鐵路車站信號聯(lián)鎖試驗?zāi)M裝置系統(tǒng)設(shè)計研究

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：張勇（1982—），男，本科，工程師，研究方向：鐵路信號。

摘要 信號系統(tǒng)作為鐵路車站的重要設(shè)備，關(guān)系著鐵路的正常運行，但由于現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試工作量巨大，故而通常采用試驗?zāi)M裝置進行聯(lián)鎖調(diào)試。為保證鐵路車站聯(lián)鎖控制及列車運行演練的真實性和安全性，文章基于Visual Studio平臺從應(yīng)用層模塊、安全功能模塊、通信功能模塊、故障注入模塊設(shè)計了試驗?zāi)M裝置系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)模擬裝置，該系統(tǒng)能夠縮短1/3左右的試驗時間，具有較為理想的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 鐵路車站；信號聯(lián)鎖試驗；模擬裝置

中圖分類號 U284.3文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0021-03

0 引言

傳統(tǒng)車站信號系統(tǒng)調(diào)試主要通過模擬試驗盤進行模擬，這種試驗盤僅能模擬車站的室外信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌道電路的狀態(tài)，不僅功能不全，還需結(jié)合實際需求進行個性化改進，效率低、適用性差，并且無法實現(xiàn)重復(fù)利用，經(jīng)濟性較低。該次研究設(shè)計的信號試驗?zāi)M系統(tǒng)操作簡單、實用性強，能夠根據(jù)需求靈活配置方針設(shè)備數(shù)量，并具備強電動作過程模擬功能，在很大程度上提高了模擬試驗與現(xiàn)場實際的一致性，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該次研究基于Visual Studio平臺進行鐵路車站信號聯(lián)鎖試驗?zāi)M裝置系統(tǒng)的設(shè)計，將系統(tǒng)劃分為四個模塊：①應(yīng)用層模塊；②安全功能模塊；③通信功能模塊；④故障注入模塊。各模塊間的聯(lián)系如圖1所示。

圖1 各模塊間的聯(lián)系圖

發(fā)送端，應(yīng)用層模塊會將數(shù)據(jù)發(fā)送到安全功能模塊，安全功能模塊接收來自上層的數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進行打包處理，再發(fā)送到通信功能模塊，最后由通信功能模塊發(fā)送到接收端的通信功能模塊[1]。其中，故障注入模塊主要與安全功能與通信功能兩模塊相連接，并在兩模塊收發(fā)數(shù)據(jù)的過程中注入錯誤數(shù)據(jù)，以此形成故障注入。

接收端，通信功能模塊在接收到發(fā)送端通信功能模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)發(fā)送到安全功能模塊，由安全功能模塊進行數(shù)據(jù)檢驗以及數(shù)據(jù)解析，最后將安全、正確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層模塊[2]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 應(yīng)用層模塊設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)界面設(shè)計

應(yīng)用層是信號聯(lián)鎖試驗?zāi)M系統(tǒng)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)生成與接收[3]。該次研究通過MFC仿真平臺進行應(yīng)用層系統(tǒng)界面的構(gòu)建，將界面劃分為五個部分：

（1）參數(shù)設(shè)置。該部分主要用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，例如發(fā)送端參數(shù)設(shè)置、接收端參數(shù)設(shè)置等，決定著收發(fā)數(shù)據(jù)的類型以及傳輸協(xié)議類型。

（2）信息窗口。該部分主要用于應(yīng)用層交互版本信息的顯示，例如接口數(shù)據(jù)版本校驗信息、接口規(guī)范信息等。

（3）狀態(tài)欄。該部分主要用于數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)的更改，配置文件讀取完成后，會對窗口欄中的各種信息進行設(shè)置，例如布爾量等，再通過更改箭頭方向?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)的更改。

（4）預(yù)留信息。該部分主要用于收發(fā)預(yù)留信息的顯示，并且可以通過窗口更改收發(fā)預(yù)留信息。

（5）信息輸出窗口。該部分主要用于系統(tǒng)軟件調(diào)試，判斷軟件運行狀態(tài)，并顯示運行錯誤信息。

2.1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊主要負(fù)責(zé)存儲收發(fā)信息、預(yù)留信息以及接口版本校驗信息[4]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊長度為60字節(jié)，各部分所占字節(jié)數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)塊各部分所占字節(jié)數(shù)

字節(jié)數(shù) 數(shù)據(jù)塊

8 接口版本校驗信息

30 收發(fā)信息狀態(tài)數(shù)據(jù)

22 預(yù)留信息

2.2 安全功能模塊設(shè)計

安全功能模塊由四部分構(gòu)成：①模塊初始化；②數(shù)據(jù)發(fā)送；③數(shù)據(jù)接收；④時鐘更新。

2.2.1 模塊初始化設(shè)計

安全功能模塊初始化主要包括三方面：

（1）配置初始化。讀取配置文件，并進一步讀取各鍵名下的參數(shù)，并對參數(shù)進行賦值[5]。安全功能模塊全局配置結(jié)構(gòu)體如表2所示。

表2 安全功能模塊全局配置結(jié)構(gòu)體

參數(shù) 字節(jié) 備注

main_cycle 5 設(shè)備周期

connection_num 3 節(jié)點數(shù)量

source_addr 3 設(shè)備地址

local_sid_1 5 通道1地址信息

local_sinit_1 5 通道1SINIT初始值

local_data Ver_1 5 通道1數(shù)據(jù)版本信息

local_Sys Check_1 5 通道1校核字

local_sid_2 5 通道2地址信息

local_sinit_2 5 通道2SINIT初始值

local_data Ver_2 5 通道2數(shù)據(jù)版本信息

local_Sys Check_2 5 通道2校核字

SFM_U2L_Q_Size 5 發(fā)送端數(shù)據(jù)包最大值

SFM_L2U_Q_Size 5 接收端數(shù)據(jù)包最大值

（2）連接初始化。流程與配置初始化類似，首先讀取配置文件，并進一步讀取與各連接通道對應(yīng)鍵名下的參數(shù)，并對參數(shù)進行賦值[6]。對于無法初始化的參數(shù)，則將其更改為0。安全功能模塊連接配置結(jié)構(gòu)體如表3所示。

（3）信息隊列初始化。首先，對信息隊列的類型進行設(shè)置，并將隊列中的元素個數(shù)清零；其次，將隊列總?cè)萘吭O(shè)置為SFM_L2U_Q_size的值；最后，對隊列頭的地址偏移量進行計算，并進行賦值。

表3 安全功能模塊連接配置結(jié)構(gòu)體

參數(shù) 字節(jié) 備注

RSSP_comm_cycle 5 設(shè)備周期

dest_addr 3 目的地址

delta Time 3 最大時序偏差周期

life Time 3 SSE與SSR最大差值

torlerate_cycle 3 寬恕周期

num_data_ver 1 數(shù)據(jù)版本號

remote_sid_1 4 通道1地址信息

remote_sinit_1 4 通道1SINIT初始值

remote_data Ver_1 4 通道1數(shù)據(jù)版本信息

remote_sid_2 4 通道2地址信息

remote_sinit_2 4 通道2SINIT初始值

remote_data Ver_2 4 通道2數(shù)據(jù)版本信息

2.2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計

在安全數(shù)據(jù)交互過程中，安全功能模塊主要分為安全數(shù)據(jù)的防護處理和傳輸驗證兩大部分。安全數(shù)據(jù)防護處理在安全功能模塊發(fā)送RSD、SSE、SSR三種通信報文過程中，主要涉及雙通道中CRCM安全編碼的生成、時間戳生成、CRC32生成以及CRC16的生成。在數(shù)據(jù)的接收過程中，安全數(shù)據(jù)傳輸驗證用于防護通信過程中可能存在的威脅，是數(shù)據(jù)完整性、時效性、有序性、真實性的保障。

2.3 通信功能模塊設(shè)計

2.3.1 模塊初始化

與安全功能模塊初始化相同，通信模塊初始化同樣分為配置初始化、連接初始化、信息隊列初始化三方面內(nèi)容，其流程與安全功能模塊初始化相同，僅配置結(jié)構(gòu)體存在差異，該文在此不再贅述。

2.3.2 底層通信模型選擇

該次系統(tǒng)軟件設(shè)計的過程中，為確保UDP連接的有效性，絕大多數(shù)通信組件均基于Socket套接字實現(xiàn)。同時，數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，均采用Winsock接口，接收端、發(fā)送端分別創(chuàng)建Winsock接口，并以Sockert為通信端點，并由系統(tǒng)分配Sockert號。

調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建套接字文件描述符，通過sockaddr_in結(jié)構(gòu)體設(shè)置目的地址和端口，bind將設(shè)置好的目的地址和端口與套接字進行綁定。在端口為可寫狀態(tài)時，利用sendto函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去；在端口為可讀狀態(tài)時，recvfrom函數(shù)用于接收對機的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，結(jié)束后利用close關(guān)閉套接字。

2.3.3 消息處理

通信功能模塊消息處理流程主要分為八個步驟：

（1）調(diào)用Get_CFM_Object函數(shù)，獲取靜態(tài)CFM對象，返回指針pCFM。

（2）從CFM_MQ.SND_MQ隊列中獲取數(shù)據(jù)包pri。

（3）將數(shù)據(jù)包放入LNK_MQ.SND_MQ，通過Socket套接字發(fā)送。

（4）通過Socker套接字獲取外界發(fā)送的信息，并將信息存到LNK_MQ.RCV_MQ隊列。

（5）從LNK_MQ.RCV_MQ隊列中獲取數(shù)據(jù)包pri。

（6）判斷數(shù)據(jù)是否大于通信層可接受的來自安全層的最大數(shù)據(jù)長度，若是，則進入下一階段；若否，則丟棄數(shù)據(jù)。

（7）判斷數(shù)據(jù)包的類型是否合法，若是，則進入下一階段；若否，則丟棄數(shù)據(jù)。

（8）進行CRC16檢驗，若檢驗通過，則將數(shù)據(jù)包放入CFM_MQ.RCV_MQ隊列；若未通過，則丟棄。

2.4 故障注入模塊設(shè)計

2.4.1 界面設(shè)計

系統(tǒng)界面主要包括九個操作輸入框：①CRCM1故障值輸入框；②CRCM2故障值輸入框；③CRC16故障值輸入框；④長度故障值輸入框；⑤序號故障值輸入框；⑥源地址故障值輸入框；⑦目的地址故障值輸入框；⑧發(fā)送超時故障值輸入框；⑨重復(fù)故障輸入框。

2.4.2 功能設(shè)計

故障注入主要根據(jù)試驗?zāi)M需求通過人為操作對數(shù)據(jù)內(nèi)容以及數(shù)據(jù)傳輸過程進行更改，例如改變數(shù)據(jù)關(guān)鍵變量、目標(biāo)地址等。按照故障注入時間不同，故障注入主要分為兩種，一種為安全功能模塊信息構(gòu)建階段的故障注入，另一種為信息從通信功能模塊發(fā)出階段的故障注入。

其中，發(fā)送超時、重復(fù)故障屬于信息從通信功能模塊發(fā)出階段的注入故障。

發(fā)送超時故障的注入流程分為四步：①調(diào)動Do Data Exchange函數(shù)，并將控件文本IDC_EDIT_TIMEOUT與變量m_Edit Time Ou進行t關(guān)聯(lián)；②輸入控件文本數(shù)據(jù)，并點擊開始，調(diào)用On Bn Clicked Button Start函數(shù)進行數(shù)據(jù)更新，將m_Edit Time Out賦值給m_Error_Time Out；③CFM模塊發(fā)送信息過程中，在函數(shù)CFM_Send_Dat中增加Sleep（400*m_Error_Time Out）；④休眠時間結(jié)束后，通信層將數(shù)據(jù)包pri寫入發(fā)送隊列。

重復(fù)故障的注入分為四步：①調(diào)用Do Data Exchange函數(shù)，將控件文本IDC_CHECK_DUTERROR與變量m_Edit Dut Error進行關(guān)聯(lián)；②輸入控件文本數(shù)據(jù)并點擊開始，調(diào)用On Bn Clicked Button Start函數(shù)更新數(shù)據(jù)，將m_Edit Dut Error賦值給m_Error_Dut Error；③增加一個變量duplicated_times，用來記錄將pri放入發(fā)送隊列的次數(shù)，每發(fā)送一次次數(shù)加一；④循環(huán)發(fā)送至次數(shù)大于用戶設(shè)定。

3 系統(tǒng)試驗

3.1 系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

系統(tǒng)試驗是保證信號設(shè)備功能正常發(fā)揮的重要基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計完成后，結(jié)合實際使用需求，在經(jīng)過深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，已在某鐵路局新建車站得到應(yīng)用，并取得了較為理想的應(yīng)用效果。相比于傳統(tǒng)試驗?zāi)M裝置，該系統(tǒng)進一步提高了車站信號聯(lián)鎖試驗效率，調(diào)試及驗證時間僅為傳統(tǒng)試驗?zāi)M裝置的2/3，并且隨著操作熟練度的提高以及后續(xù)系統(tǒng)軟件的更新，還能進一步縮短試驗時間，提高試驗效率。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)試驗?zāi)M裝置，該系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點：

（1）在通電情況下，該系統(tǒng)具有一鍵開關(guān)功能，操作便捷。同時，系統(tǒng)各模塊獨立運行，硬件更新簡單。線路連接方面，該系統(tǒng)通過萬科端子與室內(nèi)接口一線連接，操作方便，實用性強。操作簡單、實用性強、能夠根據(jù)需求靈活配置方針設(shè)備數(shù)量，并具備強電動作過程模擬功能。

（2）該系統(tǒng)有著與現(xiàn)場相同的仿真設(shè)備數(shù)量，并且還能根據(jù)需求進行靈活配置，個性化較強。

（3）該系統(tǒng)除具有模擬盤的所有功能外，還增加了強電動作過程模擬功能，在很大程度上提高了模擬試驗與現(xiàn)場實際的一致性。

（4）該系統(tǒng)能夠?qū)π熊囘^程的設(shè)計進行模擬，能夠自動配合鐵路電務(wù)人員進行聯(lián)鎖關(guān)系試驗的驗收過程，相較于傳統(tǒng)人工操作，縮短了試驗時間，提高了聯(lián)鎖試驗的全面性和準(zhǔn)確性。

（5）該系統(tǒng)的室外設(shè)備模擬模塊通過采集電纜輸出的電壓、電流、相位和相序等電氣特性，能夠分析出室內(nèi)控制電路的故障點，協(xié)助施工單位快速查找設(shè)備故障點，能顯著節(jié)省調(diào)試時間，縮短車站施工工期。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)試驗?zāi)M盤存在的效率低、經(jīng)濟性低、適用性差的不足，研究基于Visual Studio平臺設(shè)計了鐵路車站信號聯(lián)鎖試驗?zāi)M裝置系統(tǒng)。經(jīng)實際使用檢驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)操作便捷，能夠在很大程度上提高試驗效率，縮短試驗時間，還能根據(jù)使用需求靈活配置方針設(shè)備，模擬強電動作過程，且能夠重復(fù)使用，經(jīng)濟性、適用性較強，在既有線日常施工、維修進行信號聯(lián)鎖試驗時運用該裝置可以取得較好效果。

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