时速160公里动力集中动车组TCMS时延特性研究

赵 焱

中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116022

1 引言

时速160公里动车组动力车是以200k m/h客运电力机车平台为基础，其TCMS动车组的神经系统和指挥中枢，协调中央控制系统与各子系统的控制、监视与诊断任务，汇总各子系统工作状态和故障诊断信息，完成整车级的控制、故障诊断、状态监视等工作。

TCMS由于各子系统存在通信协议转换、逻辑控制算法复杂化、运行环境多变等影响因素，通信数据的信息交互时间将会增大，使得控制信号在传输过程中不可避免的出现时延。时延不仅影响信息传递的实时效果，更直接影响控制任务的执行，进而影响系统控制的及时性、准确性[1]。TCMS时延与动力车控制实时性密切相关，时延过大将会导致牵引、制动等系统控制不及时；因此分析TCN控制系统时延特性是一项重要研究内容。

2 TCMS时延特性分析

图1 不同任务周期下时延的变化趋势

TCMS时延是整个列车网络的信息交互时间，包括传输时延、发送时延、接收时延[2]。发送时延包括处理时延、等待时延、数据应答时延；接收时延包括等待时延、数据应答时延。系统时延的大小会受到传输介质、通信距离、设备性能、排队周期、解析与访问快慢等综合因素共同影响。模拟分析列车的一个完整的系统时延：从中央控制单元(CCU)、司机显示单元(DDU)、网关1(GW)，网关2(GW)再到CCU。

从整体角度看，系统总时延等于各设备的部分时延：

只改变任务周期时，源端口的数据更新速度会产生变化，进而对等待时延和处理时延产生影响。控制系统的总体时延也将随CCU 任务周期增大而增大。任务周期为64～128 ms时，时延变化较快。任务周期为128～256 ms时，时延数值线性化明显，呈规律性变化。

3.2 任务周期与源端口特征周期匹配关系对TCMS时延的影响 任务周期与源端口特征周期匹配与否即使数据之间的传输与数据更新是否一致，将会影响系统源端口的等待时延，进而影响系统控制信号的实时性。

为验证上述匹配关系的影响，同时调整任务周期和特征周期，得出系统时延优化配置方法与影响因素，分组对比测试。时延变化趋势见图2。

式中：TC-D为CCU 到DDU 的时延；TD-G、TG-G、TG-C为线路传输时延；TGw为经过网关时延，两个网关之间采用WTB通信。

3 TCMS时延测试

根据多次测量数据TC-D取平均值为260.611 ms，由式(1)得：Tdelay=292.61182 ms，此时Tdelay为CCU—DDU 经过网关时整个控制系统的总体时延。

3.1 任务周期对TCMS时延的影响 任务周期更改的是发送端应用层产生数据并将数据放至通信寄存器源端口的时间和数据逻辑运算的时间。任务周期的变化会影响数据的更新快慢进而影响源端口的处理时延和等待时延。

为减少干扰，系统中只使用CCU 和DDU 等网络设备，改变CCU 中任务周期，分组测试，使用网络分析仪，抓取端口数据，解析时延。每组进行40次测试取平均值，研究任务周期对系统整体时延的影响规律。时延变化趋势见图1。

图2 任务周期与特征周期匹配对时延的影响

由数据看出，当任务周期与源端口的特征周期设置不一致，系统的等待时延产生变化并出现时延抖动，造成时延的不规律增大；当任务周期与源端口的特征周期设置相同，等待时延最小，基本无时延抖动，稳定性高，可以使系统时延达到最优化。

4 总结

基于搭建的时速160公里动力集中动车组TCMS测试平台进行时延试验，通过对MVB过程数据的量化，对控制系统时延特性进行分析。

在一定范围内时延呈线性变化，数据解码与访问的时间短，接收时延和发送时延小，系统时延变小；反之，当任务周期与源端口特征周期过大时，数据解码与访问的时间长，系统时延变大。当任务周期与特征周期不匹配时，会造成数据传输与更新不同步，系统等待时延变大，易产生时延抖动，控制系统不稳定；当任务周期与源端口特征周期相同时，数据传输与更新保持一致，控制系统时延抖动小，控制系统稳定性高，此时网络控制系统的时延小，实时性好。

本文所做的试验数据和所得规律可用于时速160公里动力集中动车组的实际工程项目应用中，为配置网络控制系统参数和优化控制系统性能提供参考，对提高动车组日常运行的实时性、稳定性、准确性起到重要作用。