互聯(lián)互通框架下的地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王 磊，賀昌壽，尤 剛

（1.成都地鐵運營有限公司，四川成都 610000；2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川成都 610000；3.四川網(wǎng)達(dá)科技有限公司，四川 成都 610000）

地鐵是城市交通的主要運力，其安全性也越來越得到重視。軌道信號是能反映地鐵運行狀態(tài)的最重要信息，軌道交通信號集中監(jiān)測系統(tǒng)作為交通網(wǎng)絡(luò)的中樞神經(jīng)，是提高運輸效率的首要一環(huán)，對此，文獻(xiàn)[1]分析了延伸線路采用統(tǒng)一信號系統(tǒng)，采用互聯(lián)互通信號系統(tǒng)接入既有技術(shù)方案，得出當(dāng)前互聯(lián)互通信號系統(tǒng)在既有線延伸段工程中的適用性的結(jié)論。文獻(xiàn)[2]以典型的互聯(lián)互通CBTC 軌道交通信號系統(tǒng)為研究對象，提出了采用車載兼容、信號顯示趨同化的近期互通方案，為市郊鐵路信號系統(tǒng)互通性設(shè)計提供參考。

但是以往研究的地鐵信號互聯(lián)互通系統(tǒng)還存在著很大不足，如響應(yīng)時間慢、實時性低、監(jiān)測距離不達(dá)標(biāo)等。同時，基于互聯(lián)互通的CAN 總線監(jiān)測方法因結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，被認(rèn)為是最有前景的信號監(jiān)測方法，廣泛應(yīng)用于各控制系統(tǒng)中的信號監(jiān)測和通信。所以，文中在互聯(lián)互通框架下，設(shè)計了地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，旨在提高信號監(jiān)測的實時性與監(jiān)測性能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖1 為地鐵實現(xiàn)互聯(lián)互通的整體架構(gòu)。

圖1 地鐵實現(xiàn)互聯(lián)互通的整體架構(gòu)

在圖1 中，將架構(gòu)分為三級：車站級、線路級、城市級。

車站級：包括ZC、ATS(ATP/ATO)、VOBC、CI、視頻缺口、計軸、微機(jī)監(jiān)測、電源屏等子系統(tǒng)以及站上MSS 維護(hù)終端和微機(jī)監(jiān)測維修機(jī)。

線路級：包括各線路集中數(shù)據(jù)中心和維護(hù)支持子系統(tǒng)。

城市級：包括互聯(lián)互通數(shù)據(jù)中心、維護(hù)工作站、移動終端等[3-6]。

在圖1 的支持下，地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、通信和串口通信等功能，所以文中優(yōu)化設(shè)計了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 互聯(lián)互通框架下的地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，在構(gòu)建基于互聯(lián)互通的信號監(jiān)測系統(tǒng)時，需要考慮到系統(tǒng)本身的實時性、可靠性，因此，通過物理介質(zhì)冗余設(shè)計來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，逐一優(yōu)化地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

1.1 CPU設(shè)計

CPU 搭載16/32 位ARM7TD 芯片系統(tǒng)，具有較高的計算性能。CPU 結(jié)構(gòu)由定時器維護(hù)，通過緩沖寄存器和數(shù)據(jù)總線對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。程序計數(shù)器PC端保持實時工作界面，以確保命令控制的實時性，通過命令循環(huán)保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的有效性。為確保最大時鐘速度下的32 位代碼能夠正常工作，采用獨特的加速模塊，設(shè)接口位寬為128 位[7-9]。

1.2 微處理器設(shè)計

ARM7TDMI-S 為通用的32 位微處理器，常見的復(fù)雜指令集譯碼計算較為復(fù)雜，所以，ARM 結(jié)構(gòu)基于精簡指令集原理設(shè)計而成，減少了系統(tǒng)工作量，發(fā)揮了ARM7TDMI-S 高性能的優(yōu)點，提高了處理器實現(xiàn)高吞吐量，為實現(xiàn)實時中斷反應(yīng)提供支持。處理器有兩個指令集，分別為標(biāo)準(zhǔn)32 位ARM 指令集和16 位THUMB 指令集，使用THUMB 的特殊結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具備流水線性工作功能，可以連續(xù)不間斷地工作，實時處理多條指令。

1.3 存儲器設(shè)計

存儲器內(nèi)部芯片為LPC292 芯片，LPC292 芯片可用作代碼和數(shù)據(jù)的儲存單元，因其搭載256k 的FLASH 高速存儲器，適用于臨時數(shù)據(jù)的高速寫入，支持8/32 位訪問，具有64k 字節(jié)靜態(tài)儲存，包含回寫緩沖模塊，可以作為臨時代碼和數(shù)據(jù)的儲存器。緩沖模塊會保存最后一次接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)，并在軟件下一次請求時，將該數(shù)據(jù)寫入SRAM，該回寫緩沖模塊能夠防止大量的數(shù)據(jù)寫入造成CPU 停止響應(yīng)，但是在芯片復(fù)位情況下，SRAM 內(nèi)數(shù)據(jù)將會初始化，不再保存最后一次接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)，也不會反映出來。通過內(nèi)置串行接口可實現(xiàn)高速儲存器內(nèi)程序的編程和擦除，方便數(shù)據(jù)儲存和固件升級[10-12]。

1.4 收發(fā)器設(shè)計

選用TJA1050 高速收發(fā)器，該收發(fā)器作為協(xié)議控制和數(shù)據(jù)總線的接口，工作波特率為60～1 000 kbps，主要功能為數(shù)據(jù)總線提供收發(fā)功能。TJA1050 收發(fā)器電磁輻射低，且具抗電磁干擾的差動接收器，實現(xiàn)引腳保護(hù)[13-14]。該文設(shè)計的連接結(jié)構(gòu)共有5 個連接點，將控制器和收發(fā)器相結(jié)合，在處理數(shù)據(jù)時，CAN總線發(fā)出聲波，更好地獲取監(jiān)控信號。

1.5 通信接口設(shè)計

利用CAN 接口實現(xiàn)RS-232 總線設(shè)計與優(yōu)化。文中設(shè)計的通信接口系統(tǒng)外部時鐘和復(fù)位電路相互配合，嵌入式微控制器與CAN 總線控制器相互配合，CAN 總線收發(fā)器與RS-232 電平轉(zhuǎn)換位于兩端，配合RS-232 工作。

RS-232 是計算機(jī)與終端或外部設(shè)備之間的連接，符合串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。為保證其正常工作，電平應(yīng)控制在±（5～15）V 之間，所以在連接計算機(jī)和控制器時，必須考慮RS-232 與電路連接時，由于串口不同造成的電平差異，同時也要考慮邏輯轉(zhuǎn)換。該文采用內(nèi)部嵌入電壓倍增電路的轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

1.6 CAN控制器總線電路設(shè)計

控制器處于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能夠確保信息的無差錯傳輸，并能夠?qū)νㄐ艛?shù)據(jù)壓縮成幀，以便于信息的可靠靈活傳輸[15-16]。

數(shù)據(jù)以幀的格式傳輸，依據(jù)格式差異，分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀只有11 位標(biāo)識符，擴(kuò)展幀有2 位標(biāo)識符。CAN 總線空閑時，每個節(jié)點都可以收發(fā)數(shù)據(jù)信息。共有8個電阻，控制器總線電路中，LPF負(fù)責(zé)維護(hù)整個電路的運行，防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象，使得城市級信號系統(tǒng)健康中心與線路級MSS 服務(wù)器使用統(tǒng)一的接口方式和通信協(xié)議，使新的MSS 服務(wù)器接入更規(guī)范。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

各線MSS服務(wù)器接入健康平臺有以下兩種方案，分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 接入方案1

圖4 接入方案2

方案1：此種方案中的各線MSS 服務(wù)器直接接入健康平臺。

方案2：此種方案中，總承方搭建一個MSS 集中服務(wù)器，各線MSS 服務(wù)器把數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)酱思蟹?wù)器，然后各總承方集中服務(wù)器再接入健康平臺。理論上，健康平臺支持以上兩種接入方案，在各總承方還沒有建立自己的集中服務(wù)器之前，可以用方案1 的接入方式接入健康平臺。等各總承方建立了各自的MSS 集中服務(wù)器后也可以支持集中服務(wù)器接入健康平臺的方案。兩種接入方案實施的前提是必須遵循標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。因此，需要規(guī)范地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)功能。

數(shù)據(jù)包統(tǒng)一以幀為單位，但是每一幀的格式和長度有所不同，所以，在重要節(jié)點設(shè)置冗余配置以減小數(shù)據(jù)包大小，提高系統(tǒng)實時性和可靠性。采集設(shè)備種類繁多，所以采集方式也各有不同，采集的數(shù)據(jù)有差異性，且數(shù)據(jù)包的傳輸格式也不盡相同。但是，由于數(shù)據(jù)包較小，相同的硬件和底層軟件足以完成系統(tǒng)功能要求。

第一步：通信設(shè)置。LPC2292包含2個CAN 控制器，利用RAM 實現(xiàn)通信設(shè)置，為集中監(jiān)測打下基礎(chǔ)。

第二步：CAN 接收函數(shù)判斷。由于數(shù)據(jù)接收具有不定時性，無法判斷發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間。在對數(shù)據(jù)查詢時存在不確定性，循環(huán)查詢會浪費時間，加大處理器工作量，作為實時變化因素在運行期間完成數(shù)據(jù)的實時接收與緩沖，避免重復(fù)建立多個緩沖區(qū)，改善了造成內(nèi)存不足的問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時接收，提高系統(tǒng)實時性。

第三步：通過CAN 接收函數(shù)分析，利用發(fā)送程序確定接收程序，在發(fā)送的數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)，輸入到寄存器中，在采集機(jī)內(nèi)部確定數(shù)據(jù)，通過協(xié)議得到規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包，集中整合了各線路MSS 服務(wù)器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集中存儲，為大數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計奠定了基礎(chǔ)。

第四步：通過分包發(fā)送實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀包括幀頭（通常用SOH 表示）、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗碼。通常幀頭信息會包含標(biāo)識、信息源地址和目的站地址，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度是發(fā)送的該數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，確定校驗碼，通過冗余計算獲得數(shù)據(jù)。

第五步：在完成冗余設(shè)計后，得到共用體，數(shù)據(jù)量共有16位，設(shè)置第一位為最低位，最后一位為最高位。

2.1 圖形化顯示功能設(shè)計

利用AutoCAD 圖元實體擴(kuò)展數(shù)據(jù)，使用CadTool 軟件對CAD 圖紙內(nèi)的圖元添加擴(kuò)展數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調(diào)用CAD 原理圖時，通過ActiveX 控件讀取CAD 每一個圖元擴(kuò)展數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)集，接口程序從中心服務(wù)器提取相關(guān)數(shù)據(jù)，并按時間序生成新的數(shù)據(jù)集，當(dāng)用戶播放CAD 圖畫時，ActiveX 控件將新數(shù)據(jù)集內(nèi)容按時間序?qū)懭胂鄳?yīng)的圖元，實現(xiàn)CAD 圖元與外部數(shù)據(jù)的交互動作。

2.2 報警管理功能設(shè)計

實時報警以彈窗的方式給出提示，同時可以選擇開啟/關(guān)閉語音報警，城市級信號系統(tǒng)健康中心使用圖形化顯示方式，能夠直觀地反映現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，并且圖形化的設(shè)備狀態(tài)與報警相結(jié)合，使報警分析更方便。

3 案例驗證

以成都地鐵為例，交控MSS 服務(wù)器與信號系統(tǒng)健康中心網(wǎng)絡(luò)貫通后，進(jìn)行現(xiàn)場測試。測試內(nèi)容：交控MSS 服務(wù)器接入網(wǎng)達(dá)隊列服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)調(diào)。實驗步驟如圖5 所示。

圖5 地鐵信號集中監(jiān)測流程

假設(shè)系統(tǒng)時鐘的技術(shù)頻率為f，系統(tǒng)響應(yīng)時間為T，則Tcan=(a2-a1)/f，以此可以計算出系統(tǒng)的響應(yīng)時間。依次記錄波特率從1 Mbps 降低至100 kbps 時定時器的時間讀數(shù)，并根據(jù)公式計算出相應(yīng)的響應(yīng)時間，調(diào)試實驗結(jié)果對比如表1 所示。

表1 調(diào)試時間實驗結(jié)果

CAN通信的實時性指的是發(fā)送節(jié)點寫入數(shù)據(jù)發(fā)送至緩存器與接收到數(shù)據(jù)之間的時間差，所以CAN 數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間越短，則表示系統(tǒng)的實時性越高。以上述實驗參數(shù)為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)檢測性能進(jìn)行實驗驗證。

在圖5 的基礎(chǔ)上，將波特率從1 Mbps 逐漸降低，依次測量兩個任意節(jié)點之間最長傳輸距離，實驗結(jié)果對比如表2 所示。

表2 最遠(yuǎn)傳輸距離實驗結(jié)果

由表2 的實驗結(jié)果可以看出，在100 kbps 的限制下，該文方法最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)430 m。

4 結(jié)束語

該文針對現(xiàn)有地鐵信號集中監(jiān)測方法存在的響應(yīng)時間慢、實時性差和檢測性能的問題，設(shè)計了基于互聯(lián)互通的地鐵信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，在互聯(lián)互通環(huán)境下，引入了CAN 控制系統(tǒng)，對CAN 通信設(shè)置初始化，獲取CAN 接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)，通信協(xié)議編程，完成地鐵信號集中監(jiān)測，使其在響應(yīng)時間、實時性和監(jiān)測性能方面具有優(yōu)越性。