鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時通信方法

畢江海

（1.中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100043；2.石家莊鐵道大學，唐山 063000）

0 引言

隨著全球科學技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，各種新型的鐵路機械設(shè)備也開始朝著智能化和自動化的方向發(fā)展，數(shù)據(jù)分布式管理已經(jīng)成為現(xiàn)階段發(fā)展的必要需求[1,2]。隨著鐵路機械設(shè)備生產(chǎn)量的增加，傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)管理模式易導致中心節(jié)點負荷嚴重，同時還會因為節(jié)點故障導致網(wǎng)絡(luò)通信癱瘓。目前，鐵路機械設(shè)備智能制造車間開始更加傾向于實際業(yè)務(wù)需求，同時將數(shù)據(jù)分布式存儲到對應(yīng)的站點。但是由于數(shù)據(jù)通信量比較大，經(jīng)常會存在通信效率低以及可靠性較差等問題，從而影響了制造車間的工作效率。

為此，相關(guān)專家針對智能制造車間數(shù)據(jù)低延時通信技術(shù)展開了大量研究，例如宋庭新[3]等人設(shè)計了基于OPC UA的智能制造車間數(shù)據(jù)通信方法，同時還開發(fā)對應(yīng)的機器人監(jiān)測模塊，最終實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)通信。郭磊[4]等人面向智能制造終端設(shè)計了車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與傳輸方法，在無人機鏈路通信系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)安全通信。然而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方法缺少對通信過程中產(chǎn)生的干擾量進行抑制，增加了通信時間和平均能耗。針對這一問題，本研究設(shè)計了鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時通信方法。

1 低延時通信方法設(shè)計

1.1 通信過程干擾抑制

在鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)通信過程中，設(shè)定發(fā)射端和接收端各存在一個接收天線，采用單發(fā)單收模式。為了簡化描述過程中，假設(shè)系統(tǒng)中全部鏈路的信道均為平坦衰落情形，同時全部信道增益均服從高斯分布，則兩個中繼站之間的信道增益Δx可以表示為如下形式：

式中，x1和x2分別代表信號接收端和發(fā)射端的信道增益。

為了確保各個鏈路接收到的信號為完整信號，則在第n個時隙所接收到的信號U可以表示為：

式中，Dx代表信號的平均方差。

通過AM理論獲取鐵路機械設(shè)備智能制造車間通信環(huán)境的干擾抑制權(quán)重分量q，經(jīng)過待實施干擾抑制的信號x可以表示為式(3)的形式：

當鐵路機械設(shè)備智能制造車間的通信信號經(jīng)過FIR預(yù)濾波器處理后，需要繼續(xù)進行中繼放大處理[5]。因此，假設(shè)α1和α2分別代表兩種取值不同的中繼放大系數(shù)，中繼主要通過隨機兩個天線進行前傳，則綜合放大系數(shù)αi的計算過程如下：

式中，κ代表信號發(fā)生端的發(fā)射成功率。

通過相關(guān)的先驗知識，可以獲取通信過程中產(chǎn)生的誤碼率，詳細的計算式如下：

式中，e代表誤碼率；S1代表數(shù)據(jù)接收端的信噪比取值；G代表高斯分布函數(shù)；γ代表系統(tǒng)的功率系數(shù)；S2代表數(shù)據(jù)發(fā)射端的信噪比取值。

針對待實施干擾抑制的信號x而言，可以設(shè)定對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)L（α1,α2），將其表示為式(6)的形式：

式中，Y代表在鐵路機械設(shè)備智能制造車間所采集的通信數(shù)據(jù)總量；τ代表隨機兩個信號之間的自相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定一個已知的干擾抑制權(quán)重分量H，并引入放大前傳協(xié)議對接收端信號實施逆濾波處理，從而實現(xiàn)對干擾信號的抑制，得到有效信號x'：

1.2 傳輸路徑數(shù)據(jù)量分配

在鐵路機械設(shè)備智能制造車間的實際生產(chǎn)過程中，由于通信路徑比較多，各個傳輸路徑之間也存在比較大的差異，當達到接收端會出現(xiàn)比較嚴重的亂序，接收方必須要補齊全部的數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)進行傳輸。

為了有效避免不同路徑傳輸性能對傳輸模型整體性能產(chǎn)生的影響，需要為各個傳輸路徑設(shè)定單一的發(fā)送和接收緩沖，同時通過各條路徑的實際傳輸延時來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)分組在不同路徑上的傳輸。也就是在數(shù)據(jù)進行發(fā)送前，需要通過各個路徑上的傳輸性能分配各條路徑上的鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)，同時對其進行分組編號處理。

假設(shè)鐵路機械設(shè)備智能制造車間兩個通信終端之間存在一個SCTP耦聯(lián)，采用CMT傳輸模型進行并發(fā)通信。在數(shù)據(jù)進行進行初次發(fā)送的過程中，發(fā)送端需要對各條路徑上的發(fā)送信號進行分組，進而獲取各條路徑的回路延時。接收方通過路徑的回路延時路徑計算各條路徑的傳輸延時。

設(shè)動路徑Lm在當前時間段的回路延時為tm，其中，m表示路徑數(shù)量。在設(shè)定時間范圍內(nèi)，需要將全部路徑按照tm的取值大小進行排序，進而獲取對應(yīng)的集合。假設(shè)m=5，則設(shè)定排序約束條件如下：

在滿足設(shè)定約束條件下，發(fā)送方只有滿足式(9)所示的約束條件，才可以進行數(shù)據(jù)分配]：

當發(fā)送方完成全部集合的遍歷工作后，需要依次對各條路徑進行判斷，將式(9)作為判定依據(jù)。

如果現(xiàn)階段發(fā)送方需要使用m條路徑進行鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)分配，同時設(shè)置對應(yīng)分組的傳輸序列序號。在設(shè)定的傳輸時間段內(nèi)，發(fā)送方需要根據(jù)數(shù)據(jù)分配結(jié)果依次將數(shù)據(jù)傳輸至不同的單元。

假設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)量超過整個CMT模型，則需要將鐵路機械設(shè)備智能制造車間中的全部進行遍歷處理，同時通過各條路徑的傳輸延時分配對應(yīng)的數(shù)據(jù)，直至全部數(shù)據(jù)完成分配完畢。

1.3 低延時通信設(shè)計

為了有效提升鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)的低延時通信效率，主要選取樹型結(jié)構(gòu)組織節(jié)點通信。為了更好地對數(shù)據(jù)通信程度進行描述，需要進一步引入并發(fā)度概念，同時在相同時間段內(nèi)，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為最多。

結(jié)合實際需求，對通信樹的并發(fā)通信規(guī)則進行設(shè)定，過程如下：

1）在設(shè)定時間段內(nèi)，隨機選取一個節(jié)點和其他節(jié)點進行通信，設(shè)定通信連接數(shù)為v。

2）假設(shè)通信樹沒有進行轉(zhuǎn)換，則相鄰兩個節(jié)點一定屬于通信父子關(guān)系。

3）由于路由控制信息明顯低于通信主體任務(wù)，所以在實際操作過程中，可以設(shè)定相同的主體通信任務(wù)數(shù)量，同時忽略路由控制信息。

4）當通信樹中全部節(jié)點均接收到鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)時，則停止通信。

在數(shù)據(jù)低延時通信過程中，節(jié)點不僅僅是資源或者服務(wù)提供者，同時也是資源服務(wù)者，各個節(jié)點之間的地位是完全平等的。當鐵路機械設(shè)備智能制造車間引入并發(fā)通信機制之后，所以獲取的數(shù)據(jù)均可以承擔對應(yīng)的通信任務(wù)。

隨著通信規(guī)模的不斷增加，通信并發(fā)度也開始顯著增加，通信效率也大幅度增加。在鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時通信結(jié)構(gòu)中，需要按照節(jié)點順序進行通信，后一個節(jié)點必須等到前一個節(jié)點完成通信之后才可以技術(shù)進行通信。假設(shè)隨機一個節(jié)點發(fā)生故障，則后組的節(jié)點將無法接收到通信數(shù)據(jù)，甚至導致瓶頸效應(yīng)。

假設(shè)若想要全部節(jié)點都接收通信數(shù)據(jù)，則需要完成r-1次數(shù)的任務(wù)發(fā)送，所以對應(yīng)的計算式為：

式中，taskj代表節(jié)點j所接收的數(shù)據(jù)總數(shù)。

將通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量和通信規(guī)模兩者之間的比值設(shè)定為η，其計算過程如下：

式中，M×N表示通信規(guī)模。

在設(shè)計低延時通信過程時，首先需要對節(jié)點信任度進行動態(tài)評價，然后根據(jù)節(jié)點推薦度劃分通信節(jié)點類型，最大限度發(fā)揮節(jié)點通信能力，從而實現(xiàn)低延時通信。詳細的操作步驟如下：

1）從信任評價角度出發(fā)，采用層次分析法獲取評價屬性的主觀權(quán)值，同時在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及處理的基礎(chǔ)上，直接計算出不同節(jié)點的信任度Bj，如式(12)所示：

式中，δ代表時間幀總數(shù)。

2）考慮到不同推薦個體的可信度差異，需要將推薦個體的信任度作為推薦信任權(quán)重，進而推算出推薦節(jié)點的推薦信任度閾值e(Bj）。

3）在操作過程中，需要加入信任調(diào)節(jié)隱私，同時將節(jié)點的信任度和推薦信任度進行加權(quán)平均處理，進而獲取綜合信任度。

4）加入信任衰減函數(shù)，同時對節(jié)點信任度策略進行實時更新。

5）通過節(jié)點信任度特征曲線分析結(jié)果，獲取節(jié)點信任度的取值范圍，同時將節(jié)點劃分為三種類型，為后續(xù)研究奠定堅實的基礎(chǔ)。

在上述分析的基礎(chǔ)上，通過并發(fā)通信機制，最大限度發(fā)揮節(jié)點通信能力，同時增加通信并發(fā)度，降低通信延時，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)低延時通信。

2 仿真實驗與結(jié)果分析

為了驗證上述設(shè)計的鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時通信方法的可行性，設(shè)計如下實驗。

為避免實驗結(jié)果的單一性，將文獻[3]、文獻[4]方法作為對比，從通信時間、平均延時、通信過程能耗的角度，與本文方法展開對比驗證。

首先分析通信數(shù)據(jù)量的變化對通信時間產(chǎn)生的影響，詳細的實驗測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同數(shù)據(jù)量下各方法的通信時間測試結(jié)果

分析圖1中的實驗數(shù)據(jù)可知，通信時間會隨著數(shù)據(jù)量的增加而增加，本文方法的通信時間在三種方法中為最短，文獻[3]方法的通信時間次之，文獻[4]方法的通信時間為最長。然后將通信時間作為測試指標，分析三種不同方法的通信效率，詳細的實驗測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同通信次數(shù)下各方法的通信時間測試結(jié)果

分析表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，在相同的通信次數(shù)下，相比于兩種傳統(tǒng)方法，本文方法的通信時間明顯更短一些，說明本文方法受到通信次數(shù)的影響比較小，也在一定程度上表明本文方法具有比較快的通信效率。

為了更進一步驗證本文方法的優(yōu)越性，分析采用本文方法進行通信前后的數(shù)據(jù)平均延時的變化情況，具體實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 使用本文方法前后的數(shù)據(jù)平均延時測試結(jié)果分析

分析圖2中的實驗數(shù)據(jù)可知，在使用本文方法后，數(shù)據(jù)平均延時相比之前得到有效降低，充分說明本文方法可以在比較低的延時下進行數(shù)據(jù)通信。最后，對比三種不同方法的平均能量消耗情況，詳細的實驗測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的平均能量消耗測試結(jié)果對比

分析圖3中的實驗數(shù)據(jù)可知，隨著數(shù)據(jù)量的增加，在通信過程中產(chǎn)生的能量消耗也會隨之增加。但是相比于兩種傳統(tǒng)方法，本文方法的平均能量消耗明顯更低一些。主要是因為本文方法對通信過程中出現(xiàn)的干擾信號進行了有效抑制，在確保數(shù)據(jù)通信的順利進行的同時，還可以簡化通信過程，從而有效降低通信過程中產(chǎn)生的能耗。

3 結(jié)語

本研究設(shè)計并提出一種鐵路機械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時通信方法。實驗結(jié)果表明，本文方法可以有效減少通信時間以及平均能量消耗，同時還可以確保數(shù)據(jù)在低延時情況下進行通信。其通過抑制通信過程中出現(xiàn)的干擾信號來確保數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量，在簡化通信流程的同時也有效降低了通信過程中產(chǎn)生的能耗，證明其具有較高的應(yīng)用價值。