時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組TCMS時(shí)延特性研究

趙 焱

中車大連機(jī)車車輛有限公司 遼寧 大連 116022

1 引言

時(shí)速160公里動(dòng)車組動(dòng)力車是以200k m/h客運(yùn)電力機(jī)車平臺(tái)為基礎(chǔ)，其TCMS動(dòng)車組的神經(jīng)系統(tǒng)和指揮中樞，協(xié)調(diào)中央控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)的控制、監(jiān)視與診斷任務(wù)，匯總各子系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障診斷信息，完成整車級(jí)的控制、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)視等工作。

TCMS由于各子系統(tǒng)存在通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、邏輯控制算法復(fù)雜化、運(yùn)行環(huán)境多變等影響因素，通信數(shù)據(jù)的信息交互時(shí)間將會(huì)增大，使得控制信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)時(shí)延。時(shí)延不僅影響信息傳遞的實(shí)時(shí)效果，更直接影響控制任務(wù)的執(zhí)行，進(jìn)而影響系統(tǒng)控制的及時(shí)性、準(zhǔn)確性[1]。TCMS時(shí)延與動(dòng)力車控制實(shí)時(shí)性密切相關(guān)，時(shí)延過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳⒅苿?dòng)等系統(tǒng)控制不及時(shí)；因此分析TCN控制系統(tǒng)時(shí)延特性是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

2 TCMS時(shí)延特性分析

圖1 不同任務(wù)周期下時(shí)延的變化趨勢(shì)

TCMS時(shí)延是整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)的信息交互時(shí)間，包括傳輸時(shí)延、發(fā)送時(shí)延、接收時(shí)延[2]。發(fā)送時(shí)延包括處理時(shí)延、等待時(shí)延、數(shù)據(jù)應(yīng)答時(shí)延；接收時(shí)延包括等待時(shí)延、數(shù)據(jù)應(yīng)答時(shí)延。系統(tǒng)時(shí)延的大小會(huì)受到傳輸介質(zhì)、通信距離、設(shè)備性能、排隊(duì)周期、解析與訪問(wèn)快慢等綜合因素共同影響。模擬分析列車的一個(gè)完整的系統(tǒng)時(shí)延：從中央控制單元(CCU)、司機(jī)顯示單元(DDU)、網(wǎng)關(guān)1(GW)，網(wǎng)關(guān)2(GW)再到CCU。

從整體角度看，系統(tǒng)總時(shí)延等于各設(shè)備的部分時(shí)延：

只改變?nèi)蝿?wù)周期時(shí)，源端口的數(shù)據(jù)更新速度會(huì)產(chǎn)生變化，進(jìn)而對(duì)等待時(shí)延和處理時(shí)延產(chǎn)生影響。控制系統(tǒng)的總體時(shí)延也將隨CCU 任務(wù)周期增大而增大。任務(wù)周期為64～128 ms時(shí)，時(shí)延變化較快。任務(wù)周期為128～256 ms時(shí)，時(shí)延數(shù)值線性化明顯，呈規(guī)律性變化。

3.2 任務(wù)周期與源端口特征周期匹配關(guān)系對(duì)TCMS時(shí)延的影響 任務(wù)周期與源端口特征周期匹配與否即使數(shù)據(jù)之間的傳輸與數(shù)據(jù)更新是否一致，將會(huì)影響系統(tǒng)源端口的等待時(shí)延，進(jìn)而影響系統(tǒng)控制信號(hào)的實(shí)時(shí)性。

為驗(yàn)證上述匹配關(guān)系的影響，同時(shí)調(diào)整任務(wù)周期和特征周期，得出系統(tǒng)時(shí)延優(yōu)化配置方法與影響因素，分組對(duì)比測(cè)試。時(shí)延變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

式中：TC-D為CCU 到DDU 的時(shí)延；TD-G、TG-G、TG-C為線路傳輸時(shí)延；TGw為經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)時(shí)延，兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間采用WTB通信。

3 TCMS時(shí)延測(cè)試

根據(jù)多次測(cè)量數(shù)據(jù)TC-D取平均值為260.611 ms，由式(1)得：Tdelay=292.61182 ms，此時(shí)Tdelay為CCU—DDU 經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)的總體時(shí)延。

3.1 任務(wù)周期對(duì)TCMS時(shí)延的影響 任務(wù)周期更改的是發(fā)送端應(yīng)用層產(chǎn)生數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)放至通信寄存器源端口的時(shí)間和數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算的時(shí)間。任務(wù)周期的變化會(huì)影響數(shù)據(jù)的更新快慢進(jìn)而影響源端口的處理時(shí)延和等待時(shí)延。

為減少干擾，系統(tǒng)中只使用CCU 和DDU 等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，改變CCU 中任務(wù)周期，分組測(cè)試，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，抓取端口數(shù)據(jù)，解析時(shí)延。每組進(jìn)行40次測(cè)試取平均值，研究任務(wù)周期對(duì)系統(tǒng)整體時(shí)延的影響規(guī)律。時(shí)延變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖2 任務(wù)周期與特征周期匹配對(duì)時(shí)延的影響

由數(shù)據(jù)看出，當(dāng)任務(wù)周期與源端口的特征周期設(shè)置不一致，系統(tǒng)的等待時(shí)延產(chǎn)生變化并出現(xiàn)時(shí)延抖動(dòng)，造成時(shí)延的不規(guī)律增大；當(dāng)任務(wù)周期與源端口的特征周期設(shè)置相同，等待時(shí)延最小，基本無(wú)時(shí)延抖動(dòng)，穩(wěn)定性高，可以使系統(tǒng)時(shí)延達(dá)到最優(yōu)化。

4 總結(jié)

基于搭建的時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組TCMS測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行時(shí)延試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)MVB過(guò)程數(shù)據(jù)的量化，對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)延特性進(jìn)行分析。

在一定范圍內(nèi)時(shí)延呈線性變化，數(shù)據(jù)解碼與訪問(wèn)的時(shí)間短，接收時(shí)延和發(fā)送時(shí)延小，系統(tǒng)時(shí)延變小；反之，當(dāng)任務(wù)周期與源端口特征周期過(guò)大時(shí)，數(shù)據(jù)解碼與訪問(wèn)的時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)時(shí)延變大。當(dāng)任務(wù)周期與特征周期不匹配時(shí)，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸與更新不同步，系統(tǒng)等待時(shí)延變大，易產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)任務(wù)周期與源端口特征周期相同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸與更新保持一致，控制系統(tǒng)時(shí)延抖動(dòng)小，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延小，實(shí)時(shí)性好。

本文所做的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和所得規(guī)律可用于時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組的實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用中，為配置網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)參數(shù)和優(yōu)化控制系統(tǒng)性能提供參考，對(duì)提高動(dòng)車組日常運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性起到重要作用。