前端處理器在綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化

張大千 熊天圣

(上海寶信軟件股份有限公司 上海 201900)

隨著地鐵的建設(shè)，自動(dòng)化系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用，各系統(tǒng)間的聯(lián)系也越來越緊密，軌道交通的綜合監(jiān)控系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過集成眾多的子系統(tǒng)來發(fā)揮整體優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)信息互通、資源共享，達(dá)到提高運(yùn)營效率和可靠性的目的，因此對(duì)其提出了更高的要求。綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器既要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，又要承擔(dān)與子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互的任務(wù)，這將導(dǎo)致服務(wù)器需要高配置，同時(shí)投資也將增加，還會(huì)造成自身負(fù)荷過重，當(dāng)通信量很大時(shí)將花費(fèi)大量數(shù)據(jù)處理時(shí)間。為避免上述現(xiàn)象，為服務(wù)器端配備了前端處理器(front end processor，F(xiàn)EP)，其主要目的就是完成系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，降低服務(wù)器的負(fù)荷，改善服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。

1 FEP的應(yīng)用

1.1 功能需求

在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，F(xiàn)EP主要擔(dān)負(fù)綜合監(jiān)控系統(tǒng)與各相連子系統(tǒng)的接口管理。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)下發(fā)等功能，完成服務(wù)器與子系統(tǒng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相連子系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控。

1.2 功能實(shí)現(xiàn)

FEP要完成服務(wù)器與子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互(見圖1)，其功能及原理分析如下。

1)與子系統(tǒng)設(shè)備建立通信連接。在物理鏈路連通之后，由FEP主動(dòng)向設(shè)備通信主機(jī)請(qǐng)求信息，同時(shí)設(shè)備通信主機(jī)返回應(yīng)答信息，見圖1中的①。

2)FEP獲取設(shè)備狀態(tài)信息，解析并緩存在本地。FEP交互的信息都緩存在本地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，在登錄后可觀察一定時(shí)間內(nèi)雙方交互的原始報(bào)文及解析后的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)調(diào)試初期，這些緩存的報(bào)文可輔助檢測問題;在系統(tǒng)穩(wěn)定之后，可以維護(hù)FEP穩(wěn)定高效地運(yùn)行。

3)服務(wù)器端的FEP采取驅(qū)動(dòng)輪詢，采集FEP收集的狀態(tài)數(shù)據(jù)。為建立FEP與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互通道，在服務(wù)器端安裝了FEP驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)EP上傳的數(shù)據(jù)均由驅(qū)動(dòng)分派至服務(wù)器相應(yīng)的寄存器中，見圖1中的②，最終由HMI展現(xiàn)在界面上。

4)控制指令經(jīng)由FEP驅(qū)動(dòng)下發(fā)至FEP。下置數(shù)據(jù)的順序與采集數(shù)據(jù)的順序相反，會(huì)先存儲(chǔ)在服務(wù)器端相應(yīng)的寄存器里，再由FEP讀取后處理，見圖1的③。

5)FEP將控制指令按照協(xié)議格式發(fā)送給設(shè)備。FEP在接收到指令之后，根據(jù)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換成正確的報(bào)文格式發(fā)送，見圖1中的④。

在整個(gè)流程中，通過①→②完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的獲取，通過③→④完成對(duì)控制指令的下發(fā);對(duì)于不同的子系統(tǒng)，區(qū)別只是對(duì)數(shù)據(jù)處理的方式。

1.3 冗余機(jī)制

為提高綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，對(duì)其主要硬件配置全部采用冗余機(jī)制，F(xiàn)EP也不例外，如圖2所示。

圖2 冗余結(jié)構(gòu)

圖2中的FEP1和FEP2各自獨(dú)立運(yùn)行，與X系統(tǒng)的通信鏈路分別為①和②，且FEP1和FEP2均能同時(shí)向服務(wù)器1和服務(wù)器2上傳數(shù)據(jù)。服務(wù)器與FEP之間的鏈路為③～⑥，這樣從服務(wù)器到X系統(tǒng)設(shè)備間就建立了4條鏈路:鏈路1，①→③;鏈路2，①→⑤;鏈路3，②→④;鏈路4，②→⑥。

當(dāng)FEP1與X系統(tǒng)(鏈路①)的通信中斷時(shí)，服務(wù)器1可通過鏈路4獲取X系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，服務(wù)器2可通過鏈路3獲取X系統(tǒng)的數(shù)據(jù);同理，F(xiàn)EP2故障后，鏈路1和鏈路2可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常交互，從而實(shí)現(xiàn)了冗余切換的功能。

2 FEP的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)化方案研究

目前，全國各城市已有多條綜合監(jiān)控系統(tǒng)上線運(yùn)行。從FEP的運(yùn)行情況來看，易造成通信中斷級(jí)別的故障主要集中在硬件方面，如鏈路接頭松動(dòng)和接口模塊損壞等。除此之外，瞬間大數(shù)據(jù)量交互對(duì)FEP性能也有一定的影響，易造成FEP的CPU、內(nèi)存利用率居高不下或是暫時(shí)性的數(shù)據(jù)阻塞等，導(dǎo)致系統(tǒng)功能異常。針對(duì)這些問題，應(yīng)優(yōu)化FEP的設(shè)計(jì)方案，保證后續(xù)線路不會(huì)重蹈覆轍。

2.1 硬件可靠性分析研究

目前，F(xiàn)EP接口模塊只有以太網(wǎng)口和串口兩種，傳輸介質(zhì)分別為RJ45雙絞線和串口線;無論是哪種端口，對(duì)接點(diǎn)的數(shù)量都與故障率的高低成正比。對(duì)于使用網(wǎng)口與FEP對(duì)連的設(shè)備來說，越來越成熟的網(wǎng)絡(luò)配線架已將兩者之間的對(duì)接方式模塊化，對(duì)接的可靠性已達(dá)到很高的水平。相比之下，串口基于其特性，接頭處需采用人工接線，穩(wěn)定性相對(duì)于網(wǎng)口自然會(huì)低一些;但串口的成本較低，在數(shù)據(jù)交互頻率不高的系統(tǒng)中依然得到了很廣泛的應(yīng)用。盡管如此，串口模塊由于工作時(shí)存在電平差，所以當(dāng)數(shù)據(jù)交互瞬間次數(shù)很高時(shí)，發(fā)熱就會(huì)很嚴(yán)重，造成整個(gè)FEP溫度上升，影響系統(tǒng)性能以及設(shè)備的使用壽命。

總之，網(wǎng)口和串口模塊各有優(yōu)勢。就地鐵項(xiàng)目而言，由于子系統(tǒng)的功能有簡有繁，對(duì)于數(shù)據(jù)量交互很頻繁的系統(tǒng)來說，以太網(wǎng)口是最好的選擇;但對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)量交互一般或很少的系統(tǒng)來說，從降低成本的角度出發(fā)，可選擇使用串口模塊。因此，在接口設(shè)計(jì)初期，可通過預(yù)估數(shù)據(jù)交互頻率、數(shù)據(jù)量大小和用戶對(duì)鏈路的日常維護(hù)要求，確定接口模塊的類型。

FEP硬件能夠同時(shí)支持多種通信接口模塊，即支持很多的網(wǎng)口和串口同時(shí)運(yùn)行。因此，為防止因地址混亂而造成的通信故障，在操作系統(tǒng)安裝時(shí)就應(yīng)為每個(gè)端口規(guī)劃其相應(yīng)的地址，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離。除此之外，還需要保證各功能模塊具有自診斷和自恢復(fù)的功能，保證鏈路恢復(fù)后通信能夠自行恢復(fù)。

2.2 軟件可靠性分析研究

在FEP與子系統(tǒng)連接建立的初期，F(xiàn)EP會(huì)按照雙方約定的協(xié)議來檢測第一個(gè)通信模塊，待雙方正常通信后，再按照這個(gè)步驟來逐個(gè)檢測剩下的通信模塊，直到初始化過程完畢，F(xiàn)EP的各模塊才開始輪詢采集子系統(tǒng)設(shè)備信息，并緩存在本地的寄存器中，實(shí)現(xiàn)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換獲取設(shè)備信息的功能。

由于雙方通信連接的保持是通過不斷地收發(fā)報(bào)文來實(shí)現(xiàn)的，而報(bào)文是由程序按照協(xié)議格式封裝而成的，所以協(xié)議本身就是報(bào)文穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵。根據(jù)系統(tǒng)功能定制開發(fā)的協(xié)議，交互報(bào)文的穩(wěn)定性相比標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定的穩(wěn)定性要低得多。雖然在數(shù)據(jù)交互時(shí)允許報(bào)文出錯(cuò)，且接收方可以根據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)丟棄報(bào)文，但是浪費(fèi)了帶寬資源。因此，從通用性和易維護(hù)性方面來考慮，協(xié)議的商定應(yīng)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)的類型，以減少由FEP定制開發(fā)所產(chǎn)生的不必要錯(cuò)誤。同時(shí)，當(dāng)FEP與設(shè)備的鏈路遭遇通信中斷的問題時(shí)，對(duì)不同的系統(tǒng)應(yīng)有不同的處理方式;對(duì)信息實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，在遇到連接中斷或阻塞等情況時(shí)，F(xiàn)EP必須具備丟棄報(bào)文的功能，如廣播系統(tǒng)(public address，PA)、導(dǎo)乘信息系統(tǒng)(passenger information system，PIS)、門禁系統(tǒng)(access control system，ACS)等;對(duì)信息完整性要求較高的系統(tǒng)，F(xiàn)EP必須在本地緩存這些指令，待鏈路恢復(fù)后繼續(xù)交互，如電力監(jiān)控系統(tǒng)(power supervisory control and data acquisition system，PSCADA)的事件順序記錄(sequence of event，SOE)等。

2.3 數(shù)據(jù)通信性能分析研究

當(dāng)FEP與子系統(tǒng)瞬間數(shù)據(jù)交互量很大時(shí)，F(xiàn)EP的性能肯定會(huì)受到一定的影響，輕則造成短時(shí)的數(shù)據(jù)阻塞，重則造成系統(tǒng)出現(xiàn)故障。以接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)的列車監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision，ATS)為例，全線約2000個(gè)信息點(diǎn)，按照2次/min數(shù)據(jù)交換計(jì)算，全天交互高達(dá)500萬個(gè)信息點(diǎn)，這個(gè)數(shù)據(jù)量對(duì)任何服務(wù)器都是個(gè)挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)這種大數(shù)據(jù)量的接口設(shè)備，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，采用塊傳輸?shù)男士隙ǜ哂诓捎命c(diǎn)傳輸?shù)男?，但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)的可讀性會(huì)隨之下降。對(duì)此，可以采用折中的辦法，F(xiàn)EP采用塊傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的解析通過外接維護(hù)工作站來實(shí)現(xiàn)，調(diào)試人員可以在維護(hù)工作站上觀察雙方的數(shù)據(jù)交互情況，這樣FEP本身的負(fù)荷會(huì)小很多，數(shù)據(jù)傳輸效率自然會(huì)隨之提高。

從數(shù)據(jù)處理的角度來考慮，對(duì)于不需經(jīng)過服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)，最好由FEP直接協(xié)議轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)，以降低中轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)，提高整個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的工作效率。圖3(a)是某地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)ATS信息轉(zhuǎn)發(fā)PIS的方案:FEP在接收到ATS上傳的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)返回給FEP，由FEP傳輸至PIS系統(tǒng)，整個(gè)流程一共要進(jìn)行4次數(shù)據(jù)收發(fā)。圖3(b)是FEP具備協(xié)議轉(zhuǎn)換功能之后的優(yōu)化方案:ATS的數(shù)據(jù)上傳至FEP后，直接由FEP轉(zhuǎn)發(fā)給PIS系統(tǒng)，中間減少了2次數(shù)據(jù)收發(fā)，不僅減少了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，F(xiàn)EP今后的發(fā)展一定要越來越適應(yīng)這種大數(shù)據(jù)量的接口設(shè)備。

2.4 冗余機(jī)制分析研究

綜合監(jiān)控系統(tǒng)的接口數(shù)量多，接口方式也多種多樣，因此接口性能的穩(wěn)定是綜合監(jiān)控系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間保持正常通信的關(guān)鍵，但接口設(shè)備不可能達(dá)到100%的無故障率。當(dāng)系統(tǒng)間的某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，可通過備用部件進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)，使系統(tǒng)的可靠性得到保障，這就是目前提高系統(tǒng)可靠性最普遍的做法——冗余切換。每個(gè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用的冗余機(jī)制都不盡相同，但都有共同的目的，就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單的同時(shí)，冗余的可靠性更高。

圖3 ATS數(shù)據(jù)交互

2.4.1 冗余方式1

目前的FEP采用設(shè)備級(jí)的冗余機(jī)制居多，如圖4所示。

圖4 冗余方式1

FEP通過計(jì)算與其通信正常的子系統(tǒng)數(shù)量來設(shè)置冗余標(biāo)志位，多的設(shè)置為“主”，少的設(shè)置為“備”。當(dāng)FEP1與A子系統(tǒng)的通信中斷之后，F(xiàn)EP1通過其內(nèi)部的交換機(jī)卡1連接FEP2的交換機(jī)卡2，完成與A子系統(tǒng)的通信建立，實(shí)現(xiàn)冗余切換。這種機(jī)制的FEP結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部需配置交換機(jī)卡，其實(shí)現(xiàn)難度主要集中在兩臺(tái)FEP之間的路由轉(zhuǎn)換，因此被稱為“基于FEP本身的冗余”。

2.4.2 冗余方式2

從綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的角度來看，在冗余功能相同的前提下，整體方案應(yīng)越簡單越好。因此，通過將冗余取決權(quán)上交至服務(wù)器端FEP驅(qū)動(dòng)的方式，替換FEP內(nèi)部交換機(jī)卡所完成的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)冗余功能，被稱為“基于上位驅(qū)動(dòng)的冗余”，如圖5所示。

圖5 冗余方式2

FEP1和FEP2相對(duì)獨(dú)立，內(nèi)部不需要配置交換機(jī)卡，但FEP要將與每個(gè)子系統(tǒng)的連接狀態(tài)傳輸給上位的FEP驅(qū)動(dòng)，由FEP驅(qū)動(dòng)根據(jù)端口通信情況來決定鏈路。如圖5所示，當(dāng)FEP1與A系統(tǒng)連接中斷、FEP2與B系統(tǒng)連接中斷時(shí)，上位驅(qū)動(dòng)就會(huì)選擇FEP1的B系統(tǒng)和FEP2的A系統(tǒng)作為通信鏈路，實(shí)現(xiàn)冗余功能。這種機(jī)制的FEP結(jié)構(gòu)較為簡單，其實(shí)現(xiàn)難度主要集中在上位FEP驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。與方式1相比，這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，由于內(nèi)部環(huán)節(jié)比較少，所以維護(hù)起來也方便。

2.4.3 兩種冗余方式結(jié)合

FEP畢竟屬于獨(dú)立設(shè)備，服務(wù)器無法直接檢測端口的真正狀態(tài)，所以可將兩種方式結(jié)合起來，如圖6所示。

圖6 冗余結(jié)構(gòu)

在兩臺(tái)FEP之間建立一條心跳連接，通過“心跳線”，F(xiàn)EP就能了解彼此子系統(tǒng)端口的狀態(tài)，然后以寫入配置文件的方式，指定上位的FEP驅(qū)動(dòng)和哪臺(tái)FEP的子系統(tǒng)交互數(shù)據(jù);只有當(dāng)“心跳線”中斷之后，取決權(quán)才上交由上位FEP驅(qū)動(dòng)來選擇，這樣FEP原有的冗余功能才不會(huì)缺失，且提高了多點(diǎn)故障時(shí)的數(shù)據(jù)可靠性。

3 結(jié)論

FEP的發(fā)展需要跟隨綜合監(jiān)控系統(tǒng)未來的走勢。未來綜合監(jiān)控子系統(tǒng)集成化會(huì)越來越高，這也就要求FEP的功能越來越強(qiáng)大，不僅要具備通信的功能，而且還要具備簡單數(shù)據(jù)處理的功能。另外，系統(tǒng)易維護(hù)性的提高也是重中之重的任務(wù)。

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