面向车载主干网及线控应用的FlexRay总线通信机制优化研究

Due to the advantages of its performances, FlexRay becomes more and more important for the application of vehicular communication network. However, the efficiency and safety of its communication mechanism still can be further improved. Simultaneously from our previous study we found that the presence of synchronous clock drift will lead to a lower probability of dropped frames and data collisions. Because of these problems, FlexRay cannot be used in the fields of trunk network or the X-By-Wire applications. Basis of these preliminary studies, this subject intends to fix and optimize the communication mechanism of FlexRay. The main contents include: analyzing the solving solution to the problem of synchronous clock drift, optimizing the application layer protocol in order to achieve real reliable transmission with the reference of the computer network technology, studying the trunk network management scheme which can be suitable to the own characteristics of FlexRay, putting forward the scheduling and optimization scheme faced the large number devices and messages. The overall propose of this project is to further improve the safety mechanism and efficiency of the FlexRay, and thus to promote its practical process in the trunk network or X-by-Wire applications.

FlexRay总线由于其性能的优势成为呼声很高的下一代车用网络标准，但是其通信机制本身的效率及安全性仍存在可进一步提高的空间，并且在本课题组前期研究中发现其存在的同步时钟漂移会导致以较低概率丢帧和数据碰撞。由于上述问题的存在，目前FlexRay尚未被用于车载主干通信网络和线控操作。本课题利用前期研究基础，对其通信机制进行进一步的修正和优化，主要包括：对其协议中存在的同步时钟累计偏差问题进行分析并提出解决方案，借鉴计算机网络技术对其应用层协议进行优化以实现真正的可靠传输，研究适用于FlexRay自身特点的主干网络管理方案，设计大量设备和大量消息数据存在时的消息调度规划与优化方案。本课题总体研究目的为进一步提高FlexRay的安全机制和通信效率，从而推动其应用于车用主干网络和线控操作的实用化进程。

随着车辆上智能节点数量的大量增加，被称为“下一代车用网络标准”的FlexRay替代当前车用CAN 总线被提上日程。然而，即使FlexRay具有时间触发机制、高带宽、自带冗余及灵活性好等优势，但由于其协议复杂、配置参数众多造成其技术门槛高，时钟同步机制中的相位倒推算法形成累积误差会造成小概率丢帧，关键消息丢失后重传不及时造成其安全性对于线控系统仍有一定差距，因此FlexRay目前并没有应用于车载主干网络及线控系统。本课题针对上述问题展开研究，首先搭建了三个基础平台，包括：1）实验室4节点网络实物平台；2）网络调试与监控平台；3）网络仿真平台，在后期搭建了面向汽车线控制动系统的半实物仿真平台。在这些平台基础上，完成了以下计划书中的任务：1）面向可靠传输的应用层协议优化研究，提出一种关键数据的的快速重传方法，以改善FlexRay机制对于错误数据帧的处理方式，尽最大努力使关键数据在最短时间内得到重传；2）基于FlexRay 自身特点的网络管理研究，结合FlexRay通信协议特点，设计了一套基于汽车开放系统架构AUTOSAR标准的网络管理机制，完善节点加入网络和故障退出网络的处理方案；3）消息调度规划与优化研究，针对静态段时槽优化和消息调度问题，提出了二次整数规划模型，通过循环求解约束条件将二次规划问题转换为求解一次无目标函数的整数规划问题，最终可以有效提高静态段带宽利用率。4）同步时钟机制中累积偏差问题的研究，分析了同步时钟累积偏差产生的原因及影响，提出了缓解措施，并在实物硬件网络中进行了测试。将本课题研究思路针对相关控制网络在多个现场进行了初步探索性应用：包括应用于列车超偏载检测系统、列车通信网络、工业以太网、多功能车厢总线MVB、电池信息采集、汽车电控车窗控制等。本课题进一步优化了FlexRay的通信机制，提升了其可靠性和安全性，对于FlexRay在主干控制网络及线控系统的应用起到了推动作用。