汽车下一代高速数据传输网络基础理论研究

The Next generation in-vechicle network FlexRay bus vehicle network control system is a distributed control system that constituted by a number of controllers and electrical equipments. The complex control tasks share FlexRay bus network resources through the way of TDMA. Due to the irregular changes in network data traffic and the limited network bandwidth resources, the control performance and stability of FlexRay bus network system will be declined while the data transfer information network tends to saturation. By considering the control and scheduling influence on real-time and reliability of vehicle FlexRay bus network system, this project proposed the adaptive controller theoretical model and predict dynamic scheduling algorithm. Predicting the network operations of the next time by sample the working status of current time, and adapt to the dynamic changes of the load through online adaptive adjustment the task workload. And improve the real-time and reliability of the control system while a large amount of data is transmitted. Meanwhile avoiding the instability of vehicle network system due to the automotive electromagnetic interference and other factors. The results will provide a new scientific information and theoretical basis for networked, intelligence development of vehicle in the future.

汽车下一代高速数据传输总线FlexRay网络控制系统是由许多控制器、执行器、传感器和一些电气设备构成的非常复杂的分布式控制系统，复杂多变的控制任务以分时复用的方式共享网络资源，由于网络中数据流量变化的不规则性以及网络带宽资源的有限性，会造成数据传输的不确定性和数据传输的延时，使得FlexRay车载网络在高速传输数据时系统的控制性能和稳定性能下降，不能保证控制系统的安全性与可靠性。本项目综合考虑控制与调度对汽车下一代FlexRay车载网络工作的可靠性与稳定性的影响，提出自适应控制器理论模型和预测动态调度算法，通过采样当前时刻汽车车载网络的工作状态，预测下一时刻车载网络的运行状态，以在线自适应调节任务工作量的方式来适应车载网络系统中动态变化的负载，提高FlexRay车载网络控制系统工作的可靠性和稳定性。研究结果为汽车今后进一步的网络化、智能化发展提供新的科学资料和理论依据。

高速数据传输总线FlexRay作为下一代汽车高速车载网络的标准将引导整个汽车电子产品结构的走向，尤其是汽车线控技术（X-by-Wire）的出现和FlexRay数据传输总线在汽车的底盘控制、车身控制和动力总成控制等安全关键实时系统中的应用，对FlexRay总线数据传输的可靠性、确定性和实时性提出了更高要求，促进了汽车高速车载网络FlexRay技术的发展。而传统的汽车车载总线如CAN（Controller Area Network）、LIN（Local Interconnect Network）、MOST（Media Oriented System Transport）等由于缺少确定性、同步性及容错机制等，在某些应用场合已经无法满足未来汽车对可靠性、安全性和车辆内外大量信息交换的需要。高速数据传输总线FlexRay技术的出现，弥补了现有车载网络系统在容错性和数据传输速率低的不足，并将逐步取代CAN总线成为下一代的汽车高速数据传输车载网络。本项目综合考虑控制与调度对汽车下一代高速数据传输网络工作的可靠性与稳定性的影响，建立了汽车高速数据传输网络FlexRay控制系统中的“自适应控制器理论模型”，采用水平回归的方法，找出最优化性能准则函数，用数值最优程序确定输入控制信号；预测动态调度算法是通过采样当前时刻汽车车载网络的工作状态，利用获取到的信息计算网络资源利用率、数据传输时间、控制系统的采样周期等参数，进而预测出下一时刻车载网络的运行状态，通过在线自适应调节任务工作量的方式来调节车载网络系统中动态变化的负载，实现过程的自适应控制。本项目紧密结合汽车下一代高速数据传输总线FlexRay车载网络化控制技术发展需求，着重解决未来汽车因控制功能增加、控制任务增多使得汽车车载网络FlexRay控制系统中在大数据量传输信息时系统的实时性、可靠性、稳定性和带宽资源利用率下降的一些基础理论问题。项目研究目标明确、针对性强，其研究成果对于发展汽车下一代车载网络技术有理论参考价值。