車顏澤

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

光纖信號(hào)系統(tǒng)中采用了被廣泛應(yīng)用的信號(hào)技術(shù)，它可以在光纖信號(hào)系統(tǒng)中交換多種信號(hào)信息，而實(shí)現(xiàn)信號(hào)信息的快速傳輸和自動(dòng)化控制很大程度上依賴于信號(hào)傳輸設(shè)備，所以信號(hào)傳輸設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備需要具有智能傳輸、發(fā)送和信號(hào)信息聯(lián)網(wǎng)功能，使光纖信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)冗余化和自動(dòng)化，光纖信號(hào)系統(tǒng)外的信號(hào)配件在符合控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還要具備自動(dòng)狀態(tài)自檢功能，以便光纖信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜度能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制。

傳統(tǒng)的光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法傳送信號(hào)信息緩慢、容量較小、抗干擾能力較差，無(wú)法控制信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜度。

基于以上傳統(tǒng)控制方法出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出了基于有線通信反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法，采用有線通信技術(shù)，利用反向傳輸特點(diǎn)，提取光纖信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜度數(shù)據(jù)，復(fù)雜度數(shù)據(jù)中包括控制信號(hào)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)能夠掌握信號(hào)系統(tǒng)中復(fù)雜度的控制情況，對(duì)光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，從而反饋系統(tǒng)信號(hào)裝置的狀態(tài)，方便對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的基于有線通信反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法的有效性。

1 光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)提取

光纖信號(hào)系統(tǒng)中的終端數(shù)據(jù)包含多種數(shù)據(jù)，例如：信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)、性質(zhì)數(shù)據(jù)、信號(hào)方向顯示數(shù)據(jù)、信號(hào)機(jī)位置數(shù)據(jù)、信號(hào)狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)、信號(hào)區(qū)段數(shù)據(jù)、系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)鏈表結(jié)構(gòu)中，為了提取完整的光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)，需要將終端數(shù)據(jù)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)存放在信號(hào)傳輸設(shè)備上，利用光纖信號(hào)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同數(shù)據(jù)存放的位置，制定光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)提取方式和讀取方式。

用一段字符串表示信號(hào)系統(tǒng)中的終端設(shè)備，終端數(shù)據(jù)中各個(gè)特征數(shù)據(jù)占用的字符數(shù)為，信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)：2位，信號(hào)性質(zhì)數(shù)據(jù)：4位，信號(hào)方向顯示數(shù)據(jù)：2位，信號(hào)機(jī)位置數(shù)據(jù)：4位，信號(hào)狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)：3位，信號(hào)區(qū)段數(shù)據(jù)：6位，信號(hào)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：2位，系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)：2位，空單元數(shù)據(jù)：4位，終端數(shù)據(jù)的字符串整體示意圖如圖1所示。

觀察圖1可知，這些數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)中同樣包含一些特征屬性數(shù)據(jù)，特征屬性數(shù)據(jù)中的信號(hào)定位數(shù)據(jù)、信號(hào)機(jī)反位數(shù)據(jù)、信號(hào)首地址數(shù)據(jù)以及空單元數(shù)據(jù)均可反映信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜度，如圖2所示為具有其他特征屬性的字符串。

圖1 終端數(shù)據(jù)的字符串整體示意圖

圖2 具有其他特征屬性的字符串

基于圖1和圖2的靜態(tài)字符串，結(jié)合終端數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)，通過(guò)相應(yīng)的功能子函數(shù)從終端數(shù)據(jù)中提取光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)，以及復(fù)雜度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，提取時(shí)需要進(jìn)行判定，采用功能子函數(shù)判斷圖1和圖2輸入的字符串?dāng)?shù)據(jù)是否完整，如果輸入的字符串?dāng)?shù)據(jù)出現(xiàn)越界現(xiàn)象，則字符串?dāng)?shù)據(jù)不完整，需要重新輸入；如果完整，需要判斷字符串?dāng)?shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)還是靜態(tài)數(shù)據(jù)，如果為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，則按照數(shù)據(jù)提取邏輯來(lái)提取光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)，如果為靜態(tài)數(shù)據(jù)，則按照數(shù)據(jù)提取的先后順序來(lái)提取系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)，提取完畢后將系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)存放在動(dòng)靜混合數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)中，方便靜態(tài)數(shù)組對(duì)其進(jìn)行跟蹤。

2 光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀分析

在光纖信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，把需要傳輸?shù)乃兄芷趶?fù)雜度數(shù)據(jù)和非周期復(fù)雜度數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)幀格式封裝成一個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀格式包括幀頭、數(shù)據(jù)幀開始、幀運(yùn)行、信號(hào)傳輸模式以及每個(gè)終端數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)中的具體位置、字符串長(zhǎng)度、靜態(tài)數(shù)據(jù)首地址等。為了提高光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法的穩(wěn)定性，在傳輸光纖信號(hào)時(shí)，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，以便周期性復(fù)雜度數(shù)據(jù)和非周期性復(fù)雜度數(shù)據(jù)同時(shí)段傳輸，光纖信號(hào)傳輸時(shí)延在這種情況下會(huì)保持穩(wěn)定，如圖3所示為一個(gè)完整的復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀格式，它具有2個(gè)幀頭和3個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)段。

圖3 完整的復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀格式

圖3中，L為復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，CHS為求和校驗(yàn)碼，其計(jì)算公式為：

式中：L為終端數(shù)據(jù)段號(hào)（復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀幀頭L=0）；byte[i]為一個(gè)字符串?dāng)?shù)據(jù)的第i個(gè)字節(jié)（i=0，1，2，3）。

光纖信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)行復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀時(shí)可采用校驗(yàn)碼驗(yàn)證系統(tǒng)的復(fù)雜度，如果驗(yàn)證結(jié)果結(jié)果顯示復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度有誤，則光纖信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)行復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀時(shí)，需要傳輸一個(gè)幀長(zhǎng)度有誤的信號(hào)，如圖4所示，如果驗(yàn)證結(jié)果顯示復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度穩(wěn)定且符合標(biāo)準(zhǔn)，則光纖信號(hào)系統(tǒng)不需要傳輸信號(hào)，而是執(zhí)行自動(dòng)化控制命令，并發(fā)送一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)表示復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤處理過(guò)程

如圖5所示，由于光纖信號(hào)系統(tǒng)引入了驗(yàn)證機(jī)制，系統(tǒng)的處理模塊和控制模塊建立了全雙工光纖信號(hào)。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸正確處理過(guò)程

按照選擇性重傳方法對(duì)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，在同一信號(hào)傳輸時(shí)段內(nèi)傳送長(zhǎng)度相同的2個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，前一個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀為后一個(gè)的冗余數(shù)據(jù)幀。

光纖信號(hào)系統(tǒng)在對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜度進(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí)，首先需要使用校驗(yàn)碼驗(yàn)證第一個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀的穩(wěn)定性，如果第一個(gè)數(shù)據(jù)幀沒(méi)有出現(xiàn)越界，就使用數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)越界現(xiàn)象，則無(wú)法使用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如果第二個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀穩(wěn)定且正確，則使用第二個(gè)數(shù)據(jù)幀，為了確保2個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延一致，2個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀需要全部驗(yàn)證后再進(jìn)行傳輸，如果2個(gè)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀全部出現(xiàn)越界現(xiàn)象，則光纖信號(hào)系統(tǒng)需要做重傳處理，正常情況下，光纖信號(hào)系統(tǒng)的通信鏈路基本不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀都越界的現(xiàn)象，依次驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀準(zhǔn)確性的好處是可以確保周期性復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀和非周期性復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀都能夠穩(wěn)定傳輸，節(jié)約了重新傳輸?shù)臅r(shí)間，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)幀分析的過(guò)程，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性較高。

與此同時(shí)，由于數(shù)據(jù)幀字符串長(zhǎng)度符合標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，所以系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延大小保持不變，對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀的傳輸和發(fā)送導(dǎo)致字符串長(zhǎng)度減小一半，但由于字符串長(zhǎng)度比數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度短了一倍，所以不會(huì)增加周期性復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延，也不會(huì)影響光纖信號(hào)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制性能。

3 基于有線通信反向傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制

提取光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)并分析復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀后，提出基于有線通信反向傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制方法，根據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜度數(shù)據(jù)幀和傳輸軌跡，采用相應(yīng)的控制子函數(shù)，改變自動(dòng)化控制輸入和輸出方式，并進(jìn)行迭代控制。在采樣周期內(nèi)，經(jīng)過(guò)迭代處理后，可實(shí)現(xiàn)光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制，設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器Lk（x），保持光纖信號(hào)系統(tǒng)處于收斂狀態(tài)，容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 容錯(cuò)控制器

其中，R1、R2表示系統(tǒng)狀態(tài)反饋增益矩陣，該矩陣可以提高光纖信號(hào)系統(tǒng)的有效性和可靠性，并降低有無(wú)記憶狀態(tài)反饋矩陣控制的差值，除此之外，基于有線通信反向傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制方法需要掌握狀態(tài)反饋增益矩陣的參數(shù)，為了估算（x）和f（x），在控制過(guò)程中，定義狀態(tài)跟蹤誤差c1、控制估計(jì)誤差c2、輸出控制誤差c3、錯(cuò)誤估計(jì)誤差c4：

由以上計(jì)算得出的控制誤差值和估計(jì)誤差值判斷，當(dāng)光纖信號(hào)系統(tǒng)光纖斷裂、控制器控制性能降低、光纖接頭配置失誤等緊急情況出現(xiàn)時(shí)，光纖信號(hào)系統(tǒng)是否可以正常傳輸復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，如果周期性復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延超過(guò)界定范圍，基于有線反向傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制性能能否受到影響，如果采用一般的自動(dòng)化控制方法，不能解決以上數(shù)據(jù)幀越界問(wèn)題，所以如果光纖信號(hào)系統(tǒng)的控制器在采樣周期內(nèi)沒(méi)有接收到復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，系統(tǒng)的自動(dòng)化控制性能就會(huì)降到最低，如果接收到復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，可以使用連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型求取控制方程。

設(shè)基于有線反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)被控目標(biāo)的連續(xù)狀態(tài)方程為：y（x）=cy（x）+Dt（x），控制器的狀態(tài)跟蹤方程為t（h）=-Hy（h），h=0，1，2，…。其中，y∈Mi，t∈Mn。給定傳輸時(shí)段Ra，可將狀態(tài)跟蹤方程離散化，采樣周期內(nèi)由于光纖信號(hào)差導(dǎo)致沒(méi)有接收到復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，因?yàn)椴捎昧肆汶A保持器，信號(hào)輸入將保持K個(gè)周期不傳輸；這樣就可以通過(guò)考察m是否大于1來(lái)確定光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度的自動(dòng)化控制能力，如果m >1，說(shuō)明光纖信號(hào)系統(tǒng)較為可靠，自動(dòng)化控制能力較高；如果m<1，則光纖信號(hào)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，自動(dòng)化控制能力較弱。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的基于有線反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法的有效性，將本文提出的控制方法與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，由式(3)得到信號(hào)系統(tǒng)的控制系數(shù)矩陣如式(1)所示：

根據(jù)式(1)，可得到光纖信號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)曲線，如圖7所示。

圖7 光纖信號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)曲線

當(dāng)m=6和9時(shí)，R1曲線變化小，R2處于跟蹤估計(jì)狀態(tài)，R3曲線變化最大，由于R3的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度最大，所以該狀態(tài)下的光纖信號(hào)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，以R3數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將本文提出的光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)時(shí)間為2秒時(shí)，本文提出方法下的b（x）為0.45，傳統(tǒng)方法下的b（x）為0.65，而標(biāo)準(zhǔn)b（x）為0.3，本文提出方法下的b（x）與標(biāo)準(zhǔn)值僅差0.15，而傳統(tǒng)方法下的b（x）與標(biāo)準(zhǔn)值相差0.35，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本文提出的光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制效果由于傳統(tǒng)方法，為驗(yàn)證控制效果，進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的控制結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表1對(duì)比結(jié)果可知，采用傳統(tǒng)方法的控制效果低于60%，本文方法的控制效果最高可達(dá)到95%，最低也能達(dá)到90%，本文方法的控制效果最低值也會(huì)高于傳統(tǒng)方法，由此驗(yàn)證了本文提出的基于有線通信反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，具有更高的有效性和穩(wěn)定性。

表1 控制效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本文提出的基于有線反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法的能夠很好地降低控制過(guò)程的復(fù)雜度，提高控制效果，實(shí)現(xiàn)控制能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)控制方法出現(xiàn)的傳輸光纖緩慢、信息存儲(chǔ)容量有限、抗干擾能力較差等問(wèn)題，提出了基于有線通信反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法。該方法提取了光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)，并分析了信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀，通過(guò)相關(guān)算法和系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了本文提出的基于有線通信反向傳輸?shù)墓饫w信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜度自動(dòng)化控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法，具有更高的有效性和穩(wěn)定性，能夠快速傳輸光纖信號(hào)，擴(kuò)大信息存儲(chǔ)容量，并提高光纖信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾性能。