鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭虹

摘 要： 由于鐵路運(yùn)輸中存在較多的影響因素，傳統(tǒng)鐵路大型電子通信系統(tǒng)無法有效保障鐵路運(yùn)輸安全。因此，構(gòu)建能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能的鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由通信主站模塊、通信從站模塊和信號(hào)采集模塊組成。通信主站模塊利用TMS570LS技術(shù)獲取對(duì)鐵路車站聯(lián)鎖的管理命令，并將其傳輸?shù)酵ㄐ艔恼灸K。通信從站模塊根據(jù)管理命令管理鐵路車站聯(lián)鎖，并進(jìn)行信號(hào)采集模塊的驅(qū)動(dòng)工作。信號(hào)采集模塊被驅(qū)動(dòng)后，開始采集鐵路車站聯(lián)鎖信號(hào)。通信從站模塊和信號(hào)采集模塊中的信號(hào)均傳輸?shù)酵ㄐ胖髡灸K進(jìn)行統(tǒng)一的分析、優(yōu)化和預(yù)警。系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)了信號(hào)傳輸損耗函數(shù)以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器優(yōu)化語(yǔ)言。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能，增加鐵路車站通車量。

關(guān)鍵詞： 鐵路運(yùn)輸； DCS通信系統(tǒng)； 系統(tǒng)優(yōu)化； TMS570LS技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN99?34； TP283.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0158?05

Optimization design and implementation of large electronic DCS communication

system for railway

GUO Hong

（Hohhot Vocational College， Hohhot 010051， China）

Abstract： Since the traditional large electronic communication system for railway can't effectively guarantee the transportation safety of the railway due to the multiple influence factors existing in the railway transportation， a large electronic DCS system of the railway was constructed， which can improve the railway transportation safety effectively. The system is composed of the communication master station module， communication slave station module and signal acquisition module. The TMS570LS technology is used in the communication master station module to acquire the management command for railway station interlocking， and send it to the communication slave station module. The communication slave station module manages the railway station interlocking according to the management command， and drives the signal acquisition module to acquire the railway station interlocking signal. All the signals coming from the communication slave station module and signal acquisition module are transmitted to the communication master module for the unified analysis， optimization and early warning. The signal transmission loss function and system memory optimization language are designed in the third part of this paper. The experimental results show that the designed system can improve the safety of railway transportation and throughout capacity of railway station.

Keywords： railway transportation； DCS communication system； system optimization； TMS570LS technology

0 引 言

鐵路是人們生活中必不可少的運(yùn)輸工具，為保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，提升鐵路車站的通車量，科研組織設(shè)計(jì)了鐵路大型電子通信系統(tǒng)[1?4]。由于在鐵路運(yùn)輸中山丘、高樓、隧道等影響因素非常常見，使傳統(tǒng)鐵路大型電子通信系統(tǒng)無法有效保障鐵路運(yùn)輸安全性，導(dǎo)致鐵路車站的通車量偏低[5?6]。因此，構(gòu)建出一種能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能的鐵路大型電子通信系統(tǒng)，是目前科研組織的重點(diǎn)研究方向。

以往研究的鐵路大型電子通信系統(tǒng)均存在一定問題，如文獻(xiàn)[7]提出鐵路大型電子集中式通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)﹁F路信息進(jìn)行集中管理，其管控能力強(qiáng)，在一定程度上保證了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，但集中式通信系統(tǒng)的信息傳輸效率較低，信息通道經(jīng)常發(fā)生擁堵現(xiàn)象。文獻(xiàn)[8]提出基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多種信息處理模塊組成，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行集中管控，硬件兼容性較高且能夠較好地提升鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩阅?。但該系統(tǒng)的算法較為復(fù)雜，且硬件損傷率高。文獻(xiàn)[9]提出鐵路大型電子K5通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用雙極中央處理器實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸信息的高速傳輸，并擁有良好的穩(wěn)定性，但該系統(tǒng)的整體效率不高，需要通過外接設(shè)備進(jìn)行鐵路運(yùn)輸信息的再處理。文獻(xiàn)[10]提出基于EBILOCK的鐵路大型電子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通信優(yōu)化系統(tǒng)與鐵路顯示器相連，并采用全程分散式管理的方式提升了鐵路運(yùn)輸效率。但該系統(tǒng)的管理方式過于保守，未能最大限度地提升鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩阅堋?

為了解決以上問題，構(gòu)建鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效提升鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩阅?，增加鐵路車站通車量。

1 鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)由通信主站模塊、通信從站模塊和信號(hào)采集模塊組成，如圖1所示。

所設(shè)計(jì)的鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)是在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用分布式的管理方式進(jìn)行鐵路車站聯(lián)鎖信息的優(yōu)化。該系統(tǒng)利用通信從站模塊和信號(hào)采集模塊分散控制鐵路車站聯(lián)鎖信息，再通過通信主站模塊對(duì)鐵路車站聯(lián)鎖信息進(jìn)行集中管理，進(jìn)而優(yōu)化鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩阅?，提升鐵路車站通車量。

1.2 通信主站模塊設(shè)計(jì)

通信主站模塊由控制芯片和TMS570LS平臺(tái)組成。該模塊利用TMS570LS技術(shù)獲取對(duì)鐵路車站聯(lián)鎖的管理命令，并將其傳輸?shù)酵ㄐ艔恼灸K。圖2是通信主站模塊工作原理圖。

圖2中控制芯片的中央處理器的選擇應(yīng)從鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的安全性能入手，選用某公司生產(chǎn)4590中央處理器。4590中央處理器作為應(yīng)用率較高的四內(nèi)核處理器，擁有超高的解碼速度和安全性。通信主站模塊利用TMS570LS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)4590中央處理器的完美鎖步，在一定程度上杜絕了鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的運(yùn)行故障。TMS570LS平臺(tái)還提供給系統(tǒng)管理人員多種運(yùn)算程序，為鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的后期完善工作提供了技術(shù)支持。圖3為TMS570LS平臺(tái)工作原理圖。

由圖3可知，TMS570LS平臺(tái)的工作流程為：TMS570LS平臺(tái)先對(duì)中央處理器進(jìn)行鎖步處理，隨后初始化中央處理器。通信主站模塊使用兩個(gè)中央處理器共同工作，以避免外界干擾電壓頻率對(duì)鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)電路的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。中央處理器2受中央處理器1管控，二者工作的初始數(shù)據(jù)均由中央處理器1統(tǒng)一傳送，以同時(shí)進(jìn)行通信控制和優(yōu)化。通信控制操作能夠及時(shí)檢查出中央處理器的故障數(shù)據(jù)，保障了鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。TMS570LS平臺(tái)也可對(duì)通信主站模塊電路中兩個(gè)中央處理器的延遲類型進(jìn)行控制，并將二者延遲的循環(huán)周期輸出進(jìn)行通信控制。

通信控制操作先進(jìn)行兩個(gè)中央處理器延遲循環(huán)周期的對(duì)比。若對(duì)比結(jié)果顯示兩個(gè)中央處理器中的延遲循環(huán)周期數(shù)據(jù)相同，通信主站模塊則可進(jìn)行鐵路車站聯(lián)鎖管理命令的獲取工作；若不同，TMS570LS平臺(tái)將會(huì)對(duì)查詢出的不正常數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，并及時(shí)傳輸給系統(tǒng)管理人員進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)將中央處理器中的數(shù)據(jù)重置，重新進(jìn)行延遲循環(huán)周期的對(duì)比分析。

1.3 通信從站模塊設(shè)計(jì)

通信從站模塊根據(jù)通信主站模塊傳輸來的管理命令進(jìn)行鐵路車站聯(lián)鎖的管理操作，并利用驅(qū)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)采集模塊的驅(qū)動(dòng)。通信從站模塊被安裝在鐵路軌道的兩側(cè)，方便其管理鐵路車站聯(lián)鎖。

通信從站模塊先進(jìn)行管理命令的識(shí)別工作，按照管理命令所對(duì)應(yīng)的鐵路車站聯(lián)鎖的位置，將管理命令由遠(yuǎn)及近地進(jìn)行分類。分類后的管理命令通信效率更高，且不容易發(fā)生管理命令分配錯(cuò)誤的情況。當(dāng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)接收到管理命令，會(huì)先與通信主站模塊進(jìn)行管理命令的對(duì)比工作，確定其準(zhǔn)確無誤后，再進(jìn)行信號(hào)采集模塊的驅(qū)動(dòng)工作。驅(qū)動(dòng)平臺(tái)與通信主站模塊兩者直接相連，其連接示意圖如圖4所示。

由圖4可知，通信從站模塊采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)的方式，有效增強(qiáng)了鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。高端定時(shí)器對(duì)兩模塊的對(duì)比工作進(jìn)行計(jì)時(shí)，所獲取的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)于驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。管理命令經(jīng)由通用輸入/輸出接口進(jìn)行傳輸。通信從站模塊中的工作數(shù)據(jù)也將經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)酵ㄐ胖髡灸K中進(jìn)行通信控制和優(yōu)化。在此過程中，若通信主站模塊檢查出通信從站模塊的故障數(shù)據(jù)，將直接給予系統(tǒng)管理人員預(yù)警信號(hào)。

通信從站模塊根據(jù)對(duì)比無誤的管理命令，進(jìn)行鐵路車站聯(lián)鎖操作，并同時(shí)利用驅(qū)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)采集模塊的驅(qū)動(dòng)工作。

1.4 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊經(jīng)通信從站模塊中的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)后，開始進(jìn)行鐵路車站聯(lián)鎖信號(hào)采集工作。鐵路車站聯(lián)鎖信號(hào)是鐵路通信的重要內(nèi)容，經(jīng)由對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析和優(yōu)化，可使鐵路車輛的運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，并有效提升鐵路車站的通車量。

信號(hào)采集模塊由采集器和存儲(chǔ)器組成。采集器可同時(shí)進(jìn)行鐵路車站聯(lián)鎖10路信號(hào)的采集工作，存儲(chǔ)器將所采集到的信號(hào)存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)格式，并傳輸?shù)酵ㄐ胖髡灸K進(jìn)行分析和預(yù)警。

2 鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)傳輸損耗函數(shù)設(shè)計(jì)

為獲取鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸損耗值，假設(shè)信號(hào)傳輸損耗為（是信號(hào)傳輸損耗總功率，是信號(hào)傳輸總距離），信號(hào)輸入功率為，信號(hào)輸出的平均功率為，三者在前向鏈路中的函數(shù)關(guān)系如下：

（1）

則大尺度路徑損耗平均值的函數(shù)表達(dá)式為：

（2）

式中：是鐵路車站聯(lián)鎖輸入設(shè)備和輸出設(shè)備間的距離；是地平線標(biāo)準(zhǔn)距離；是信號(hào)傳輸損耗參數(shù)；是鐵路車站聯(lián)鎖輸入設(shè)備到地平線的平均信號(hào)傳輸損耗。通常，的取值范圍是[100 m，1 000 m] 。假設(shè)是常數(shù)，則有：

（3）

由式（3）可進(jìn)一步得到大尺度路徑損耗平均值，如下：

（4）

在鐵路運(yùn)行中，山丘、高樓、隧道等影響因素非常常見，為鐵路通信帶來了較多不便，現(xiàn)給出這些影響因素輸出信號(hào)功率概率密度的表達(dá)式，以提升鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)的通信準(zhǔn)確率，如下：

（5）

式中：代表影響因素與鐵路車站聯(lián)鎖輸出設(shè)備的距離；代表密度參數(shù)，取值為4.343；代表影響因素的概率標(biāo)準(zhǔn)差，單位為；代表初始信號(hào)的平均輸出功率，與存在函數(shù)關(guān)系如下：

（6）

因此，可獲取影響因素輸入信號(hào)功率概率密度的表達(dá)式如下：

（7）

式中：代表影響因素與鐵路車站聯(lián)鎖輸入設(shè)備的距離；是初始信號(hào)的平均輸入功率；是影響因素通信參數(shù)；是歐拉第二積分。

由以上各式可得信號(hào)傳輸損耗的最終函數(shù)為：

（8）

2.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)

鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)信號(hào)采集模塊中存儲(chǔ)器的性能直接決定了通信效率，利用軟件對(duì)該存儲(chǔ)器進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化語(yǔ)言為：

DOMAIN

{

checkout：assignments=READ?ONLY_RECALL；

MERGE OPERATOR：working=RANDOM_ACCESS_RECALL；

{

business1：{archive1.int（business）}；

business2：{archive2.int（business）}；

}

business3：working= RANDOM_ACCESS_RECALL {target.int（business）}；

}

inn0x300 /*the_dimension_of_inn_part */

heap0x5xx /*the_dimension_of_sys_part */

textra.contrast

RECALL

{

PAGINATION 0： /*PLCRandom_Access_Recall recall*/

PLC_RANDOM_ACCESS_RECALL（READ/WRITE/EXECUTE）：

init=0x0100，size=0x55x；

PLC_EXTRA（READ/WRITE/EXECUTE）：init=0x8000，size=0x6FF；

/* Interrupt the operation of the acquisition of the signal*/

CARRIER（READ/WRITE/EXECUTE）： init=0x0080，size =0x80；

PAGINATION1： /*txt_recall，Reserved_Address*/

/*a_lot_of_insideDARANDOM_ACCESS_RECALL */

TXT_RANDOM_ACCESS_RECALL1 （READ/WRITE）：init=0x2800，size=0x200；

TXT_RANDOM_ACCESS_RECALL （READ/WRITE）：init=0x100，size=0x2800；

TXT_EXTRA（READ/WRITE）：init=0x4000，size=0x4000；

}

3 實(shí) 驗(yàn)

鐵路車站的通車量和鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩阅芟⑾⑾嚓P(guān)，鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩阅茉礁?，列車在行駛過程中所遇到的阻礙就越小，運(yùn)行效率就越高，鐵路車站的通車量就越多。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)和本文系統(tǒng)，分別對(duì)反向鏈路和前向鏈路的安全性能提升效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 反向鏈路的安全性能驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在鐵路通信反向鏈路的不同通信通道上，進(jìn)行基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)和本文系統(tǒng)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全性能提升效果的驗(yàn)證，記錄下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將其繪制成曲線圖。圖5是基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)對(duì)反向鏈路安全性能提升效果曲線圖，圖6是本文系統(tǒng)對(duì)反向鏈路安全性能提升效果曲線圖。

由圖5、圖6可知，在反向鏈路中，鐵路大型電子通信系統(tǒng)對(duì)不同的通信通道的安全性能提升效果也不同，這是由于不同的通信通道，其節(jié)點(diǎn)中所涵蓋的影響因素也不同?；赟IMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)對(duì)反向鏈路安全性能的提升效果集中在[36%，55%]，且安全性能提升效果曲線存在明顯的下降趨勢(shì)，證明該系統(tǒng)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全性能的影響比較不穩(wěn)定，無法有效增加鐵路車站的通車量；而本文系統(tǒng)對(duì)反向鏈路安全性能的提升效果集中在[48%，59%]，且安全性能提升效果曲線整體較為平穩(wěn)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能，增加鐵路車站的通車量。

3.2 前向鏈路的安全性能驗(yàn)證

為了排除實(shí)驗(yàn)的偶然結(jié)論，進(jìn)行前向鏈路的安全性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在鐵路通信前向鏈路的不同通信通道上，進(jìn)行基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)和本文系統(tǒng)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全性能提升效果的驗(yàn)證，其結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

在圖7和圖8中，由于前向鏈路的安全性能受使用者終端的傳輸速率影響較大，因而鐵路大型電子通信系統(tǒng)對(duì)前向鏈路安全性能提升效果曲線的波動(dòng)較大。易看出，基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統(tǒng)安全性能提升效果曲線比本文系統(tǒng)的安全性能提升效果曲線的波動(dòng)大，且其安全性能的整體提升率低于本文系統(tǒng)安全性能的整體提升率。驗(yàn)證了本文系統(tǒng)能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能，增加鐵路車站的通車量。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能的鐵路大型電子DCS通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由通信主站模塊、通信從站模塊和信號(hào)采集模塊組成。通信主站模塊利用TMS570LS技術(shù)獲取對(duì)鐵路車站聯(lián)鎖的管理命令，并將其傳輸?shù)酵ㄐ艔恼灸K。通信從站模塊根據(jù)管理命令管理鐵路車站聯(lián)鎖，并進(jìn)行信號(hào)采集模塊的驅(qū)動(dòng)工作。信號(hào)采集模塊被驅(qū)動(dòng)后，開始采集鐵路車站聯(lián)鎖信號(hào)。通信從站模塊和信號(hào)采集模塊中的信號(hào)，均傳輸?shù)酵ㄐ胖髡灸K進(jìn)行統(tǒng)一的分析、優(yōu)化和預(yù)警。軟件部分設(shè)計(jì)了信號(hào)傳輸損耗函數(shù)，以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器優(yōu)化語(yǔ)言。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效提升鐵路運(yùn)輸安全性能，增加鐵路車站通車量。

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