時速160公里動力集中動車組TCMS時延特性研究

趙 焱

中車大連機車車輛有限公司 遼寧 大連 116022

1 引言

時速160公里動車組動力車是以200k m/h客運電力機車平臺為基礎(chǔ)，其TCMS動車組的神經(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、運行環(huán)境多變等影響因素，通信數(shù)據(jù)的信息交互時間將會增大，使得控制信號在傳輸過程中不可避免的出現(xiàn)時延。時延不僅影響信息傳遞的實時效果，更直接影響控制任務(wù)的執(zhí)行，進而影響系統(tǒng)控制的及時性、準(zhǔn)確性[1]。TCMS時延與動力車控制實時性密切相關(guān)，時延過大將會導(dǎo)致牽引、制動等系統(tǒng)控制不及時；因此分析TCN控制系統(tǒng)時延特性是一項重要研究內(nèi)容。

2 TCMS時延特性分析

圖1 不同任務(wù)周期下時延的變化趨勢

TCMS時延是整個列車網(wǎng)絡(luò)的信息交互時間，包括傳輸時延、發(fā)送時延、接收時延[2]。發(fā)送時延包括處理時延、等待時延、數(shù)據(jù)應(yīng)答時延；接收時延包括等待時延、數(shù)據(jù)應(yīng)答時延。系統(tǒng)時延的大小會受到傳輸介質(zhì)、通信距離、設(shè)備性能、排隊周期、解析與訪問快慢等綜合因素共同影響。模擬分析列車的一個完整的系統(tǒng)時延：從中央控制單元(CCU)、司機顯示單元(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)總時延等于各設(shè)備的部分時延：

只改變?nèi)蝿?wù)周期時，源端口的數(shù)據(jù)更新速度會產(chǎn)生變化，進而對等待時延和處理時延產(chǎn)生影響?？刂葡到y(tǒng)的總體時延也將隨CCU 任務(wù)周期增大而增大。任務(wù)周期為64～128 ms時，時延變化較快。任務(wù)周期為128～256 ms時，時延數(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TCMS時延的影響 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，將會影響系統(tǒng)源端口的等待時延，進而影響系統(tǒng)控制信號的實時性。

為驗證上述匹配關(guān)系的影響，同時調(diào)整任務(wù)周期和特征周期，得出系統(tǒng)時延優(yōu)化配置方法與影響因素，分組對比測試。時延變化趨勢見圖2。

式中：TC-D為CCU 到DDU 的時延；TD-G、TG-G、TG-C為線路傳輸時延；TGw為經(jīng)過網(wǎng)關(guān)時延，兩個網(wǎng)關(guān)之間采用WTB通信。

3 TCMS時延測試

根據(jù)多次測量數(shù)據(jù)TC-D取平均值為260.611 ms，由式(1)得：Tdelay=292.61182 ms，此時Tdelay為CCU—DDU 經(jīng)過網(wǎng)關(guān)時整個控制系統(tǒng)的總體時延。

3.1 任務(wù)周期對TCMS時延的影響 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間和數(shù)據(jù)邏輯運算的時間。任務(wù)周期的變化會影響數(shù)據(jù)的更新快慢進而影響源端口的處理時延和等待時延。

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，分組測試，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，抓取端口數(shù)據(jù)，解析時延。每組進行40次測試取平均值，研究任務(wù)周期對系統(tǒng)整體時延的影響規(guī)律。時延變化趨勢見圖1。

圖2 任務(wù)周期與特征周期匹配對時延的影響

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)的等待時延產(chǎn)生變化并出現(xiàn)時延抖動，造成時延的不規(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，等待時延最小，基本無時延抖動，穩(wěn)定性高，可以使系統(tǒng)時延達到最優(yōu)化。

4 總結(jié)

基于搭建的時速160公里動力集中動車組TCMS測試平臺進行時延試驗，通過對MVB過程數(shù)據(jù)的量化，對控制系統(tǒng)時延特性進行分析。

在一定范圍內(nèi)時延呈線性變化，數(shù)據(jù)解碼與訪問的時間短，接收時延和發(fā)送時延小，系統(tǒng)時延變??；反之，當(dāng)任務(wù)周期與源端口特征周期過大時，數(shù)據(jù)解碼與訪問的時間長，系統(tǒng)時延變大。當(dāng)任務(wù)周期與特征周期不匹配時，會造成數(shù)據(jù)傳輸與更新不同步，系統(tǒng)等待時延變大，易產(chǎn)生時延抖動，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，數(shù)據(jù)傳輸與更新保持一致，控制系統(tǒng)時延抖動小，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，此時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延小，實時性好。

本文所做的試驗數(shù)據(jù)和所得規(guī)律可用于時速160公里動力集中動車組的實際工程項目應(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，對提高動車組日常運行的實時性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性起到重要作用。