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基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统通信网络的研究

作　者: 沈成禄
导　师: 董昱
学　校: 兰州交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 计算机联锁系统多智能体系统工业以太网 CAN总线网络实时性
分类号: U284.362
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

计算机联锁系统是保障站内行车安全,改善行车人员劳动条件以及提高运输效率的铁路车站信号控制系统。目前计算机联锁系统采用以联锁计算机为核心的集中控制方式,联锁计算机及其接口作为系统的集中点,其可靠性和安全性影响整个计算机联锁系统,如果出现故障,会产生很大的影响面。本文在对计算机联锁技术条件分析的基础上,应用MAS技术和分布式控制技术,提出了一种基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统设计方案。本论文的重点是利用CAN总线技术和工业以太网技术,设计一套通信网络将各个分散的联锁智能体互联从而组成分布式多智能体系统,使新系统具有设备控制智能化,联锁运算分散化,控制信息传输网络化的优点,提高了计算机联锁系统的可靠性和安全性。论文的主要内容如下：通过对Multi-Agent技术、工业以太网技术和CAN总线技术特点的总结研究,结合计算机联锁系统自身的特点,分析其应用于计算机联锁系统的可行性和优越性。结合工业以太网和CAN总线技术提出基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统的整体设计,在此结构中CAN总线作为连接联锁智能体的纽带,其上层通过CAN-Ethernet网关与工业以太网进行无缝连接。通过与现有计算机联锁控制系统的比较,得出分布式计算机联锁系统的优点。在通信网络软硬件结构的设计中,操作表示机采用高性能工控机,通过Winsoket网络编程对联锁智能体进行监控；CAN-Ethernet网关采用DSP和嵌入式微处理器相结合的结构,并精简网络协议,使系统简单实用,着重对CAN-Ethernet网关的CAN接口和以太网接口的软硬件结构进行了设计；联锁智能体采用内置CAN控制器的高性能ARM微处理器作为主控制器,实现智能体之间以及与操作表示机的通信。CAN报文信息延时是影响网络实时性的主要因素。通过数学建模着重对其媒体访问延时进行分析,利用Matlab仿真得出影响媒体访问延时大小的主要因素,并提出若干改进方案,以改善系统的实时性能。最后,用交换式以太网络构建分布式系统来对分布式计算机联锁系统进行仿真,通过模拟进路建立和人工延时解锁功能验证了基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统设计的可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-13
  1.1 选题的背景和意义  10-11
  1.2 论文的研究内容和结构安排  11-13
2 基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统的理论基础  13-21
  2.1 分布式控制系统  13-14
    2.1.1 分布式控制系统的概述  13
    2.1.2 分布式控制系统的特点  13-14
  2.2 Multi-Agent系统  14-15
    2.2.1 MAS概述  14
    2.2.2 MAS技术的特点  14-15
  2.3 工业以太网技术  15-17
    2.3.1 工业以太网技术概述  15-16
    2.3.2 交换式工业以太网技术  16-17
  2.4 CAN总线技术  17-20
    2.4.1 现场总线的概念  17
    2.4.2 CAN总线的基本概念  17-18
    2.4.3 CAN的分层结构和通信协议  18-20
  2.5 MAS应用于计算机联锁系统的可行性  20
  2.6 小结  20-21
3 基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统总体设计  21-30
  3.1 现有计算机联锁系统分析  21-22
  3.2 基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统结构  22-24
    3.2.1 总体结构  22-23
    3.2.2 操作表示层概述  23
    3.2.3 网络通信层概述  23
    3.2.4 Multi-Agent层概述  23-24
    3.2.5 系统的特点  24
  3.3 智能体协作分析  24-29
    3.3.1 系统整体工作过程  25-26
    3.3.2 系统主要功能分析  26-29
    3.3.3 系统的智能性分析  29
  3.4 小结  29-30
4 通信网络的硬件设计  30-38
  4.1 操作表示机和以太网交换机硬件  30
  4.2 CAN-Ethernet网关硬件设计  30-34
    4.2.1 Ethernet接口  30-32
    4.2.2 CAN总线接口  32-33
    4.2.3 接口模块之间的连接  33-34
  4.3 联锁智能体通信硬件的设计  34-37
    4.3.1 联锁智能体的结构  34-35
    4.3.2 联锁智能体通信硬件的结构  35-37
  4.4 小结  37-38
5 通信网络的软件设计  38-53
  5.1 操作表示机软件设计  38-42
    5.1.1 人机界面的设计  38-39
    5.1.2 TCP/IP通信的实现  39-41
    5.1.3 操作表示机热备冗余的实现  41-42
  5.2 CAN-Ethernet网关程序设计  42-49
    5.2.1 协议转化原理  42-43
    5.2.2 Ethernet接口程序  43-46
    5.2.3 CAN总线接口程序  46-49
  5.3 联锁智能体单元通信程序设计  49-52
  5.4 小结  52-53
6 网络实时性能分析  53-64
  6.1 CAN报文延时  53-62
    6.1.1 帧延时  54-55
    6.1.2 媒体访问延时  55-62
  6.2 CAN实时性能总结  62-63
  6.3 小结  63-64
7 系统仿真  64-70
  7.1 仿真系统的构成  64-67
  7.2 仿真系统功能演示  67-69
  7.3 小结  69-70
结论  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-74
攻读学位期间的研究成果  74

基于Multi-Agent的分布式计算机联锁系统通信网络的研究

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