WTB总线初运行机制,并在正常初运行模式和WTB重联过程模式下进行仿真,研究了WTB编组的自适应特性。为了研究MVB数据链路层协议机制,实现了MVB控制器的编码和解码算法,通过采用FPGA方案代替MVB控制器与MVB专用网卡进行了互联验证。由于通信网络在控制系统中的使用,使得时延成为一个不得不考虑的因素。不合理的延时设定或对延时的估计不准确,会影响系统的稳定性裕度乃至不稳定,从而导致列车控制系统部分功能的锁闭。在CRH3型高速动车组的试验过程中,也曾出现由于时延计算和设置不准确而导致高压牵引系统锁闭的现象。本文利用李雅普诺夫理论、矩阵理论和线性矩阵不等式从不同的角度研究了网络控制系统的稳定性,得到了使网络控制系统渐近稳定的最大允许网络延时和稳定条件。研究结果表明,只要实际网络控制系统的传输延时小于最大允许网络延时或满足网络控制系统稳定定理,闭环网络控制系统就总是渐进稳定的。因此应该针对实际问题选取适当的控制网络以及设计合适的网络控制算法,使网络控制系统稳定。针对确定时延网络控制系统,本文给出了基于输出反馈的状态观测器和控制器设计理论。高速动车组需要控制的系统较多,引起所需要的控制端口大量增加,同时各端口的长度和特征周期也不一致,因此需要对列车通信网络进行可靠的调度轮询。本文针对CRH3型高速动车组周期轮询策略中周期负载总线利用率均匀度的不足,提出了一种新的列车网络周期调度算法。通过计算高速动车组的周期数据负载率,归纳出了以总线负载率均匀度为目标的多层次优化调度算法。根据MVB轮询周期表的特点,在求解过程中增加层次性的约束条件,以局部目标函数代替全局目标函数,提高了算法的运行效率。对单调速率算法、遗传算法和多约束条件均匀度优先算法的关系进行论证,表明了此优化算法在多约束条件下具有极大优势。对优化算法进行了可调度性分析,验证了周期轮询表优化结果的有效性。仿真结果进一步证实了此优化算法实现了负载信息均匀度最优。针对非周期数据,根据事件仲裁算法,提出了基于OPNET仿真的事件调度模型,并进行了仿真分析和研究。最后,在总结全文的基础上,提出了有待进一步研究和完善的方向。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
1 引言  14-30
  1.1 列车通信网络控制系统的发展  14-16
  1.2 国内外高速列车控制网络的应用现状  16-20
  1.3 网络控制系统研究的现状  20-26
    1.3.1 列车通信网络传输介质分析  21-22
    1.3.2 列车通信网络协议研究  22-23
    1.3.3 列车网络性能仿真研究  23-24
    1.3.4 网络协议通信规范与约束及稳定性  24-25
    1.3.5 列车网络通信调度设计研究  25-26
  1.4 论文的整体结构和主要内容  26-30
2 高速动车组TCN网络传输介质特性分析  30-48
  2.1 MVB与WTB电缆结构与参数  30-31
  2.2 双绞线分布参数模型  31-35
    2.2.1 电容参数  32-34
    2.2.2 电感参数  34-35
  2.3 特性参数分析  35-40
    2.3.1 传输线电路模型  35-37
    2.3.2 插入损耗与延时偏移  37
    2.3.3 串扰分析  37-39
    2.3.4 衰减串扰比  39-40
  2.4 仿真与试验分析  40-47
  2.5 小结  47-48
3 TCN控制网络实时通信协议模型  48-86
  3.1 高速动车组TCN网络控制系统模型  48-71
    3.1.1 基于OPNET仿真平台的TCN网络实现机制  48-51
    3.1.2 基于OPNET的MVB网络控制系统仿真模型  51-63
    3.1.3 基于OPNET的WTB初运行仿真模型  63-71
  3.2 基于Quartus Ⅱ的MVBC数据链路层设计研究  71-73
    3.2.1 编码器模块设计  71-72
    3.2.2 解码模块设计  72-73
    3.2.3 报文分析单元设计  73
  3.3 仿真和试验研究及结果分析  73-83
    3.3.1 MVB网络仿真分析  73-77
    3.3.2 WTB初运行仿真分析  77-80
    3.3.3 基于Quartus软件的设计结果分析  80-83
  3.4 小结  83-86
4 列车网络控制系统诱导时延、稳定性分析  86-102
  4.1 基于延时的网络控制系统模型  86-93
    4.1.1 列车网络控制系统结构  86-87
    4.1.2 短延时网络控制系统模型  87-90
    4.1.3 长延时网络控制系统模型  90-91
    4.1.4 网络控制系统实例分析  91-93
  4.2 网络控制系统的延时稳定性分析  93-99
  4.3 网络诱导时延系统的可观可测性  99-101
  4.4 小结  101-102
5 网络控制系统信息调度轮询算法优化研究  102-118
  5.1 网络控制系统调度理论  102-106
    5.1.1 TCN网络信息描述  102-104
    5.1.2 网络控制系统调度策略  104-106
  5.2 高速动车组网络控制系统周期信息调度轮询算法优化  106-113
    5.2.1 基于单调速率的MVB实时调度算法  106-107
    5.2.2 MVB周期轮询实时调度优化算法  107-110
    5.2.3 RM算法、遗传优化算法与多约束条件均匀度优先算法比较  110
    5.2.4 周期轮询优化算法可调度性  110-111
    5.2.5 周期信息调度结果分析  111-113
  5.3 网络控制系统非周期信息调度  113-117
    5.3.1 消息数据事件搜索算法  113-114
    5.3.2 非周期数据可调度及非预留带宽响应分析  114-116
    5.3.3 非周期信息调度结果分析  116-117
  5.4 小结  117-118
6 结论  118-120
参考文献  120-126
作者简历  126-130
学位论文数据集  130

高速动车组列车网络控制若干问题研究

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