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未来铁路技术日趋关注高速化、智能化、信息化和高运行密度,高速铁路成为推动国家和地区经济发展的强大动力。由于起步较晚,与国外相比,我国列车通信网络(TCN)相关理论的研究相对比较落后。尽管我国铁路经过多次提速,相继成功开通武广、郑西高铁,实现了跨越式的发展;但研究多关注于应用开发,依赖于现有的TCN设备进口,实现集成并构建列车通信网络,实时调度理论等底层关键技术和方法的研究明显滞后于实际应用。鉴于列车通信网络的特殊地位,高速列车通信网络相关理论的研究迫在眉睫,本文定位于列车通信网络实时调度技术的研究。
本文在分析国内外研究现状的基础上,结合列车通信网络实时调度相关理论,从多功能车辆总线(MVB)调度技术、绞线式列车总线(WTB)调度技术和TCN性能优化三个方面展开研究;并依据硬实时系统指标,结合列车的实际应用,利用OPNET构建了精确的仿真平台,以对MVB调度算法、WTB调度算法和TCN性能优化进行仿真论证。主要研究内容包括:⑴在深入研究MVB周期任务和非周期任务通信机制的基础上,对MVB任务调度问题进行了抽象,建立了MVB周期任务和非周期任务调度问题的数学模型;提出了一种基于RM的MVB实时调度表构建算法,并基于最长响应时间分析了MVB实时调度算法的可调度性;仿真实验表明,MVB周期任务调度满足可预测性和时间约束性特征。鉴于CSMA/CD和时隙的介质访问冲突方法各自的优势和不足,提出了一种基于令牌传递的二分查找MVB非周期任务调度算法;仿真实验表明,MVB非周期任务调度中高优先级任务具有较好的实时特性。⑵在深入研究了WTB周期任务和非周期任务通信机制的基础上,建立了WTB周期任务和非周期任务调度问题的数学模型;利用MVB实时调度表构建算法,设计了一种同时满足周期任务和非周期任务的WTB调度算法;并进行了相应的仿真实验,验证了算法的正确性,有效评估了极端情况下WTB周期任务和非周期任务的最长响应时间。⑶针对TCN中固定带宽分配机制易导致带宽资源浪费,提出了一种动态带宽分配策略。仿真实验表明,采用动态带宽分配机制,在实现开销可接受的范围内,非周期任务的最长响应时间降低效果明显,TCN实时性能提升显著。