高速磁浮列車信號系統(tǒng)實(shí)時處理功能設(shè)計(jì)

樊 亮，方 凱，殷 源

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

關(guān)于軌道交通系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的可能性，大多數(shù)研究只涉及了3種情況：（1）任務(wù)執(zhí)行過程中出現(xiàn)故障；（2）在狀態(tài)檢測過程中出現(xiàn)故障；（3）在狀態(tài)返回過程中出現(xiàn)故障[1]。針對信號系統(tǒng)實(shí)時處理能力不足而導(dǎo)致故障的問題，多數(shù)研究只進(jìn)行了簡單的時間分配處理，而沒有進(jìn)行合理性分析。

在高速軌道交通系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)是整個磁懸浮列車的重要子系統(tǒng)[2]。信號系統(tǒng)實(shí)時處理能力是高速列車超速防護(hù)響應(yīng)時間的重要指標(biāo)。對于SIL4（safe integrity level，安全完整性等級）級信號系統(tǒng)的列車自動防護(hù)系統(tǒng)，信號系統(tǒng)實(shí)時處理能力直接影響自動防護(hù)系統(tǒng)對速度曲線控制的效果及列車運(yùn)行的安全。一旦信號系統(tǒng)出現(xiàn)事件不能及時處理情況，將產(chǎn)生錯誤的防護(hù)動動作，導(dǎo)致信號系統(tǒng)降級處理。若在設(shè)計(jì)之初就建模分析事件的響應(yīng)處理時間，則可避免產(chǎn)生錯誤的防護(hù)操作。本文對信號系統(tǒng)響應(yīng)處理事件的實(shí)時性分析主要采用2種方法：（1）采用速率單調(diào)分析法對系統(tǒng)多任務(wù)處理事件進(jìn)行負(fù)載能力可行性分析，以保證系統(tǒng)處理每個事件不失效。（2）在事件周期性實(shí)時處理時間劃分后，進(jìn)行周期性事件可行性分析，以保證每個事件都能在規(guī)定的時間內(nèi)處理完成，從而確保事件處理時間的合理性。

1 采用任務(wù)調(diào)度周期性事件的理論分析

信號系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)前信號系統(tǒng)場景的執(zhí)行是否安全，主要與2個指標(biāo)有關(guān)，一是事件觸發(fā)場景執(zhí)行結(jié)果，二是場景事件處理完成時間。這2個指標(biāo)必須都完成。如果一個場景執(zhí)行正確但超過了處理完成時間，可能導(dǎo)致這個結(jié)果無效。

一個程序是處理器中可執(zhí)行的指令代碼，而這個指令代碼是采用循環(huán)順序執(zhí)行的，這個循環(huán)周期就是主周期。在高速磁浮系統(tǒng)中，為了提高事件處理響應(yīng)時間，主周期變得很短，但多數(shù)場景事件處理時間并未縮短，如果按照順序執(zhí)行方式處理事件，多數(shù)場景事件可能需要等待幾個周期后才能開始執(zhí)行，事件開始執(zhí)行時間變成不可預(yù)知。要使場景事件的執(zhí)行可預(yù)知，需要把主周期分割成多個小周期，主周期的時間是所有場景事件周期的最小公倍數(shù)。這樣，每個小周期的場景事件可被循環(huán)調(diào)用執(zhí)行，其執(zhí)行由事件觸發(fā)。

目前大多數(shù)信號系統(tǒng)執(zhí)行事件處理方式為周期順序執(zhí)行。而高速磁浮信號系統(tǒng)，對響應(yīng)時間提出了更高要求，事件的響應(yīng)處理必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成，這就要求部分事件響應(yīng)須可調(diào)度執(zhí)行。本設(shè)計(jì)采用時鐘驅(qū)動調(diào)度算法周期性地調(diào)度觸發(fā)事件執(zhí)行，而且每個事件的調(diào)度執(zhí)行時刻是預(yù)知的。

在信號系統(tǒng)實(shí)時處理分析中，如果在設(shè)計(jì)之初對場景事件的執(zhí)行時刻及執(zhí)行完成時間不預(yù)先進(jìn)行合理性分析，則在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程中即使采取有效合理的方法也很難進(jìn)行安全預(yù)防，從而可能導(dǎo)致無法預(yù)知的后果。本文采用合理的調(diào)度算法對場景事件的周期進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)初期就消除因多處時間并發(fā)或周期處理不合理導(dǎo)致的事件處理堵塞安全隱患。

2 采用速率單調(diào)法分析信號系統(tǒng)實(shí)時性

合理劃分場景事件周期性觸發(fā)時間后，將進(jìn)行響應(yīng)時間的可調(diào)度性分析，其采用的方法是速率單調(diào)法。速率單調(diào)分析算法的公式為[3]

式中：Ci——任務(wù)i的最長執(zhí)行時間；Ti——任務(wù)i的周期；n——任務(wù)總個數(shù)；U(n)——CPU利用系數(shù)的上限。

利用系數(shù)上限U(n)=Ci/Ti，可判斷任務(wù)的可調(diào)度性。速率單調(diào)分析算法的限制前提條件是：（1）各個任務(wù)之間相互獨(dú)立，不存在同步關(guān)系；（2）各任務(wù)的截止時間等于任務(wù)的周期；（3）周期運(yùn)行時，各任務(wù)的每次執(zhí)行時間都是固定的，任務(wù)的周期越短，優(yōu)先級越高。

目前，采用信號系統(tǒng)有限狀態(tài)在生命周期中進(jìn)行有限的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全分析，但不能滿足高速系統(tǒng)事件實(shí)時性要求。根據(jù)信號系統(tǒng)實(shí)時并發(fā)處理的條件進(jìn)行建模分析，一方面采用時鐘驅(qū)動調(diào)度算法進(jìn)行計(jì)算事件的周期性觸發(fā)時間，保證每個事件都能在規(guī)定的時間內(nèi)處理完成，避免超時故障帶來的安全隱患分析；另一方面采用速率單調(diào)法分析場景任務(wù)可調(diào)度性，從而判斷系統(tǒng)負(fù)載能力支持任務(wù)的可調(diào)度，不會因多處事件觸發(fā)，而無法調(diào)度任務(wù)處理而出現(xiàn)安全隱患。

通過以上分析及計(jì)算分析出場景事件的觸發(fā)條件及相關(guān)參數(shù)，同時可以采用模擬器對場景進(jìn)行模擬信號控制，減少系統(tǒng)分析師個人經(jīng)驗(yàn)錯誤，提高了信號系統(tǒng)安全隱患分析的效率，為下一步的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 磁浮列車車載運(yùn)行控制系統(tǒng)實(shí)時處理功能的設(shè)計(jì)

在高速磁浮系統(tǒng)中，車載運(yùn)行控制系統(tǒng)對響應(yīng)時間提出了更高要求，首先需對車載運(yùn)行控制系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行劃分，然后對預(yù)設(shè)時間參數(shù)進(jìn)行合理性分析，最后再進(jìn)行場景任務(wù)可調(diào)度性分析。

3.1 車載運(yùn)行控制系統(tǒng)組成

在磁浮列車兩端各設(shè)1臺車載子系統(tǒng)機(jī)柜用于安裝車載子系統(tǒng)設(shè)備。車載運(yùn)行控制系統(tǒng)（vehicle control system，VCS）主要包括車載安全計(jì)算機(jī)（vehicle safety computer，VSC）、控制面板、安全測速單元、輔助駕駛裝置（assistant operation module,AOM）、車載無線電控制單元（mobile radio control unit，MRCU）及車輛控制設(shè)備等，如圖1所示。其中，MRCU屬于車地?zé)o線通信系統(tǒng)，其與地面分區(qū)無線電控制單元（decentralized radio control unit，DRCU）進(jìn)行無線連接；DRCU與分區(qū)安全計(jì)算機(jī)（decentralised safety computer, DSC）及列車自動監(jiān)控（automatic train supervision, ATS）進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)車載與地面的數(shù)據(jù)交互。

圖1 車載系統(tǒng)與車輛接口示意Fig. 1 Schematic diagram of interface between onboard system and vehicle

VSC主要包括分區(qū)運(yùn)控模塊、中央運(yùn)控模塊、輔助駕駛模塊AOM、無線電控單元模塊、測速測距單元模塊、車載診斷網(wǎng)模塊及車輛控制網(wǎng)模塊，如圖2所示。圖中，車載運(yùn)控模塊通過與中央運(yùn)控模塊及分區(qū)運(yùn)控模塊交互，得到時刻表授權(quán)信息及列車運(yùn)行進(jìn)路信息，從而進(jìn)行列車自動防護(hù)監(jiān)控操作；同時根據(jù)事件的響應(yīng)發(fā)送命令給車輛控制網(wǎng)模塊進(jìn)行車輛運(yùn)行控制；通過車載診斷網(wǎng)模塊采集車輛設(shè)備信息并通過測速測距模塊采集速度和列車位置等信息，依此進(jìn)行列車位置和速度的監(jiān)控防護(hù)；而無線電控單元模塊則可以實(shí)時獲取遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)并傳輸給車載運(yùn)控模塊[4]。以上這些軟件模塊共同構(gòu)成了車載運(yùn)控的場景需求。其中AOM只進(jìn)行輔助功能，所以本設(shè)計(jì)不考慮。

圖2 車載任務(wù)模塊的通信及依賴關(guān)系Fig. 2 Communication and dependency of vehicle task module

高速磁浮對實(shí)時控制性能要求很高，尤其是在軟件實(shí)時處理方面。因此，針對車載安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時時間需求對其車載控制模塊進(jìn)行劃分，具體如下：

（1）車載運(yùn)控模塊

列車兩端各設(shè)1套VSC，VSC采用雙機(jī)冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)運(yùn)行采用雙機(jī)熱備工作方式[2]。VSC主要實(shí)現(xiàn)列車啟動、列車關(guān)閉、列車登錄、列車定位、強(qiáng)制停車管理、列車運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換、列車懸浮、停止（靜止）監(jiān)控、渦流制動、車載控制設(shè)備監(jiān)控、釋放受流器、車門監(jiān)控及速度曲線監(jiān)控等功能。車載運(yùn)控模塊每100 ms觸發(fā)進(jìn)行一次VSC的數(shù)據(jù)收發(fā)及邏輯處理。

（2）車輛控制網(wǎng)模塊

車輛上的車載控制裝置采用冗余設(shè)計(jì)，在首尾車廂中各有兩套車輛控制單元裝置，它們之間互相連接。VSC將事件產(chǎn)生的與安全有關(guān)的控制命令傳輸給車輛控制單元裝置；車輛控制單元裝置將車輛設(shè)備產(chǎn)生的與安全有關(guān)的監(jiān)測信號傳送給車載安全計(jì)算機(jī)。車載安全計(jì)算機(jī)的車輛控制單元模塊由外部事件觸發(fā)并記錄事件，且每100 ms進(jìn)行一次邏輯處理。

（3）測速測距單元模塊

列車兩端各設(shè)1套測速測距裝置。該裝置采集列車位置、速度和方向等數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯處理和列車速度及位置的測量，為VSC提供與安全有關(guān)的列車速度及位置信息。測速測距單元模塊由周期性消息觸發(fā)并每50 ms進(jìn)行一次邏輯處理。

（4）分區(qū)運(yùn)控模塊

分區(qū)運(yùn)控模塊負(fù)責(zé)分區(qū)內(nèi)分區(qū)安全計(jì)算機(jī)與車載安全計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互及列車運(yùn)行的安全防護(hù)，是一個與安全相關(guān)的部件。DSC是每個運(yùn)行控制分區(qū)的核心部件，實(shí)現(xiàn)軌道防護(hù)、進(jìn)路防護(hù)、列車管理、牽引切斷、分區(qū)交接、速度曲線監(jiān)控和安全定位等與安全相關(guān)的功能。DSC的具體功能實(shí)現(xiàn)由運(yùn)行控制中心的命令決定，運(yùn)行的狀態(tài)將由DSC及時反饋給運(yùn)行控制中心。分區(qū)運(yùn)控模塊執(zhí)行每100 ms觸發(fā)一次車載VSC與分區(qū)運(yùn)控設(shè)備的數(shù)據(jù)交互及邏輯處理功能。

（5）中央運(yùn)控模塊

中央運(yùn)控模塊主要負(fù)責(zé)中央ATS與VSC之間的數(shù)據(jù)交互及線路信息管理。中央ATS具有線路數(shù)據(jù)管理、運(yùn)營授權(quán)管理、下發(fā)運(yùn)行圖/時刻表，以實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行管理等功能[4]。中央運(yùn)控模塊通過無線電控制設(shè)備將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面中央ATS設(shè)備。中央ATS實(shí)現(xiàn)實(shí)時更新列車位置、列車關(guān)鍵狀態(tài)及授權(quán)區(qū)域顯示和列車編號，并保證相關(guān)數(shù)據(jù)在中央控制室顯示，使調(diào)度員可以查看或進(jìn)行列車調(diào)度。中央運(yùn)控模塊執(zhí)行每1 s觸發(fā)一次車載VSC與中央運(yùn)控模塊的數(shù)據(jù)交互及邏輯處理功能。

3.2 基于時鐘驅(qū)動的調(diào)度算法分析

車載運(yùn)行控制系統(tǒng)需通過任務(wù)調(diào)度算法分析每個模塊設(shè)計(jì)的時間參數(shù)是否符合約束條件，從而確定時間參數(shù)分配的合理性。任務(wù)調(diào)度算法有2種經(jīng)典的調(diào)度算法，即基于時鐘驅(qū)動的調(diào)度算法（clock driven scheduling）和事件驅(qū)動調(diào)度算法（event-driven scheduling）。其中，事件驅(qū)動調(diào)度算法主要是根據(jù)外部設(shè)備的輸入信號進(jìn)行事件觸發(fā)中斷，此中斷為事件調(diào)度提供信號條件；而基于時鐘驅(qū)動的調(diào)度算法用于周期性任務(wù)，其根據(jù)任務(wù)特定的周期來決定調(diào)度哪個任務(wù)。

時鐘驅(qū)動的調(diào)度是由系統(tǒng)時鐘硬件產(chǎn)生一個中斷來觸發(fā)任務(wù)調(diào)度；而周期調(diào)度觸發(fā)的時間是預(yù)先設(shè)置的時間參數(shù)，當(dāng)預(yù)先設(shè)置的時間到，就會觸發(fā)任務(wù)調(diào)度執(zhí)行。調(diào)度算法即決定什么任務(wù)在什么時間執(zhí)行結(jié)束。而任務(wù)的執(zhí)行時間是允許在規(guī)定的時間內(nèi)的任意時刻。當(dāng)下一個任務(wù)調(diào)度時間到，就會調(diào)度執(zhí)行其他任務(wù)模塊。比如測速測距模塊每50 ms執(zhí)行一次，分區(qū)運(yùn)控模塊、車載運(yùn)控模塊均以100 ms執(zhí)行一次。時鐘驅(qū)動的調(diào)度算法就是要保證在規(guī)定的時間內(nèi)對規(guī)定的模塊任務(wù)事件進(jìn)行處理，并控制所有實(shí)時模塊協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。

主周期可被分割為很多小周期，f表示小周期的時間長度。在時鐘驅(qū)動的調(diào)度算法中，任務(wù)周期時間的分配是否合理主要看小周期設(shè)計(jì)是否符合約束條件。最小周期必須滿足如下3個條件[5]：

（1）理想情況下，每個作業(yè)的執(zhí)行時間能夠在單個周期（f）時間內(nèi)開始并完成執(zhí)行，即f≥max(ei),1＜i≤n)，ei是第i個任務(wù)的執(zhí)行時間。

（2）每個場景f盡量短，且f應(yīng)該能被主周期整除。

（3）由于調(diào)度算法的調(diào)用執(zhí)行時刻是發(fā)生在每個場景的小周期開始時刻，而每個場景的小周期是獨(dú)占時間，其他場景事件不能搶占，必須等待小周期時間結(jié)束。所以場景的執(zhí)行時間ei不能超過小周期時間，且場景任務(wù)小周期至少包含一個場景執(zhí)行時間ei，即：

式中：p——任務(wù)的周期時間；Di——任務(wù)i的截止時間；gcd ——最大公約數(shù)。

根據(jù)每個模塊實(shí)時性需求，對其車載控制模塊進(jìn)行時間劃分，確定表1中所示任務(wù)的小周期，最后通過3個約束條件判斷預(yù)設(shè)時間參數(shù)的合理性。

表1 信號任務(wù)處理時間參數(shù)表Tab.1 Parameters of signal task processing time

表1中，由于車載機(jī)柜設(shè)備平臺的主周期為100 ms，所以主周期=100 ms。根據(jù)第1個限制要求，確定小周期f≥30 ms；第2個限制條件是f可以被整除的周期的最大公倍數(shù)是100，所以必須是2 ms, 10 ms,50 ms, 100 ms中的一個；第3個限制條件，任務(wù)小周期至少包含一個場景執(zhí)行時間并小于截止時間，所以f≤50 ms。因此，最小周期取值是50 ms。

3.3 任務(wù)可調(diào)度性分析

在系統(tǒng)場景劃分后，對場景預(yù)設(shè)時間參數(shù)進(jìn)行了合理性分析，最后需要進(jìn)行場景任務(wù)可調(diào)度性分析，來判斷CPU負(fù)載能力是否可支持任務(wù)的調(diào)度，以便確定場景事件是否可以在主循環(huán)里正常運(yùn)行。對于小周期場景是否可以在主循環(huán)里調(diào)度不被堵塞，采用的分析方法是速率單調(diào)分析[3]，如式(1)所示。

根據(jù)表2，任務(wù)總數(shù)為5時，CPU利用率上限為U(5)=74.3%；而表3所列的5個任務(wù)總共占用71.5%的CPU時間，CPU利用率小于74.3%，滿足測試實(shí)時性要求，因此實(shí)時系統(tǒng)可以正常調(diào)度。此外，車載運(yùn)控的主周期時間是100 ms，所以最壞情況下，所有任務(wù)的最長執(zhí)行時間不得超過車載運(yùn)控主周期時間；否則安全平臺會進(jìn)行超時故障處理，落入軟件陷阱，車載安全計(jì)算機(jī)關(guān)斷所有對外輸出。本系統(tǒng)計(jì)算最壞情況所需執(zhí)行時間為80 ms（即所有任務(wù)的執(zhí)行時間總和），滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)要求。

表2 任務(wù)總數(shù)與利用系數(shù)關(guān)系Tab. 2 Relationship between total number of tasks and utilization coefficient

本系統(tǒng)總共有5個任務(wù)，其可調(diào)度性分析如下：

表3 任務(wù)周期與最長執(zhí)行時間Tab. 3 Task cycle and maximum execution time

4 信號實(shí)時處理分析的模型

對高速磁浮系統(tǒng)進(jìn)行場景模塊化建模，來驗(yàn)證調(diào)度任務(wù)是否正常運(yùn)行。首先設(shè)計(jì)每個模塊的執(zhí)行時間參數(shù)，通過時鐘驅(qū)動調(diào)度算法分析每個模塊設(shè)計(jì)的時間參數(shù)是否符合約束條件，從而確定時間參數(shù)分配的合理性；再采用速率單調(diào)分析方法，進(jìn)行場景任務(wù)可調(diào)度性分析，判斷CPU負(fù)載能力是否可支持任務(wù)的調(diào)度，保證模塊可以在主循環(huán)里調(diào)度不被堵塞。

通過上述建模分析，在進(jìn)入實(shí)物調(diào)試前，通過模擬器模擬外設(shè)設(shè)備的信號輸入，設(shè)計(jì)場景事件的預(yù)定執(zhí)行周期及執(zhí)行時刻，實(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)實(shí)時性分析。模擬器分為綜合運(yùn)控系統(tǒng)模擬器及車載控制系統(tǒng)模擬器。其中，綜合運(yùn)控系統(tǒng)模擬器主要實(shí)現(xiàn)中央控制系統(tǒng)管理、分區(qū)控制系統(tǒng)管理、車輛控制網(wǎng)管理、測速測距系統(tǒng)管理等功能；車載控制系統(tǒng)模擬器主要實(shí)現(xiàn)車載運(yùn)行監(jiān)督和車輛設(shè)備控制功能。

兩個模擬器之間的數(shù)據(jù)交互，采用以太網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol, UDP）協(xié)議通信，如圖3所示。模擬器的運(yùn)行環(huán)境為Windows平臺。軟件的編譯環(huán)境為Windows平臺的軟件工具（如VS2010）。

圖3 信號系統(tǒng)安全分析模擬器的結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of signal system safety analysis simulator

系統(tǒng)分析師通過模擬器將建模所確定的場景完整演示并進(jìn)行相關(guān)分析，從而發(fā)現(xiàn)問題。如果發(fā)現(xiàn)在一個周期內(nèi)因信號中斷或延時等導(dǎo)致有任務(wù)沒有及時被執(zhí)行，則需修改模型參數(shù)，再進(jìn)行模擬器驗(yàn)證分析，通過不斷迭代將問題解決。

5 結(jié)語

信號系統(tǒng)實(shí)時性分析是信號系統(tǒng)研發(fā)中的重要任務(wù)。一方面采用時鐘驅(qū)動調(diào)度算法計(jì)算事件的周期性觸發(fā)時間，保證每個事件都能在規(guī)定的時間內(nèi)處理完成；另一方面采用速率單調(diào)法分析任務(wù)的可調(diào)度性，保證系統(tǒng)負(fù)載能力支持任務(wù)的可調(diào)度，以避免出現(xiàn)安全隱患?；谝陨纤惴ń?，對場景事件的執(zhí)行周期、觸發(fā)時間及執(zhí)行時間進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，保證場景事件調(diào)度運(yùn)行的明確性。通過設(shè)計(jì)模擬器，將設(shè)計(jì)中的場景重要參數(shù)在模擬器中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，從而在程序進(jìn)入施工調(diào)試階段之前明確系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，避免重大隱患進(jìn)入程序代碼中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開發(fā)的高效性。本設(shè)計(jì)未考慮外部設(shè)備隨機(jī)中斷觸發(fā)的事件，未來將基于此進(jìn)行下一步的研究工作。