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        鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時(shí)通信方法

        2022-02-11 11:47:26畢江海
        制造業(yè)自動(dòng)化 2022年1期
        關(guān)鍵詞:延時(shí)機(jī)械設(shè)備車間

        畢江海

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

        0 引言

        隨著全球科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,各種新型的鐵路機(jī)械設(shè)備也開始朝著智能化和自動(dòng)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(jī)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(dǎo)致中心節(jié)點(diǎn)負(fù)荷嚴(yán)重,同時(shí)還會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信癱瘓。目前,鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間開始更加傾向于實(shí)際業(yè)務(wù)需求,同時(shí)將數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)。但是由于數(shù)據(jù)通信量比較大,經(jīng)常會(huì)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(duì)智能制造車間數(shù)據(jù)低延時(shí)通信技術(shù)展開了大量研究,例如宋庭新[3]等人設(shè)計(jì)了基于OPC UA的智能制造車間數(shù)據(jù)通信方法,同時(shí)還開發(fā)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人監(jiān)測(cè)模塊,最終實(shí)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(jì)了車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與傳輸方法,在無人機(jī)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(duì)通信過程中產(chǎn)生的干擾量進(jìn)行抑制,增加了通信時(shí)間和平均能耗。針對(duì)這一問題,本研究設(shè)計(jì)了鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時(shí)通信方法。

        1 低延時(shí)通信方法設(shè)計(jì)

        1.1 通信過程干擾抑制

        在鐵路機(jī)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(gè)接收天線,采用單發(fā)單收模式。為了簡(jiǎn)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(shí)全部信道增益均服從高斯分布,則兩個(gè)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(hào)接收端和發(fā)射端的信道增益。

        為了確保各個(gè)鏈路接收到的信號(hào)為完整信號(hào),則在第n個(gè)時(shí)隙所接收到的信號(hào)U可以表示為:

        式中,Dx代表信號(hào)的平均方差。

        通過AM理論獲取鐵路機(jī)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(shí)施干擾抑制的信號(hào)x可以表示為式(3)的形式:

        當(dāng)鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間的通信信號(hào)經(jīng)過FIR預(yù)濾波器處理后,需要繼續(xù)進(jìn)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(jī)兩個(gè)天線進(jìn)行前傳,則綜合放大系數(shù)αi的計(jì)算過程如下:

        式中,κ代表信號(hào)發(fā)生端的發(fā)射成功率。

        通過相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí),可以獲取通信過程中產(chǎn)生的誤碼率,詳細(xì)的計(jì)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(duì)待實(shí)施干擾抑制的信號(hào)x而言,可以設(shè)定對(duì)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(jī)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(jī)兩個(gè)信號(hào)之間的自相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上,設(shè)定一個(gè)已知的干擾抑制權(quán)重分量H,并引入放大前傳協(xié)議對(duì)接收端信號(hào)實(shí)施逆濾波處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制,得到有效信號(hào)x':

        1.2 傳輸路徑數(shù)據(jù)量分配

        在鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間的實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于通信路徑比較多,各個(gè)傳輸路徑之間也存在比較大的差異,當(dāng)達(dá)到接收端會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的亂序,接收方必須要補(bǔ)齊全部的數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)進(jìn)行傳輸。

        為了有效避免不同路徑傳輸性能對(duì)傳輸模型整體性能產(chǎn)生的影響,需要為各個(gè)傳輸路徑設(shè)定單一的發(fā)送和接收緩沖,同時(shí)通過各條路徑的實(shí)際傳輸延時(shí)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(jìn)行發(fā)送前,需要通過各個(gè)路徑上的傳輸性能分配各條路徑上的鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分組編號(hào)處理。

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

        設(shè)動(dòng)路徑Lm在當(dāng)前時(shí)間段的回路延時(shí)為tm,其中,m表示路徑數(shù)量。在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi),需要將全部路徑按照tm的取值大小進(jìn)行排序,進(jìn)而獲取對(duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)分配]:

        當(dāng)發(fā)送方完成全部集合的遍歷工作后,需要依次對(duì)各條路徑進(jìn)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(jìn)行鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)分配,同時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)分組的傳輸序列序號(hào)。在設(shè)定的傳輸時(shí)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(gè)CMT模型,則需要將鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間中的全部進(jìn)行遍歷處理,同時(shí)通過各條路徑的傳輸延時(shí)分配對(duì)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(shí)通信設(shè)計(jì)

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

        結(jié)合實(shí)際需求,對(duì)通信樹的并發(fā)通信規(guī)則進(jìn)行設(shè)定,過程如下:

        1)在設(shè)定時(shí)間段內(nèi),隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,設(shè)定通信連接數(shù)為v。

        2)假設(shè)通信樹沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)換,則相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)忽略路由控制信息。

        4)當(dāng)通信樹中全部節(jié)點(diǎn)均接收到鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)時(shí),則停止通信。

        在數(shù)據(jù)低延時(shí)通信過程中,節(jié)點(diǎn)不僅僅是資源或者服務(wù)提供者,同時(shí)也是資源服務(wù)者,各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的地位是完全平等的。當(dāng)鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間引入并發(fā)通信機(jī)制之后,所以獲取的數(shù)據(jù)均可以承擔(dān)對(duì)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(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時(shí)通信結(jié)構(gòu)中,需要按照節(jié)點(diǎn)順序進(jìn)行通信,后一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須等到前一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成通信之后才可以技術(shù)進(jìn)行通信。假設(shè)隨機(jī)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障,則后組的節(jié)點(diǎn)將無法接收到通信數(shù)據(jù),甚至導(dǎo)致瓶頸效應(yīng)。

        假設(shè)若想要全部節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的計(jì)算式為:

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

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

        式中,M×N表示通信規(guī)模。

        在設(shè)計(jì)低延時(shí)通信過程時(shí),首先需要對(duì)節(jié)點(diǎn)信任度進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)推薦度劃分通信節(jié)點(diǎn)類型,最大限度發(fā)揮節(jié)點(diǎn)通信能力,從而實(shí)現(xiàn)低延時(shí)通信。詳細(xì)的操作步驟如下:

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

        式中,δ代表時(shí)間幀總數(shù)。

        2)考慮到不同推薦個(gè)體的可信度差異,需要將推薦個(gè)體的信任度作為推薦信任權(quán)重,進(jìn)而推算出推薦節(jié)點(diǎn)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(shí)將節(jié)點(diǎn)的信任度和推薦信任度進(jìn)行加權(quán)平均處理,進(jìn)而獲取綜合信任度。

        4)加入信任衰減函數(shù),同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)信任度策略進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

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

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

        2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

        為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時(shí)通信方法的可行性,設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

        為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性,將文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]方法作為對(duì)比,從通信時(shí)間、平均延時(shí)、通信過程能耗的角度,與本文方法展開對(duì)比驗(yàn)證。

        首先分析通信數(shù)據(jù)量的變化對(duì)通信時(shí)間產(chǎn)生的影響,詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)間測(cè)試結(jié)果

        分析圖1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,通信時(shí)間會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增加而增加,本文方法的通信時(shí)間在三種方法中為最短,文獻(xiàn)[3]方法的通信時(shí)間次之,文獻(xiàn)[4]方法的通信時(shí)間為最長(zhǎng)。然后將通信時(shí)間作為測(cè)試指標(biāo),分析三種不同方法的通信效率,詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)間測(cè)試結(jié)果

        分析表1中的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的優(yōu)越性,分析采用本文方法進(jìn)行通信前后的數(shù)據(jù)平均延時(shí)的變化情況,具體實(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)試結(jié)果分析

        分析圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在使用本文方法后,數(shù)據(jù)平均延時(shí)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(shí)下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。最后,對(duì)比三種不同方法的平均能量消耗情況,詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

        圖3 不同方法的平均能量消耗測(cè)試結(jié)果對(duì)比

        分析圖3中的實(shí)驗(yàn)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(huì)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?yàn)楸疚姆椒▽?duì)通信過程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)進(jìn)行了有效抑制,在確保數(shù)據(jù)通信的順利進(jìn)行的同時(shí),還可以簡(jiǎn)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(jì)并提出一種鐵路機(jī)械設(shè)備智能制造車間數(shù)據(jù)低延時(shí)通信方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法可以有效減少通信時(shí)間以及平均能量消耗,同時(shí)還可以確保數(shù)據(jù)在低延時(shí)情況下進(jìn)行通信。其通過抑制通信過程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)來確保數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量,在簡(jiǎn)化通信流程的同時(shí)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(jià)值。

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