列控安全计算机通信容错与实时性优化的研究

摘要

随着现代计算机和通信技术在铁路信号系统中应用，列车运行控制系统由传统的控制技术逐渐向综合化、智能化、网络化的方向发展。而列控安全计算机作为列车运行控制系统的核心硬件设备，其承载着系统的大部分安全功能，是确保列控系统安全性和可靠性的关键。由于列控安全计算机基本采用分布式容错结构设计，处理单元之间依靠通信实现协同控制，其通信的容错性和实时性直接制约着列控系统的安全性和可靠性。本文针对列控安全计算机通信的容错性和实时性问题，提出一种通信容错机制和实时性优化策略，以提高安全计算机的安全性和可靠性。
　　首先，本文通过分析列控安全计算机的通信结构和通信需求，说明了容错性和实时性是影响安全计算机安全性和可靠性的重要因素。同时也概括了典型的实时通信技术，总结出基于时间触发架构理论的通信实时性优化方法能满足系统通信实时性和确定性要求。然后从容错性和实时性两个方面，分别分析了冗余容错技术、组通信容错算法、实时性优化调度模型以及基于网络演算的通信时延分析方法，从而确立了列控安全计算机通信容错和实时性优化理论基础和设计方法。
　　其次，在所分析的理论和方法的基础上，构建了通信容错和实时性优化中间件模型，并对其展开研究设计。通信中间件主要包括组通信容错管理和实时性优化策略两个部分。根据安全苛求系统容错需求，设计了基于双网冗余的软件容错机制和基于组通信协议的通信容错机制，实现了通信容错功能;同时根据列控安全计算机通信数据流的不同属性特征，提出了约束性多重优先级调度策略的实时性优化方法，并利用网络演算分析了通信时延特性。从而证明了该策略能够有效地优化通信实时性。
　　最后在2乘2取2安全计算机平台上搭建了通信中间件原型，并对容错机制和实时性优化策略进行实验测试。测试结果表明通信中间件通过多重优先级调度策略能够有效地降低安全苛求数据的通信延迟，优化通信实时性，并且通过通信容错机制实现了通信故障屏蔽、恢复以及系统重组等功能。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容和组织结构

2 安全计算机通信理论与技术研究

2．1 安全计算机通信及其特征

2．1．1 安全计算机通信结构

2．1．2 通信特征与需求分析

2．2 安全苛求系统实时通信技术

2．2．1 时间触发架构原理

2．2．2 实时以太网技术

2．2．3 TTCAN总线

2．2．4 FlexRay总线

2．3 安全苛求系统通信容错理论

2．3．1 通信容错原理与方法

2．3．2 基于冗余技术的容错方法

2．3．3 组通信系统容错算法

2．4 实时性优化算法与分析理论

2．4．1 通信时延分析

2．4．2 通信实时性调度算法分析

2．4．3 基于网络演算的实时性分析理论

2．5 本章小结

3 安全计算机通信容错与实时性优化

3．1 通信容错与实时性优化中间件

3．1．1 通信中间件原理

3．1．2 通信中间件组成

3．2 通信容错机制设计

3．2．1 通信容错机制结构

3．2．2 基于双网冗余的软件容错设计

3．2．3 基于GMP的通信容错设计

3．3 通信实时性优化方法

3．3．1 通信实时性优化结构

3．3．2 安全计算机通信数据分类

3．3．3 通信实时性影响因素

3．3．4 约束性多重优先级调度算法设计

3．4 实时性优化策略时延分析

3．4．1 通信时延推算模型

3．4．2 通信时延推算方法

3．4．3 实时性优化策略时延分析

3．5 本章小结

4 安全计算机通信容错验证与实时性测试

4．1 测试验证平台

4．1．1 2乘2取2安全计算机平台

4．1．2 开源实时以太网

4．2 通信容错机制验证

4．2．1 GMP通信容错测试设计

4．2．2 测试与结果分析

4．3 通信实时性优化测试

4．3．1 通信实时性测试实例设计

4．3．2 测试与结果分析

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集