基于时间触发机制的以太网在CBTC系统应用中的研究

摘要

基于通信的列车控制（Communications-Based Train Control，CBTC）系统在我国城市轨道交通的发展中占据着越来越重要的地位。国内CBTC系统的应用研究还处于起步阶段，进行相关的理论研究是非常有必要的。 CBTC的数据通信系统（Data Communicate System，DCS）不仅包含有线局域网通信，而且包含车地之间的无线局域网（Wireless LAN，WLAN）通信。列车在WLAN中经常发生的越区切换等问题会增加信息的延迟时间。在通信量增加的情况下，基于以太网的事件触发机制的DCS会带来通信的不确定性。相比之下，时间触发（Time-triggered，TT）机制能够增加系统通信的确定性，提高系统的实时性。松散时间触发（Loosely time-triggered，LTT）机制是TT的一种弱化形式，适用于带有WLAN的实时分布式控制系统。本文主要针对CBTC系统通信的不确定性问题，设计了一个时间触发层协议，并对其进行了验证。 首先，根据标准的TCP/IP四层协议模型，论文确立了时间触发层协议在标准的TCP/IP四层协议模型中的位置。同时，结合CBTC系统的车地通信的特点，分析并给出了时间触发层协议所要实现的功能需求。 其次，论文对LTT机制进行了深入的研究。从研究LTT机制的原理出发，以车地通信中车载控制器（Vehicle On Board Controller，VOBC）与区域控制中心（Zone Controller，ZC）之间的通信为研究对象，设计了CBTC系统的时间触发层协议，给出了时间触发层协议的实现流程。根据VOBC与ZC之间通信的特点，选用了主从式的架构，设计了可以进行时间窗动态分配的调度表。在此基础上，论文进一步从定性的角度分析了时间触发层协议的性能。 然后，论文按照从上至下的分层思想建立了车地通信、时间触发层协议以及无线信道的赋时层次有色Petri网（Hierarchical Timed Colored Petri Net，HTCPN）模型。为了记录消息的延迟时间，方便于系统性能的分析，利用建模工具的赋时特性，在消息中加入了时间戳。 最后，论文利用时间触发层协议建立了车地通信的多车模型。分别对ET机制和LTT机制下的车地通信模型进行了仿真。仿真结果表明，在通信列车数量增加的情况下，相比ET机制，LTT机制能够增加系统通信的确定性，提高系统通信的实时性。

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致谢

1 综述

1.1 课题研究背景

1.2 基于通信的列车控制系统

1.2.1 CBTC系统概述

1.2.2 CBTC系统通信特点

1.3 松散时间触发机制

1.3.1 TT机制概述

1.3.2 松散时间触发机制

1.4 选题意义与论文结构

2 CBTC通信系统时间触发层的研究

2.1 CBTC系统时间触发层协议需求分析

2.1.1 通信确定性需求的由来

2.1.2 CBTC系统通信网络层次结构

2.2 时间触发层协议设计

2.2.1 时间触发层协议原理

2.2.2 CBTC系统时间触发层协议的设计

2.2.3 CBTC系统时间触发层协议的任务实现

2.2.4 CBTC系统时间触发层协议的定性分析

2.3 小结

3 基于赋时层次有色Petri网的时间触发协议层模型

3.1 赋时层次有色Petri网介绍

3.1.1 CPN基本特性及分析方法

3.1.2 建模工具CPN Tools

3.2 有色Petri网的赋时特性

3.3 时间触发层协议的层次化建模方法

3.4 时间触发层协议的HTCPN模型

3.4.1 CBTC系统上层模型

3.4.2 颜色集的声明

3.3.3 车地通信的HTCPN模型

3.4.4 时间触发层的HTCPN模型

3.4.5 无线信道的HTCPN模型

3.5 小结

4 时间触发层协议的性能分析

4.1 系统模型的分析技术

4.1.1 状态空间分析法

4.1.2 系统性能的仿真分析法

4.2 模型的性质验证与性能仿真分析

4.2.1 车地通信单链路模型的状态空间分析

4.2.2 基于ET机制以太网的多车参与的车地通信模型

4.2.3 基于LTT机制以太网的多车参与的车地通信模型

4.2.4 性能比较分析

4.3 小结

5 总结和展望

参考文献

作者简历