磁浮列車車載信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐 偉

國(guó)內(nèi)正在運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)沙磁浮列車車載信號(hào)設(shè)備是基于通信的列車控制系統(tǒng)核心控制設(shè)備，包括完整的ATO（列車自動(dòng)駕駛）、ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）、BTM（應(yīng)答器傳輸模塊）、TIU（列車接口單元）和TRU（列車無(wú)線單元）等子系統(tǒng)［1］。各子系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)完成內(nèi)部的邏輯運(yùn)算，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，外部無(wú)法獲取相關(guān)信息［2］。磁浮列車一方面由于沒(méi)有輪軌，車載設(shè)備使用的傳感器種類繁多，對(duì)信號(hào)板卡輸入/輸出的精準(zhǔn)度要求較高；另一方面，既有信號(hào)制式為點(diǎn)-連式，車載設(shè)備與地面設(shè)備的信息交互不連續(xù)。為了掌握車載信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)速和定位等相關(guān)設(shè)備，確保實(shí)現(xiàn)車載信號(hào)設(shè)備故障報(bào)警及狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸顯得尤為必要［3］。

目前，車載信號(hào)設(shè)備的采集、監(jiān)測(cè)、預(yù)警等數(shù)據(jù)多是存儲(chǔ)在車載裝置中，數(shù)據(jù)分別獲取、獨(dú)立記錄，部件性能下降或發(fā)生異常報(bào)警時(shí)，需要事后分析各部件的獨(dú)立日志，無(wú)法滿足列車的可用性原則［4］。因此，設(shè)計(jì)磁浮列車車載信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）時(shí)，需要根據(jù)既有信號(hào)系統(tǒng)中重要信息的編碼規(guī)則和信息定義，從中提取出系統(tǒng)運(yùn)行的即時(shí)事件信息和參數(shù)變化趨勢(shì)，對(duì)車載設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位的即時(shí)分析與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放，以便對(duì)重要部件的性能做出預(yù)判。在數(shù)據(jù)周期同步方面，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備數(shù)據(jù)周期的一致性，保證了數(shù)據(jù)、時(shí)間、類別的一一對(duì)應(yīng)，便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示。

本文從軟件功能的角度，重點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)、車載和地面設(shè)備通信接口功能，以及軟件測(cè)試方法等進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由車載設(shè)備和地面設(shè)備共同構(gòu)成［5］。車載端使用TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)獲取車載信號(hào)數(shù)據(jù)，并將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)4G 公網(wǎng)送達(dá)地面天饋配件，使用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)送入地面中心設(shè)備機(jī)房，由地面服務(wù)器運(yùn)行監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)接口單元進(jìn)行協(xié)議處理，將最終結(jié)果發(fā)送至地面監(jiān)測(cè)終端，呈現(xiàn)給操作用戶。磁浮列車車載信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 磁浮列車車載信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中車載端的設(shè)備均為新增設(shè)備，基本構(gòu)架見(jiàn)圖2。單端包括TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)、4G 通信模塊、車載交換機(jī)和天饋系統(tǒng)，首、尾兩端配置一致。通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)與既有車載信號(hào)設(shè)備（BTM 主機(jī)和TIU 主機(jī)）連接，數(shù)據(jù)為單向傳輸，不影響既有車載信號(hào)設(shè)備安全。

圖2 磁浮列車車載信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)車載端架構(gòu)

作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)車載端的核心設(shè)備，TIU/BTM車載適配接口主機(jī)主要是將所有車載信號(hào)數(shù)據(jù)按照協(xié)議提取和處理，發(fā)送至4G 通信模塊。其中提取的數(shù)據(jù)主要涉及測(cè)速測(cè)距信息、板卡狀態(tài)信息，以及司機(jī)操作信息（門模式選擇、ATO 模式選擇和駕駛等級(jí)）等［6］。該主機(jī)具有一定的存儲(chǔ)能力，能夠通過(guò)圖表和點(diǎn)位顯示狀態(tài)信息，并生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。數(shù)據(jù)通過(guò)加密和壓縮后，經(jīng)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多對(duì)一的專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，為此，在地面接收端，還專門配置了監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)接口單元主機(jī)。

設(shè)備接口層面，通過(guò)1 臺(tái)車載一體交換機(jī)，將TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)和既有的TIU網(wǎng)絡(luò)通信板、BTM 維護(hù)板連接，所有板卡均具備網(wǎng)絡(luò)通信功能。

整個(gè)研發(fā)流程采用了成熟的平臺(tái)軟件，開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用程序，對(duì)車載和地面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和配置文件進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)。下文將重點(diǎn)介紹TIU/BTM車載適配接口主機(jī)的應(yīng)用軟件功能。

2 TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)總體設(shè)計(jì)

TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)從功能上，分為操作系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層和功能模塊層，如圖3所示。

圖3 TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)功能模塊圖

底層操作系統(tǒng)采用包含顯示界面的Linux Ubuntu 系統(tǒng)，通過(guò)多任務(wù)機(jī)制和進(jìn)程調(diào)度功能，簡(jiǎn)化程序的編寫工作。

中間驅(qū)動(dòng)層主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)卡硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和4G 通信模塊的通信功能。設(shè)置了上電啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)文件，可完成設(shè)備初始化和自檢步驟。當(dāng)系統(tǒng)中斷或異常時(shí)，將結(jié)果記錄在日志文件中。

上層為功能模塊層，包括數(shù)據(jù)處理引擎、配置管理、日志管理、數(shù)據(jù)通信協(xié)議、鏈路狀態(tài)監(jiān)控等模塊，主要完成采集信號(hào)、內(nèi)容解析、狀態(tài)監(jiān)控與日志記錄等功能［7］，可將車載信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)終端。

2.1 數(shù)據(jù)處理引擎

TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)中的數(shù)據(jù)處理引擎軟件開(kāi)發(fā)遵循了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的原則，分為數(shù)據(jù)處理模塊、內(nèi)容解析模塊和人機(jī)接口模塊3部分。

1）數(shù)據(jù)處理模塊是該軟件的核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他軟件模塊的調(diào)用。各模塊的調(diào)用時(shí)機(jī)以及模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞，由主程序模塊來(lái)控制與實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理模塊流程圖見(jiàn)圖4。

由圖4可知，數(shù)據(jù)處理模塊由4個(gè)主進(jìn)程組成，分別為2 個(gè)數(shù)據(jù)接收處理進(jìn)程、1 個(gè)發(fā)送進(jìn)程和1 個(gè)定時(shí)進(jìn)程。父進(jìn)程用來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生子進(jìn)程，完成系統(tǒng)注冊(cè)、讀取配置文件、初始化網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)提示，以及系統(tǒng)錯(cuò)誤記錄等工作。產(chǎn)生的子進(jìn)程分為3 類：①信息接收處理進(jìn)程，用于對(duì)車載ATO和ATP的數(shù)據(jù)進(jìn)行審核、過(guò)濾和組包等；②信息發(fā)送處理進(jìn)程，用于對(duì)信息的時(shí)序判斷，從上級(jí)進(jìn)程中獲取數(shù)據(jù)和發(fā)送，以及驅(qū)動(dòng)操作；③系統(tǒng)進(jìn)程，用于偵測(cè)各進(jìn)程模塊的工作狀態(tài)。

圖4 車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

2）內(nèi)容解析模塊。車載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以按照以下2 個(gè)層次進(jìn)行分類：①選擇信息單元類型，通過(guò)集中監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)軟件分析出車載信號(hào)設(shè)備所涉及到的速度、位置、制動(dòng)力、加速度、設(shè)備通信狀態(tài)等動(dòng)態(tài)信息單元類型，并將各類型數(shù)據(jù)分類重新組包；②選擇信息單元來(lái)源，即該信息單元取自哪個(gè)車載信號(hào)子系統(tǒng)，并從每類數(shù)據(jù)中抽取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如ATP、ATO、BTM 和TIU 數(shù)據(jù)。其中，由于BTM 數(shù)據(jù)不區(qū)分車號(hào)，需要在TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)上，將TIU 車號(hào)信息綁定到BTM數(shù)據(jù)中，以便區(qū)分BTM 數(shù)據(jù)，該綁定過(guò)程是在軟件中處理完成的。

3）人機(jī)接口模塊。主要完成功能：①分析結(jié)果的顯示；②查找條件的輸入；③系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示。由于車載設(shè)備端不具備顯示屏，因此通過(guò)應(yīng)用端軟件在圖表和統(tǒng)計(jì)報(bào)表中完成數(shù)據(jù)的分析和顯示，車載端僅發(fā)送必要的協(xié)議數(shù)據(jù)。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)設(shè)備自身的點(diǎn)位顯示狀態(tài)來(lái)判斷。

2.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議模塊

車載ATO、ATP、BTM、TIU 和集中監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)之間基于統(tǒng)一的通信平臺(tái)進(jìn)行信息交互，該通信平臺(tái)具有內(nèi)部統(tǒng)一的幀格式定義。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)以及地面接口機(jī)負(fù)責(zé)將外部協(xié)議轉(zhuǎn)換為內(nèi)部協(xié)議格式，由集中監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)外部ATP/ATO/BTM 協(xié)議進(jìn)行仿真，保證內(nèi)部協(xié)議的統(tǒng)一性。

基于原有的TIU內(nèi)部通信協(xié)議，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要考慮增加的協(xié)議包括：①與ATP的通信協(xié)議；②與ATO的通信協(xié)議；③與BTM的通信協(xié)議。

為了描述數(shù)據(jù)通信協(xié)議模塊對(duì)象內(nèi)部的信息交互過(guò)程，采用序列圖的方式，按時(shí)間每個(gè)分類角色顯示一條生命線，生命線間的箭頭則是傳遞的消息。圖5 描述了車載數(shù)據(jù)通信協(xié)議模塊的工作時(shí)序關(guān)系。其中，對(duì)象間動(dòng)態(tài)關(guān)系如下：①控制模塊向BTM 模塊和TIU 模塊發(fā)送配置命令，設(shè)定本機(jī)工作配置信息；②TIU 模塊根據(jù)配置信息，選擇本端的ATP 或ATO 數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至交換機(jī)；③BTM 模塊將本端的硬件狀態(tài)包和數(shù)據(jù)包，以定時(shí)或不定時(shí)方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至交換機(jī)；④TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)從交換機(jī)接收數(shù)據(jù)包，按照與TIU 的內(nèi)部通信協(xié)議進(jìn)行組包。

圖5 車載數(shù)據(jù)通信協(xié)議模塊的工作時(shí)序關(guān)系

2.3 日志管理模塊

任何系統(tǒng)在日常應(yīng)用中都離不開(kāi)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄是排查問(wèn)題的一個(gè)重要依據(jù)［8］。車載信息通過(guò)TIU/BTM 車載適配接口主機(jī)軟件處理后，存儲(chǔ)到本機(jī)數(shù)據(jù)卡中。由于存儲(chǔ)空間有限和高效讀取數(shù)據(jù)文件的要求，以純文本形式存儲(chǔ)表格數(shù)據(jù)；同時(shí)，由于不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信周期不一致，為了避免單個(gè)類實(shí)時(shí)存儲(chǔ)造成數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，采用了定時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，以h 為單位，根據(jù)配置自動(dòng)刪除歷史記錄，且為了避免存儲(chǔ)文件過(guò)大出現(xiàn)無(wú)法讀取的現(xiàn)象，設(shè)定了單文件不超過(guò)200 MB的限制。

2.4 底層驅(qū)動(dòng)模塊

底層驅(qū)動(dòng)模塊涉及系統(tǒng)外置的硬件，主要是4G通信PCIe模塊。該模塊是連接物與物的重要載體，是終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的核心部件之一，在獲取模塊Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，通過(guò)在Linux系統(tǒng)內(nèi)核源碼中添加模塊驅(qū)動(dòng)，重新配置內(nèi)核，編譯源碼實(shí)現(xiàn)正確的驅(qū)動(dòng)配置。在啟動(dòng)信息中，還需要編寫自動(dòng)撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)軟件，實(shí)現(xiàn)模塊的自啟動(dòng)連接操作。

3 軟件測(cè)試

為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的測(cè)試，設(shè)計(jì)了測(cè)試環(huán)境軟件，測(cè)試環(huán)境軟件組成見(jiàn)圖6。通過(guò)配置A、B 網(wǎng)段，運(yùn)行各自的模擬數(shù)據(jù)程序，采用黑盒測(cè)試方法檢驗(yàn)軟件功能和性能是否符合設(shè)計(jì)要求［9］。

圖6 測(cè)試環(huán)境軟件

3.1 軟件功能測(cè)試

針對(duì)車載軟件，編制了全功能測(cè)試案例和故障案例，并將記錄數(shù)據(jù)和輸入條件比對(duì)，使軟件接口功能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

軟件功能測(cè)試范圍包含車載接口主機(jī)、服務(wù)器和顯示終端。

在實(shí)車測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行了以下測(cè)試：①TIU適配接口軟件的正確性；②數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)；③信號(hào)系統(tǒng)車載設(shè)備工作狀態(tài)；④A/B 網(wǎng)通信狀態(tài)；⑤日志數(shù)據(jù)分析；⑥無(wú)線傳輸軟件的正確性；⑦BTM數(shù)據(jù)分析。

對(duì)于功能項(xiàng)點(diǎn)，通過(guò)操作改變車載信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，在地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面中查看操作結(jié)果是否與車載操作一致，來(lái)檢驗(yàn)功能的一致性。

測(cè)試結(jié)果顯示：車地網(wǎng)絡(luò)通信正常，數(shù)據(jù)接收正常；對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行通斷測(cè)試后，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品通信功能狀態(tài)良好，能夠滿足車地?cái)?shù)據(jù)通信的要求；對(duì)監(jiān)測(cè)接口數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳輸正確無(wú)誤，顯示正常。

3.2 軟件性能測(cè)試

將TIU 適配接口軟件、BTM 適配接口軟件和車載接口主機(jī)軟件同時(shí)運(yùn)行在終端測(cè)試機(jī)上，主要驗(yàn)證和測(cè)試了相關(guān)性能案例。在雙網(wǎng)合理發(fā)包速率的前提下，通過(guò)相關(guān)系統(tǒng)調(diào)整和優(yōu)化，獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄文件，可以保證數(shù)據(jù)的周期正確率。

將地面接口機(jī)軟件和集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行在既有的工控機(jī)上，所有測(cè)試結(jié)果均為通過(guò)，滿足了多種類型數(shù)據(jù)的處理效率要求。

4 結(jié)論

本文從多角度闡述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)方法，采取了從模塊到系統(tǒng)，從車載到地面逐步深入的技術(shù)路線；從軟件功能流程、操作時(shí)序、協(xié)議內(nèi)容等方面進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并已得到實(shí)際應(yīng)用。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載信號(hào)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和維護(hù)功能，提高了對(duì)車載信號(hào)設(shè)備的可視化監(jiān)測(cè)程度，后期將不斷加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析功能應(yīng)用，豐富監(jiān)測(cè)界面，進(jìn)一步提升用戶實(shí)際使用體驗(yàn)。