動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)安全接口機(jī)的設(shè)計(jì)

程 君 曹桂均 馮 軍 閆 石

動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)安全接口機(jī)的設(shè)計(jì)

程 君 曹桂均 馮 軍 閆 石

摘 要：動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了列車與調(diào)車作業(yè)計(jì)劃管理、列車與調(diào)車作業(yè)自動(dòng)進(jìn)路集中控制、動(dòng)車組位置自動(dòng)識(shí)別與追蹤、動(dòng)車基地作業(yè)計(jì)劃的優(yōu)化調(diào)整等功能。該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)及車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等存在大數(shù)據(jù)量的信息交互，因此設(shè)計(jì)開發(fā)了一款安全可靠的接口機(jī)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量雙向隔離高速傳輸和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車基地;調(diào)度集中系統(tǒng);接口機(jī);雙機(jī)熱備;雙口RAM;數(shù)據(jù)隔離

程 君：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員100081 北京

曹桂均：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 研究員 100081北京

馮 軍：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 副研究員100081 北京

閆 石：中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員100081 北京

目前，全路已建成北京、武漢、廣州、上海等動(dòng)車基地，受動(dòng)車基地運(yùn)營特點(diǎn)的制約，絕大多數(shù)接、發(fā)、調(diào)車作業(yè)需要集中在夜間完成，調(diào)度業(yè)務(wù)繁忙，臨時(shí)計(jì)劃較多，自動(dòng)化程度低，現(xiàn)場(chǎng)工作人員壓力大。針對(duì)此情況，研發(fā)設(shè)計(jì)了動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了列車與調(diào)車作業(yè)計(jì)劃管理、列車與調(diào)車作業(yè)自動(dòng)化控制、動(dòng)車組自動(dòng)識(shí)別與追蹤等功能。此系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、分散自律調(diào)度集中CTC系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)及車號(hào)自動(dòng)識(shí)別(AEI)系統(tǒng)等存在大數(shù)據(jù)量的信息交互，因此，需要設(shè)計(jì)一款安全、可靠的接口機(jī)，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)雙向隔離傳輸和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

1 功能簡(jiǎn)介

動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)與多個(gè)不同廠家的系統(tǒng)之間存在著信息交互，其通信協(xié)議及通信方式都不盡相同，因此，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部程序的通用性，需要接口機(jī)具備協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，按照各個(gè)廠家不同的協(xié)議及內(nèi)部協(xié)議格式轉(zhuǎn)換成內(nèi)部數(shù)據(jù)后發(fā)到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)無需關(guān)心外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，只需從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上提取數(shù)據(jù)并按照內(nèi)部協(xié)議解析。接口機(jī)滿足各個(gè)外部系統(tǒng)設(shè)備的不同通信方式，包括各種串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信方式。

動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)以及與其接口的各個(gè)系統(tǒng)作為獨(dú)立的系統(tǒng)，都不應(yīng)受到外界的干擾而影響到本系統(tǒng)的安全運(yùn)行，所以接口機(jī)還要保證系統(tǒng)之間的安全隔離，只允許協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過，實(shí)現(xiàn)安全網(wǎng)絡(luò)通信，而各個(gè)系統(tǒng)與外系統(tǒng)之間的終端或服務(wù)器都無法直接互相訪問，避免不安全的數(shù)據(jù)影響各個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 接口機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)中各個(gè)終端以及與其接口的外部系統(tǒng)都是雙機(jī)熱備的方式，接口機(jī)作為系統(tǒng)中間的紐帶與橋梁，對(duì)其穩(wěn)定性的要求必然也很高，所以也采取雙機(jī)熱備的方式，保證在一臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)故障的時(shí)候不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。接口機(jī)與外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)的連接均采用交叉互聯(lián)的方式，即每臺(tái)接口機(jī)與外系統(tǒng)的A、B機(jī)連接起來，對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理協(xié)議轉(zhuǎn)換和隔離，然后接入內(nèi)部系統(tǒng)的A、B網(wǎng)，系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)終端及服務(wù)器A、B機(jī)均掛入系統(tǒng)A、B網(wǎng)，連接示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備連接示意圖

接口機(jī)的外部機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜插籠方式，6U高度，便于與其他設(shè)備一起集成于機(jī)柜中。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由雙機(jī)控制器、A機(jī)、B機(jī)三部分構(gòu)成，雙機(jī)控制器又包括控制電路板、電源、按鈕顯示面板，可以實(shí)現(xiàn)A、B機(jī)的自動(dòng)和手動(dòng)切換。A、B機(jī)均由1塊電源板、1塊CPU板和2塊ETH板構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)完全一致，一臺(tái)接口機(jī)至少可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)不同接口數(shù)據(jù)通道的傳輸。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 接口機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 接口機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 雙機(jī)控制器

雙機(jī)控制器，簡(jiǎn)稱雙控器，用于A機(jī)、B機(jī)工作選擇，同一時(shí)間內(nèi)只有一機(jī)處于主用狀態(tài)，另一機(jī)處于備用狀態(tài)，在主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備機(jī)手動(dòng)或自動(dòng)切換至主機(jī)工作。

雙控器面板有“主機(jī)正?！薄?“備機(jī)正?！?、“系統(tǒng)故障”3個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)指示燈， “熱備”、“停鳴”2個(gè)非自復(fù)式按鈕用來選擇工作方式，“A機(jī)主用”、“B機(jī)主用”2個(gè)自復(fù)式按鈕用來手動(dòng)切換工作主機(jī)，“應(yīng)急”旋鈕可以讓雙控器在出現(xiàn)故障時(shí)強(qiáng)制切換至某一臺(tái)機(jī)器工作。

正常工作時(shí)，A機(jī)、B機(jī)定時(shí)送脈沖信號(hào)至雙控器，雙控器對(duì)脈沖信號(hào)采樣判斷其是否處于正常工作狀態(tài)，然后驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)繼電器吸合。A、B機(jī)主用、備用繼電器實(shí)現(xiàn)互鎖，可靠保證同一時(shí)刻只有一臺(tái)機(jī)器處于主用狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)送的脈沖信號(hào)超過設(shè)定的切換時(shí)間，并且機(jī)器處于熱備狀態(tài)時(shí)則自動(dòng)倒機(jī)，并發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲。雙控器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

3.2 CPU板

CPU板采用ATMEL AT91RM9200內(nèi)核工業(yè)級(jí)處理器，獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)cache，寫緩存，全功能的MMU虛擬內(nèi)存管理單元，自帶一個(gè)以太網(wǎng)控制器，用DM9000CP以太網(wǎng)控制器擴(kuò)展第二個(gè)網(wǎng)口，提供隔離的4個(gè)串口資源，其中2個(gè)串口RS-422、RS-485、RS-232跳線可選。

圖3 雙控器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.3 ETH板

ETH板與CPU選用同一款內(nèi)核，板載64KB雙口RAM，芯片采用美國IDT公司的IDT 7008，它允許2個(gè)端口同時(shí)讀寫數(shù)據(jù)，每個(gè)端口具有自己獨(dú)立的控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線，最快存取時(shí)間為25 ns。ETH板通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)與CPU板的數(shù)據(jù)高速交換，同時(shí)板載集成了2個(gè)網(wǎng)口和4個(gè)串口，適用于外部系統(tǒng)不同的接口方式。

3.4 電源板

電源板提供5 V和12 V直流電源，其中5 V給CPU供電，12 V給IO接口供電。

4 接口機(jī)數(shù)據(jù)隔離與交換原理

ETH板上有2個(gè)板載網(wǎng)口，分別接入外部系統(tǒng)的雙網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，完成與外部系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。ETH板上還提供4個(gè)串行通信口，可實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)通信。CPU板上有2個(gè)板載網(wǎng)口，分別接入內(nèi)部系統(tǒng)的雙網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，完成與內(nèi)部系統(tǒng)各個(gè)服務(wù)器及終端的數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)系統(tǒng)從外部系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，ETH板將需要接收的數(shù)據(jù)提取出來放入雙口RAM指定區(qū)域，CPU板到雙口RAM指定區(qū)域取出數(shù)據(jù)，按照協(xié)議轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式，通過網(wǎng)口發(fā)送到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò);相反，當(dāng)系統(tǒng)向外部系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU板從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)，按照協(xié)議轉(zhuǎn)換成外部的數(shù)據(jù)格式放入ETH板雙口RAM指定區(qū)域，ETH板從指定區(qū)域取出數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)口或者串口發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò)。原理示意圖如圖4所示。

圖4 接口機(jī)數(shù)據(jù)隔離與交換原理

雙口RAM的核心部分是存儲(chǔ)器陣列，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，左右2個(gè)端口共用。2個(gè)端口同時(shí)對(duì)同一地址單元存取數(shù)據(jù)時(shí)，采用信號(hào)燈鎖存器來實(shí)現(xiàn)互鎖，防止沖突問題。IDT 7008共有8個(gè)信號(hào)燈鎖存器，所以最多可以把雙口RAM劃分為8塊，每塊存儲(chǔ)區(qū)的容量大小任意設(shè)置。上電時(shí)從雙口RAM的兩側(cè)讀到的信號(hào)燈鎖存器狀態(tài)都是FF，表明兩側(cè)都沒有占用雙口RAM，如果一側(cè)要占用，就寫0到這個(gè)信號(hào)燈鎖存器，讀回時(shí)是0表明可以操作雙口RAM，但如果讀回時(shí)是FF表明對(duì)方占用了雙口RAM。一方操作完雙口RAM后就寫1到信號(hào)燈鎖存器，此時(shí)對(duì)方才可以占用RAM。

CPU板和ETH板均采用嵌入式ARM LINUX操作系統(tǒng)，有效防止外系統(tǒng)基于Windows的病毒感染，禁止特定端口的數(shù)據(jù)通信，防止來自不明入侵者的攻擊。程序采用arm-linux交叉編譯工具編譯，不同的通信方式和端口設(shè)置采用配置文件修改，提高程序的通用性。

5 結(jié)束語

通過高性能的雙口RAM，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)的高速傳輸和隔離，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過雙機(jī)熱備方式的設(shè)計(jì)，滿足了接口機(jī)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。此外，本接口機(jī)具有良好的可擴(kuò)展性和移植性，也可用于其他系統(tǒng)中需要網(wǎng)絡(luò)安全隔離的環(huán)境。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所.動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)方案研究報(bào)告［R］.2009(8).

［2］曹桂均，張華．動(dòng)車基地調(diào)度集中系統(tǒng)研究［J］.中國鐵路，2012(4).

［3］段武．微機(jī)聯(lián)鎖雙機(jī)熱備系統(tǒng)的研究［J］．中國鐵道科學(xué)，1997(9).

［4］姜平，周根榮，肖紅升，季斌．基于雙口RAM的多機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2010(11).

Abstract:The Centralized Control System of EMU Maintenance Base provides the functions of train operation and shunting scheduling，automatic centralized control of train operation and shunting，automatic EMU identification and tracking．The system can communicate with computer interlocking system，CTC，AEI and Information Management System，and large amount of data exchange is generated among them．So，it is absolutely necessary to design and develop a safe and reliable interface machine to achieve bi-directional isolated high-speed transmission of large amount of data and protocol conversion．

Key words:EMU maintenance base;Centralized traffic control system;Interface machine;Dual machine hot standby;Dual-port RAM;Data isolation

2012-07-06

(責(zé)任編輯：張 利)