CTCS-4級列控車載設(shè)備電子地圖FLASH存取管理方案

王飛， 岳林， 趙曉宇， 楊森， 王斐武

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

0 引言

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)依據(jù)線路客觀條件和實(shí)際狀況，對列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，是保障列車安全高效運(yùn)行的核心技術(shù)裝備［1-2］。目前，我國鐵路最成熟的列控技術(shù)是CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng)，但為了進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度、縮短追蹤間隔、減少建設(shè)運(yùn)營維護(hù)成本，提出下一代列控系統(tǒng)——CTCS-4 級列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括移動閉塞、基于衛(wèi)星列車精確定位、基于衛(wèi)星列車完整性檢查、高速鐵路車地雙向傳輸?shù)燃夹g(shù)［3-4］。在基于衛(wèi)星列車精確定位技術(shù)中，CTCS-4級列控系統(tǒng)移除了大量地面設(shè)備，包括采用傳統(tǒng)軌道電路來實(shí)現(xiàn)列車占用檢查及定位等設(shè)備，而采用衛(wèi)星定位、速度傳感器以及定位實(shí)體應(yīng)答器結(jié)合數(shù)字電子地圖，以實(shí)現(xiàn)列車多源融合定位［5-6］。

針對基于衛(wèi)星列車精確定位技術(shù)，車載設(shè)備通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)與地面臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）建立通信，實(shí)現(xiàn)電子地圖及衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線請求、接收、拼接、使用和存儲等功能［5］。在接收到TSRS 發(fā)送的電子地圖文件時(shí)，需要對其進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)通過后才能保存接收的電子地圖文件；在需要使用地圖文件時(shí)可以快速找到相應(yīng)的文件數(shù)據(jù)。

FLASH 存儲器（簡稱FLASH）是一種常用的嵌入式系統(tǒng)存儲器，具有防振、不容易丟失、節(jié)電存儲等特點(diǎn)［7］。目前具備成熟技術(shù)的車載設(shè)備主處理平臺通常選用FLASH 來存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。因此，考慮將接收到的電子地圖存于FLASH 中，并對電子地圖的存取問題展開探討，給出一種高效且適用于車載設(shè)備的存取方案。

1 電子地圖

一般意義上，所謂電子地圖是指將地圖用數(shù)字形式表示，而軌道地圖是將整個(gè)軌道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用數(shù)字形式表示，主要包含地圖索引文件、軌道地理信息文件、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件［8］。其中，地圖索引文件包含TSRS管轄的每個(gè)車站的信息及前后車站的鏈接關(guān)系；軌道地理信息文件涵蓋了衛(wèi)星定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)與軌道位置數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系；固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件包含區(qū)間和站內(nèi)的應(yīng)答器（包含實(shí)體應(yīng)答器和虛擬應(yīng)答器）、車站內(nèi)道岔、管轄邊界。固定應(yīng)用數(shù)據(jù)是車載設(shè)備在區(qū)間和站內(nèi)定位判斷所處軌道，以及觸發(fā)虛擬應(yīng)答器報(bào)文的依據(jù)。同時(shí)，應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)是車載設(shè)備運(yùn)行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

電子地圖主要作用是輔助衛(wèi)星確定列車在軌道上的精確位置，即衛(wèi)星定位獲得的列車位置與車載設(shè)備存儲的電子地圖中的位置進(jìn)行匹配，確保列車定位精度和列控系統(tǒng)實(shí)時(shí)精確控制［9］。電子地圖輔助定位示意見圖1。

圖1 電子地圖輔助定位示意圖

2 FLASH管理機(jī)制

通常FLASH 由若干塊單元組成，每個(gè)塊單元又由若干Page 頁組成，且以塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除操作，以Page 頁的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。FLASH 的寫操作很特殊，必須是先擦除，然后才能寫入數(shù)據(jù)，這是由于FLASH執(zhí)行寫編程指令時(shí)，只有數(shù)據(jù)為“1”時(shí)才能寫入，為“0”時(shí)無法寫入，而擦除指令只有數(shù)據(jù)為“0”時(shí)才能擦除，為“1”時(shí)不執(zhí)行。而且，擦除操作是以塊單元進(jìn)行操作，因此對指定位置寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除操作時(shí)，只能對整個(gè)塊單元數(shù)據(jù)擦除［10］。

在此探討的列控車載設(shè)備中用于電子地圖儲存的FLASH大小為3.6 GB，按塊（Block）為最小操作單位，大小為512 Byte，擦除僅支持最小2 MB數(shù)據(jù)擦除。依據(jù)FLASH 的存儲特點(diǎn)，讀、寫、擦操作單位最好是1 個(gè)Block大小的整數(shù)倍，可以保障在更新或刪除某些數(shù)據(jù)時(shí)不會導(dǎo)致其他數(shù)據(jù)被修改。但針對小于1個(gè)Block空間的文件，會造成FLASH存儲空間的浪費(fèi)。為簡化文件管理方案和避免因共享1個(gè)Block而導(dǎo)致操作不同文件時(shí)相互影響，在方案設(shè)計(jì)時(shí)將不同文件存儲在不同的Block空間內(nèi)。同時(shí)，對該FLASH的讀、寫、擦操作時(shí)間進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)（見圖2、圖3），為存取方案設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 FLASH操作的總耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖3 單個(gè)Block操作的耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖2 為隨著1 次讀、寫、擦Block 個(gè)數(shù)增多時(shí)，讀、寫、擦總耗時(shí)的統(tǒng)計(jì)，其中擦除是按2 MB的整數(shù)倍來統(tǒng)計(jì)總耗時(shí)。圖3為隨著1次讀、寫、擦Block個(gè)數(shù)增多時(shí)，單個(gè)Block讀、寫、擦耗時(shí)的統(tǒng)計(jì)，其中擦除是按2 MB的整數(shù)倍來統(tǒng)計(jì)單個(gè)Block耗時(shí)。由圖2和圖3可以看出，1次讀、寫、擦操作的Block是按整數(shù)倍增長的。同時(shí)，對比圖2和圖3可知，對多個(gè)Block的讀、寫操作時(shí)間并不是對單個(gè)Block操作時(shí)間的疊加，同時(shí)對多個(gè)Block進(jìn)行讀、寫時(shí)間要比同樣數(shù)量單獨(dú)操作的時(shí)間少很多。擦除操作不管是總耗時(shí)還是單個(gè)Block耗時(shí)變化都不大，這是由于擦除最小單位是2 MB，擦除1 個(gè)Block 時(shí)，是對2 MB數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而不是對512 Byte數(shù)據(jù)處理，也就表現(xiàn)為不管是總耗時(shí)還是單個(gè)Block耗時(shí)變化都不大。而對于單個(gè)Block擦除時(shí)間出現(xiàn)急劇下降的情況，是由于同時(shí)擦除16 384 個(gè)Block，數(shù)據(jù)量為8 MB，總的擦除時(shí)間約為12 ms，則2 MB的擦除時(shí)間約為3 ms。

3 電子地圖FLASH存取方案設(shè)計(jì)

通常FLASH 芯片管理根據(jù)FLASH 容量、文件數(shù)目和大小，將FLASH固定劃分為幾個(gè)存儲區(qū)域，再對每個(gè)文件對應(yīng)的起始地址加以記錄，當(dāng)需要對某文件進(jìn)行讀、寫、擦等操作時(shí)，先查到其對應(yīng)的起始地址和區(qū)域大小，然后到該地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫、擦等操作。該方案簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但要預(yù)估文件的大小進(jìn)行分配，如果預(yù)估不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致無法正確存儲或者浪費(fèi)空間資源。

3.1 電子地圖數(shù)據(jù)分析

以實(shí)際情況考慮，鐵路線上的TSRS 及車站個(gè)數(shù)是一定的，可以假設(shè)某條線路上有3個(gè)TSRS、50個(gè)車站、10 個(gè)中繼站。其中，地圖索引文件描述的是1 個(gè)TSRS管轄范圍內(nèi)每個(gè)車站的信息及前后車站的鏈接關(guān)系，文件大小不超過10 kB。軌道地理信息文件和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件描述的是1 個(gè)車站內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)（如應(yīng)答器、道岔、信號機(jī)等）的精確衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這2個(gè)文件相對索引文件較大，其中最大文件估計(jì)為64 kB。按最大文件數(shù)據(jù)計(jì)算，估算該鐵路電子地圖數(shù)據(jù)總量為3×10 kB+60×（64 kB×2）=7.53 MB，取整為8 MB。因此，即使將整條線路數(shù)據(jù)全部存儲，都用不完FLASH 的3.6 GB 存儲空間，必然會有很多空間剩余。

因此，對于FLASH 可以不用考慮存儲空間是否浪費(fèi)，著重考慮如何快速存儲讀取數(shù)據(jù)，滿足車載設(shè)備在線實(shí)時(shí)操作的需求。目前考慮電子地圖存儲任務(wù)在100 ms內(nèi)完成，并且不影響其他任務(wù)的執(zhí)行。

3.2 方案總體設(shè)計(jì)

根據(jù)FLASH管理機(jī)制以及電子地圖不同文件特點(diǎn)，同時(shí)考慮地圖儲存過程耗時(shí)情況來設(shè)計(jì)存取方案，F(xiàn)LASH 存儲器框架結(jié)構(gòu)見圖4。（1）針對地圖索引文件、軌道地理信息文件和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件大小，將FLASH存儲區(qū)劃分為3個(gè)存儲空間；（2）每個(gè)存儲空間劃分為文件索引區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，其中，文件索引區(qū)存放文件在存儲區(qū)的位置以及各存儲塊的使用情況；數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放接收的電子地圖二進(jìn)制文件；（3）將數(shù)據(jù)存儲區(qū)再進(jìn)行劃分，將N個(gè)小塊聚集為1個(gè)大塊（大小為512 Byte×N）視為1 個(gè)管理單元，該N個(gè)小塊應(yīng)滿足足夠存儲1個(gè)文件，且在該文件發(fā)生改變時(shí)也能滿足覆蓋存儲需求，而不需要再找其他空閑存儲空間。

圖4 FLASH存儲器框架結(jié)構(gòu)

該方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）針對不同文件劃分不同存儲空間，有利于針對不同文件快速查找相應(yīng)的存儲空間，有效減少查找遍歷文件次數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)存儲區(qū)劃分大塊存儲區(qū)，不僅能減少文件索引區(qū)對數(shù)據(jù)儲存區(qū)存儲狀態(tài)的描述，還可有效規(guī)避數(shù)據(jù)刪除造成的碎片以及碎片回收機(jī)制的考量，簡化了管理策略。

（3）該方案的不足之處在于：需要提前預(yù)估每個(gè)文件的大小，以便準(zhǔn)確劃分各存儲區(qū)大小，不利于靈活存儲數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)以上文件管理方案，F(xiàn)LASH 文件索引區(qū)組織結(jié)構(gòu)見表1，其中，F(xiàn)LASH塊列表描述數(shù)據(jù)存儲區(qū)根據(jù)實(shí)際文件大小劃分的大塊分區(qū)的占用情況，“1”表示該大區(qū)已占用，“0”表示該大區(qū)未占用，0xFF 表示該大區(qū)壞死，不能使用。

表1 文件索引組織結(jié)構(gòu)

表1中的文件描述根據(jù)文件描述結(jié)構(gòu)進(jìn)行文件大小配置，并依次排列存放。任何一個(gè)數(shù)據(jù)文件更新之前，都要更新對應(yīng)的文件描述字段信息，確定該文件描述狀態(tài)、文件類型和存儲起始位置。對應(yīng)的文件描述結(jié)構(gòu)見表2。

表2 文件描述結(jié)構(gòu)

確定了索引結(jié)構(gòu)后，車載設(shè)備從FLASH 中讀、寫電子地圖文件的具體流程見圖5。車載設(shè)備上電啟機(jī)后，首先從FLASH存儲器劃分的地圖索引文件存儲區(qū)、軌道地理信息文件存儲區(qū)、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件存儲區(qū)中讀取文件索引區(qū)，獲得存儲占用情況列表和文件描述列表，然后進(jìn)入等待讀、寫命令流程。

圖5 FLASH中文件讀寫流程

由于車載設(shè)備發(fā)送給FLASH 存儲器的讀、寫命令中包含文件類型，因此在收到讀、寫命令時(shí)可直接定位到不同文件存儲區(qū)，獲得不同文件存儲占用情況列表和文件描述列表，在內(nèi)存中對2 個(gè)列表遍歷搜索操作，獲得存儲區(qū)占用情況以及文件存儲起始塊編號信息，從而完成讀、寫操作。

地圖索引文件、軌道地理信息文件、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件的讀、寫操作基本相同，以下讀、寫步驟適用于任意一種文件。

（1）寫操作命令步驟如下：

步驟1：判斷寫命令是否結(jié)束，該步驟主要考慮到如果電子地圖文件數(shù)據(jù)量較大，操作時(shí)間超過100 ms時(shí)，意味著1個(gè)周期處理不完該寫命令操作，需要下個(gè)周期繼續(xù)處理。

步驟2：根據(jù)待寫入的文件信息，掃描文件描述列表判斷是否有重命名文件，該步驟的實(shí)現(xiàn)主要通過文件類型、所屬TSRS 設(shè)備編號和車站編號統(tǒng)一判斷；如果找到重命名文件，則覆蓋原有數(shù)據(jù)，更新文件描述列表以及存儲占用情況列表。

步驟3：待寫入的文件信息是一個(gè)新的文件，由于存放文件信息描述區(qū)的空間是一定的，則需要判斷該文件描述列表是否有足夠空間存放該文件的文件描述；如果文件描述列表沒有足夠存儲空間去描述新的文件信息，需要刪除無效的文件描述信息，更新文件描述列表。

步驟4：文件描述列表有足夠空間存放該文件的文件描述，但是數(shù)據(jù)存儲區(qū)的空間也是一定的，同樣需要確定數(shù)據(jù)存儲區(qū)是否有足夠空間寫該文件；如果數(shù)據(jù)儲存區(qū)沒有足夠存儲空間去存儲新的文件數(shù)據(jù)，需要刪除列車已通過的TSRS 區(qū)域的地圖文件，更新文件描述列表及存儲占用情況列表。盡管該方案中FLASH有足夠空間存放電子地圖，但出于對程序的靈活性及全面性考慮仍需進(jìn)行該邏輯的判斷。

步驟5：數(shù)據(jù)存儲區(qū)有足夠空間寫該文件，則搜索存儲占用情況列表中第1個(gè)未占用的大區(qū)號，同時(shí)更新文件描述列表，從文件描述起始塊號寫入數(shù)據(jù)，最后更新存儲占用情況列表。

（2）讀操作命令步驟如下：

步驟1：判斷讀命令是否結(jié)束，該步驟主要考慮到如果電子地圖文件數(shù)據(jù)量較大，操作時(shí)間超過100 ms時(shí)，意味著1個(gè)周期處理不完該讀命令操作，需要下個(gè)周期繼續(xù)處理。

步驟2：根據(jù)待讀取的文件信息，掃描文件描述列表判斷是否有該文件，如果沒有該文件返回失?。蝗绻业皆撐募?，同時(shí)在該文件的描述列表中找到文件占用的起始塊號和文件大小，然后從該起始塊號讀取相應(yīng)大小的文件數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

對CTCS-4級列控系統(tǒng)的研究目前處于鐵路信號領(lǐng)域的前沿，很多新提出的關(guān)鍵技術(shù)在世界范圍內(nèi)還沒有成熟應(yīng)用，例如基于電子地圖輔助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)列車精確定位技術(shù)中，電子地圖如何生成以及如何存取等相關(guān)技術(shù)沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，仍需開展大量研究工作。針對電子地圖存取問題，結(jié)合FLASH操作方法及電子地圖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套有效的文件存取方案，為車載設(shè)備運(yùn)行期間高效存儲和讀取電子地圖提供一種可執(zhí)行的解決方案。