動態編組列車車載監控系統軟件設計及實現

湯 海 源， 劉 全 利

( 大連理工大學 電子信息與電氣工程學部, 遼寧 大連 116024 )

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動態編組列車車載監控系統軟件設計及實現

湯 海 源， 劉 全 利*

( 大連理工大學 電子信息與電氣工程學部, 遼寧 大連 116024 )

列車車載監控系統的正常運行對軌道交通的安全起著至關重要的作用．列車車載監控系統一般由攝像機、硬盤錄像機、交換機和觸摸屏監視器等設備組成，承擔實時監控列車環境、存儲視頻錄像等重要責任．列車車載監控系統軟件運行在觸摸屏監視器中，是整個車載監控系統的核心控制軟件．動態編組處理功能是列車車載監控系統軟件的重要組成部分，該功能在列車動態編組運行時，保證列車車載監控系統正常工作．所論述的動態編組列車車載監控系統軟件目前已經在某地鐵項目中得到應用．

列車車載監控系統；列車動態編組；實時監控；視頻回放；車載設備狀態上報

0 引 言

城市軌道交通，如地鐵、輕軌，因其具有載客量大、占地空間少、污染小、效率高、準時等特點，對于緩解城市由于人口密度大、居民出行次數多等因素而導致的交通運輸壓力起著至關重要的作用[1]．地鐵運營公司為了達到節能和給旅客提供優質服務的目標，需要根據每日客流量強度的變化，動態調整列車編組方案．在上下班高峰期間，列車需要多列車編組運營，以保證列車有足夠的運輸力，滿足人們出行要求；在平峰期間，列車需要采取小編組方案，達到節能減排的目的[2]．目前常規的車載監控系統軟件無法滿足列車動態編組運營時的要求，本文所論述的動態編組列車車載監控系統軟件除了具備常規監控軟件的視頻處理功能外，還包括列車動態編組處理功能，當列車編組模式改變時，軟件無須人工干預，即可自動控制監控系統中的所有設備，使監控系統正常工作，保證列車運行安全．

1 動態編組列車車載監控系統軟件功能分析

1.1 列車車載監控系統的組成

本文描述的動態編組列車車載監控系統軟件是為某地鐵項目列車車載監控系統定制的核心控制軟件．該列車由4節車廂組成，分別為Mc1、T1、T2和Mc2，其中Mc1、Mc2為帶司機室的車頭、車尾，T1、T2為乘客車廂．如圖1所示，在Mc1/Mc2中，分為司機室和乘客車廂兩部分，在司機室中，有一個車廂攝像機和兩個安裝在列車車外的外部攝像機，分別監控司機室和車外狀況．觸摸屏監視器是系統主機，為整個車載監控系統的控制核心．硬盤錄像機(train digital video recorder，TDVR)負責存儲車載監控系統實時視頻．列車廣播控制系統單元(announcement control system unit，ACSU)為乘客信息系統的控制核心．車載交換機負責設備連接，為視頻數據和控制數據的傳輸提供通路，構成本地以太網系統．在乘客車廂里，則只有1臺交換機和4個車廂攝像機實時監控車廂內的情況．

圖1 列車車載監控系統結構圖

1.2 列車車載監控系統工作原理

車上所有車載交換機通過百兆網線順序相連，構成車載以太網，車載監控系統中的視頻信號和控制信號均采用TCP/IP協議傳輸[3]．監控系統中的所有設備均為以太網設備，在系統上電后，各設備發送DHCP請求，位于觸摸屏監視器中的DHCP服務器會根據設備所連接的交換機的IP地址和在交換機中連接的端口位置，為其分配一個唯一的IP地址[4]，當設備獲取IP地址后，開始正常工作．列車中的所有IP攝像機都是海康數字化攝像機，除了采集視頻數據外，還負責對視頻數據按照具有高編碼效率、高圖像質量、容錯能力強等特點的H.264標準壓縮編碼[5]，并且控制視頻數據在網絡上的傳輸．硬盤錄像機采用Linux嵌入式平臺，具有可靠性高、響應速度快等特點[6]，負責控制所在列車的IP攝像機的視頻存儲，它利用實時流傳輸協議(RTSP)進行取流[7]，將獲得的視頻數據按照MP4格式存儲到硬盤中，方便后續對視頻數據的使用．觸摸屏監視器負責控制整個監控系統，預裝XPE系統，既具有XP系統的所有功能和屬性，同時還具備啟動速度快、增強寫保護等特點，極大地方便司機操作維護．觸摸屏監視器中的觸摸屏保證司機在沒有鼠標、鍵盤的車載環境中與系統主機進行正常的人機交互．觸摸屏監視器通過RS232與列車廣播控制系統單元通信，從列車廣播控制系統單元獲得列車控制信息，并且將列車監控系統中的所有設備在線狀態反饋給列車廣播控制系統單元．

1.3 列車編組變化后車載監控系統需要解決的問題

當列車上電后，列車車載監控系統中的各設備IP地址均為默認IP地址，這樣給列車在動態編組模式下運營帶來了麻煩．以兩列車編組為例，當列車編組變化后，兩列車中的車載監控系統會通過物理連接形成一個大的車載監控系統，原先在各車中的沒有聯系的以太網會合并成一個以太網，這樣就導致不同列車相同位置上的設備IP地址沖突，從而導致硬盤錄像機錄像混亂、無法播放IP攝像機的實時錄像、無法準確獲得各設備的在線狀態等一系列問題．根據地鐵運營的規定，在編組模式改變后，列車不能斷電和人工干預，并且要保證整個處理過程在3 min內完成，這就增加了處理的難度．動態編組列車車載監控系統軟件需要保證在列車編組改變后：

(1)所有車載設備IP地址不沖突．

(2)硬盤錄像機錄像正常．

(3)能監控所有IP攝像機的實時視頻．

(4)將編組變化后的整列車所有車載設備的在線狀態上報給列車廣播控制系統單元．

2 動態編組列車車載監控系統軟件功能框架

根據以上分析可知，動態編組列車車載監控系統軟件主要功能可以分為視頻處理部分、通信處理部分和系統設置部分，其中視頻處理部分包括攝像機實時視頻監控功能、硬盤錄像機存儲視頻回放功能和硬盤錄像機存儲視頻備份功能；通信處理部分包括乘客緊急對講報警聯動功能、控制硬盤錄像機取流錄像功能、監控系統設備在線狀態上報功能和列車動態編組處理功能；系統設置部分包括設置本機時間功能、設置本機IP地址功能和設置配置文件相關內容功能．軟件結構圖如圖2所示．監控系統軟件在啟動后，通過加載配置文件來獲得所有車載設備系統信息，軟件只有在成功獲得監控系統所有車載設備信息后，才能正常運行，完成上述三大主要功能．因為篇幅有限，本文主要闡述軟件如何解決列車編組變化后出現的問題．

圖2 軟件結構圖

3 動態編組列車車載監控系統軟件與動態編組相關功能的具體實現

3.1 通信協議的實現

車載監控系統軟件與列車廣播控制系統單元通過RS232進行通信，為了保證通信的可靠性，將串口設置如下：波特率為19 200 bit/s，開始位1位，數據位8位，停止位1位，無校驗，發送周期250 ms．

命令幀格式定義如表1所示，其中STX=0x02，為開始字節；DATA為消息數據，一共27個字節；ETX=0x03，為結束字節；CRC為異或校驗，其值為除STX外的所有字節進行異或運算的結果，以保證命令幀在傳輸過程中的準確性．

表1 命令幀格式

根據項目需求最多需要三列車編組運營，存在多種運營模式．按照排列組合，共有14種編組模式，如表2所示．

對于列車廣播控制系統單元發給監控系統軟件的控制命令協議，本文截取與動態編組相關的部分進行分析．如表3所示，其中列車序號代表本列車為第幾列車，取值為1/2/3；車廂序號代表動態編組后的整列車有幾節車廂，取值為1～12；列車模式代表以哪種模式編組，取值為1～14，與表2中的14種編組模式相對應．通過對收到的控制信息進行分析，軟件可以清楚地獲得列車目前處于何種編組模式，本列車是第幾列車等信息．

每列車默認以Mc1車廂中的觸摸屏監視器為主，在編組變化過程中，運行在此主機中的車載監控系統軟件發揮主要作用，負責給監控系統中的設備發送命令，保證整個監控系統運行正常．

表2 列車編組模式

表3 控制命令協議

3.2 解決編組變化后車載設備IP地址沖突問題

(1)解決交換機IP地址沖突問題

監控系統中的交換機根據所在位置有唯一的IP地址，從Mc1司機室交換機開始到Mc2司機室交換機結束，IP地址分別為172.18.40.(25、35、45、55、65、75)．當編組變化后，為了解決交換機IP地址沖突問題，可根據列車序號信息重新配置交換機的IP地址，將每列車內交換機所在的子網配置成172.18.(40+列車序號-1)網段．

因為每個交換機都有唯一的MAC地址，故將交換機配置IP地址的協議定義成如表4所示，配置IP地址命令以組播發送，交換機根據協議中的MAC地址來判斷是否是發送給自己的配置命令．

表4 交換機配置IP地址命令協議

為了達到重新給交換機分配IP地址的目的，監控系統軟件第一次啟動時，需要順序獲取整個監控系統以太網上所有交換機的MAC地址，通過開關交換機中繼端口的操作，確保軟件能順序獲得交換機MAC地址．整個流程如圖3所示．將獲得的交換機MAC地址存在配置文件中，以省去下次軟件啟動時獲得MAC地址的操作．

(2)解決IP攝像機和硬盤錄像機IP地址沖突問題

監控系統中的IP攝像機和硬盤錄像機都是通過DHCP請求分配IP地址，DHCP服務器會在設備連接的交換機IP地址的基礎上，根據連接的交換機端口號對IP地址的第四個字節加減相應的偏移量構成新的IP地址分配給設備．當交換機IP地址已經重新分配后，只需要重啟IP攝像機和硬盤錄像機即可，當設備運行后，會獲得新的IP地址．由于不同列車的設備IP地址在不同網段，從而解決了設備IP地址沖突的問題．

本監控系統中的IP攝像機為海康數字化攝像機，海康提供的設備控制SDK只支持單播重啟攝像機操作，重啟命令超時時間為3 s，單列車共有22個攝像機，當單播發送重啟命令時，如果某個攝像機掉線，會阻塞重啟操作，造成整個編組變化處理時間過長．為解決這一問題，與海康公司溝通，定制出一版支持組播重啟命令的攝像機固件．重啟設備流程如圖4所示．因設備是否重啟成功對監控系統能否正常工作十分重要，當組播重啟某一設備失敗時，要再發送單播重啟命令，防止設備因為沒收到組播命令而重啟失敗．

圖3 順序獲得交換機MAC地址流程

圖4 車載設備重啟流程圖

3.3 解決編組變化后硬盤錄像機錄像混亂問題

如圖1所示，單列車有2臺硬盤錄像機，分別位于車頭和車尾的司機室里，因為硬盤錄像機的內存容量有限，故每臺硬盤錄像機只需負責半列車11個IP攝像機的實時視頻存儲任務．當在不同編組模式下運營時，每臺硬盤錄像機仍然只負責所在列車半列車的視頻存儲．以兩列車編組為例，編組變化后，第二列車上的攝像機和硬盤錄像機IP地址已經變為41網段，導致硬盤錄像機無法獲取正確視頻錄像，軟件需要重新對硬盤錄像機發送取流配置命令使其重新取流錄像．

為了使軟件能獲得所有設備信息，軟件通過配置文件的方式來實現，此配置文件的組成結構如圖5所示，因目前最多只有三列車編組模式，故配置文件包含三列車的設備信息．以第一列車為例，用一對〈Train〉元素來標記，其中含有屬性Name和IsActive，Name為列車名稱，IsActive表示此列車的配置信息是否有效，當單列車時，只有第一列的IsActive值為1，第二、第三列車的IsActive 值為0，以此類推．在每列車中，均有兩對〈Cab〉分別表示車頭和車尾，兩對〈Saloon〉表示乘客車廂．在每個Cab中，〈Camera〉元素表示其中的IP攝像機設備信息，其屬性包括攝像機名稱、全局唯一的Channel和攝像機IP地址．〈TDvr〉元素表示硬盤錄像機的設備信息，其屬性中的IP為IP地址，Style屬性表示監控系統軟件是否給此硬盤錄像機發送取流配置命令．在〈TDvr〉元素中還有若干〈CameraChannel〉 元素表示硬盤錄像機的取流配置信息．在〈CameraChannel〉 元素中，其中的Camera屬性值即為攝像頭的Channel號，監控系統軟件根據此Camera值查找到相應的攝像機IP地址，將此攝像機的IP地址和一些錄像參數發送給硬盤錄像機，硬盤錄像機根據收到的取流配置信息對此攝像機取流并且存儲視頻數據．〈PecuAlarm〉元素表示乘客緊急對講報警聯動的配置信息，其中含有若干〈CameraChannel〉元素表示的配置信息．在〈CameraChannel〉元素中，屬性ID為緊急對講報警裝置的全局唯一ID號，屬性Camera即為聯動的攝像機Channel號，通過此Channel號可以找到需要聯動的攝像機．在每個〈Saloon〉中，與〈Cab〉相似，只是沒有〈TDvr〉元素．第二、第三列車的結構與第一列車相同，故不再贅述．

圖5 XML文件結構圖

編組變化后，軟件即可根據配置文件中第一列車、第二列車和第三列車硬盤錄像機的取流配置信息，給每臺硬盤錄像機重新發送取流配置命令，達到硬盤錄像機正常存儲攝像機視頻數據的目的．

3.4 解決編組變化后軟件對整列車所有IP攝像機實時視頻監控的實現

以兩列車編組模式運行為例，當編組變化后，每臺觸摸屏監視器里面的監控系統軟件應該能輪詢整列車44個攝像機的實時視頻，以達到監控整列車，保證安全的目的．由圖5可知，軟件可以通過配置文件獲得攝像機的設備信息，編組變化后，軟件即可根據配置文件里面所有IsActive屬性值為1的列車中的Camera信息對攝像機進行實時視頻的監控．根據海康提供的網絡設備SDK，具體的取流過程如圖6所示．

圖6 攝像機取流過程

3.5 解決編組變化后軟件上報整列車車載設備在線狀態的實現

根據上一小節的分析可知，監控系統軟件通過配置文件可以獲得監控系統中所有攝像機和硬盤錄像機的設備IP地址，故軟件可根據IP地址在局域網內利用ICMP Ping技術來比較準確地檢查車載設備與觸摸屏監視器之間的網絡連接是否正常[8]，從而判斷設備是否在線，并將獲得的設備在線狀態利用串口上報給列車廣播控制系統單元．本文對制定的通信協議的一部分進行分析，如表5所示，在此協議中，所有設備的在線狀態均用1位來表示．在單列車模式下，軟件只能獲得第一列車的設備狀態信息；在多列車模式下，軟件可以獲得多列車設備狀態信息．將獲得的狀態信息，根據協議進行填充，發送給列車廣播控制系統單元．

需要注意的是，在列車編組變化過程中，監控系統軟件需要主動清除ARP表，否則會造成某些攝像機在線而軟件卻長時間Ping不通的現象．原因如下：以兩列車編組為例，編組變化前，軟件根據Ping操作獲得本列車所有攝像機的在線狀態，此時攝像機全部在172.18.40網段．編組變化后，第二列車攝像機網段變為172.18.41，當第二列車上的監控系統軟件再次通過Ping操作獲得第一列車攝像機(172.18.40網段)在線狀態時，因為ARP表的生存時間在10 min左右[3]，所以此時ARP表可能沒有被及時更新，導致Ping失敗，造成設備掉線的假象．

表5 設備狀態協議

4 結 語

本文論述的動態編組列車車載監控系統軟件已成功運用于某地鐵項目，為列車的安全運行提供了強有力的保障，其中的列車動態編組處理功能保證在不斷電、沒有人工干預的情況下，對列車進行快速配置處理，確保列車能在編組模式變化后仍能安全運營，為列車提高運輸力，緩解運輸高峰做出了突出貢獻．監控系統軟件的具體功能總結如下：

(1)監控系統軟件具備對車載監控系統IP攝像機實時視頻監控功能、對硬盤錄像機存儲視頻進行回放和備份功能．

(2)監控系統軟件具備乘客緊急對講報警聯動處理功能、控制硬盤錄像機錄像存儲功能、設備在線狀態信息上報功能、列車動態編組處理功能．

(3)監控系統軟件具備設置本機時間、本機IP地址等系統設置功能．

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Designandimplementationofon-boardmonitoringsystemsoftwarefordynamicgroupingtrain

TANG Hai-yuan, LIU Quan-li*

( Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Train on-board monitoring system plays a vital role in the safety of rail transportation. It is usually made up of camera, digital video recorder (DVR), switch, touch screen monitor (TLCD) and other devices, which takes the responsibilities of real-time monitoring environment of train, storing video and so on. The train on-board monitoring system software which runs in the TLCD is the core control software of the system. The dynamic grouping handle function is a key part for the whole train on-board monitoring system software. When trains run in dynamic grouping mode, this function guarantees that the monitoring system works normally. The introduced on-board monitoring system software for dynamic grouping train has already been used in a subway project.

train on-board monitoring system; train dynamic grouping; real-time monitor; playback video; on-board device status report

1000-8608(2014)06-0682-08

2014-04-10；

: 2014-09-15．

國家自然科學基金資助項目(61273037).

湯海源(1989-)，女，碩士生，E-mail:thy@mail.dlut.edu.cn；劉全利*(1976-)，男，教授，博士生導師，E-mail:liuql@dlut.edu.cn.

TP319

：Adoi:10.7511/dllgxb201406013