鐵路大型電子DCS通信系統的優化設計與實現

郭虹

摘 要： 由于鐵路運輸中存在較多的影響因素，傳統鐵路大型電子通信系統無法有效保障鐵路運輸安全。因此，構建能夠有效提升鐵路運輸安全性能的鐵路大型電子DCS通信系統。該系統由通信主站模塊、通信從站模塊和信號采集模塊組成。通信主站模塊利用TMS570LS技術獲取對鐵路車站聯鎖的管理命令，并將其傳輸到通信從站模塊。通信從站模塊根據管理命令管理鐵路車站聯鎖，并進行信號采集模塊的驅動工作。信號采集模塊被驅動后，開始采集鐵路車站聯鎖信號。通信從站模塊和信號采集模塊中的信號均傳輸到通信主站模塊進行統一的分析、優化和預警。系統軟件部分設計了信號傳輸損耗函數以及系統存儲器優化語言。實驗結果表明，所設計的系統能夠有效提升鐵路運輸安全性能，增加鐵路車站通車量。

關鍵詞： 鐵路運輸； DCS通信系統； 系統優化； TMS570LS技術

中圖分類號： TN99?34； TP283.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0158?05

Optimization design and implementation of large electronic DCS communication

system for railway

GUO Hong

（Hohhot Vocational College， Hohhot 010051， China）

Abstract： Since the traditional large electronic communication system for railway can't effectively guarantee the transportation safety of the railway due to the multiple influence factors existing in the railway transportation， a large electronic DCS system of the railway was constructed， which can improve the railway transportation safety effectively. The system is composed of the communication master station module， communication slave station module and signal acquisition module. The TMS570LS technology is used in the communication master station module to acquire the management command for railway station interlocking， and send it to the communication slave station module. The communication slave station module manages the railway station interlocking according to the management command， and drives the signal acquisition module to acquire the railway station interlocking signal. All the signals coming from the communication slave station module and signal acquisition module are transmitted to the communication master module for the unified analysis， optimization and early warning. The signal transmission loss function and system memory optimization language are designed in the third part of this paper. The experimental results show that the designed system can improve the safety of railway transportation and throughout capacity of railway station.

Keywords： railway transportation； DCS communication system； system optimization； TMS570LS technology

0 引 言

鐵路是人們生活中必不可少的運輸工具，為保障鐵路運輸的安全性，提升鐵路車站的通車量，科研組織設計了鐵路大型電子通信系統[1?4]。由于在鐵路運輸中山丘、高樓、隧道等影響因素非常常見，使傳統鐵路大型電子通信系統無法有效保障鐵路運輸安全性，導致鐵路車站的通車量偏低[5?6]。因此，構建出一種能夠有效提升鐵路運輸安全性能的鐵路大型電子通信系統，是目前科研組織的重點研究方向。

以往研究的鐵路大型電子通信系統均存在一定問題，如文獻[7]提出鐵路大型電子集中式通信系統，該系統能夠對鐵路信息進行集中管理，其管控能力強，在一定程度上保證了鐵路運輸的安全性，但集中式通信系統的信息傳輸效率較低，信息通道經常發生擁堵現象。文獻[8]提出基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統，該系統由多種信息處理模塊組成，并利用計算機對信息進行集中管控，硬件兼容性較高且能夠較好地提升鐵路運輸的安全性能。但該系統的算法較為復雜，且硬件損傷率高。文獻[9]提出鐵路大型電子K5通信系統，該系統選用雙極中央處理器實現鐵路運輸信息的高速傳輸，并擁有良好的穩定性，但該系統的整體效率不高，需要通過外接設備進行鐵路運輸信息的再處理。文獻[10]提出基于EBILOCK的鐵路大型電子通信系統，該系統將通信優化系統與鐵路顯示器相連，并采用全程分散式管理的方式提升了鐵路運輸效率。但該系統的管理方式過于保守，未能最大限度地提升鐵路運輸的安全性能。

為了解決以上問題，構建鐵路大型電子DCS通信系統。實驗結果表明，所設計的系統能夠有效提升鐵路運輸的安全性能，增加鐵路車站通車量。

1 鐵路大型電子DCS通信系統設計

1.1 系統整體設計

鐵路大型電子DCS通信系統由通信主站模塊、通信從站模塊和信號采集模塊組成，如圖1所示。

所設計的鐵路大型電子DCS通信系統是在傳統通信系統的基礎上，采用分布式的管理方式進行鐵路車站聯鎖信息的優化。該系統利用通信從站模塊和信號采集模塊分散控制鐵路車站聯鎖信息，再通過通信主站模塊對鐵路車站聯鎖信息進行集中管理，進而優化鐵路運輸的安全性能，提升鐵路車站通車量。

1.2 通信主站模塊設計

通信主站模塊由控制芯片和TMS570LS平臺組成。該模塊利用TMS570LS技術獲取對鐵路車站聯鎖的管理命令，并將其傳輸到通信從站模塊。圖2是通信主站模塊工作原理圖。

圖2中控制芯片的中央處理器的選擇應從鐵路大型電子DCS通信系統的安全性能入手，選用某公司生產4590中央處理器。4590中央處理器作為應用率較高的四內核處理器，擁有超高的解碼速度和安全性。通信主站模塊利用TMS570LS平臺實現4590中央處理器的完美鎖步，在一定程度上杜絕了鐵路大型電子DCS通信系統的運行故障。TMS570LS平臺還提供給系統管理人員多種運算程序，為鐵路大型電子DCS通信系統的后期完善工作提供了技術支持。圖3為TMS570LS平臺工作原理圖。

由圖3可知，TMS570LS平臺的工作流程為：TMS570LS平臺先對中央處理器進行鎖步處理，隨后初始化中央處理器。通信主站模塊使用兩個中央處理器共同工作，以避免外界干擾電壓頻率對鐵路大型電子DCS通信系統電路的運行產生不利影響。中央處理器2受中央處理器1管控，二者工作的初始數據均由中央處理器1統一傳送，以同時進行通信控制和優化。通信控制操作能夠及時檢查出中央處理器的故障數據，保障了鐵路大型電子DCS通信系統的正常運行。TMS570LS平臺也可對通信主站模塊電路中兩個中央處理器的延遲類型進行控制，并將二者延遲的循環周期輸出進行通信控制。

通信控制操作先進行兩個中央處理器延遲循環周期的對比。若對比結果顯示兩個中央處理器中的延遲循環周期數據相同，通信主站模塊則可進行鐵路車站聯鎖管理命令的獲取工作；若不同，TMS570LS平臺將會對查詢出的不正常數據進行誤差分析，并及時傳輸給系統管理人員進行預警，同時將中央處理器中的數據重置，重新進行延遲循環周期的對比分析。

1.3 通信從站模塊設計

通信從站模塊根據通信主站模塊傳輸來的管理命令進行鐵路車站聯鎖的管理操作，并利用驅動平臺進行信號采集模塊的驅動。通信從站模塊被安裝在鐵路軌道的兩側，方便其管理鐵路車站聯鎖。

通信從站模塊先進行管理命令的識別工作，按照管理命令所對應的鐵路車站聯鎖的位置，將管理命令由遠及近地進行分類。分類后的管理命令通信效率更高，且不容易發生管理命令分配錯誤的情況。當驅動平臺接收到管理命令，會先與通信主站模塊進行管理命令的對比工作，確定其準確無誤后，再進行信號采集模塊的驅動工作。驅動平臺與通信主站模塊兩者直接相連，其連接示意圖如圖4所示。

由圖4可知，通信從站模塊采用多個驅動平臺并聯的方式，有效增強了鐵路大型電子DCS通信系統的安全性與穩定性。高端定時器對兩模塊的對比工作進行計時，所獲取的計時數據將存儲于驅動平臺。管理命令經由通用輸入/輸出接口進行傳輸。通信從站模塊中的工作數據也將經由模數轉換后傳輸到通信主站模塊中進行通信控制和優化。在此過程中，若通信主站模塊檢查出通信從站模塊的故障數據，將直接給予系統管理人員預警信號。

通信從站模塊根據對比無誤的管理命令，進行鐵路車站聯鎖操作，并同時利用驅動平臺進行信號采集模塊的驅動工作。

1.4 信號采集模塊

信號采集模塊經通信從站模塊中的驅動平臺驅動后，開始進行鐵路車站聯鎖信號采集工作。鐵路車站聯鎖信號是鐵路通信的重要內容，經由對該信號進行分析和優化，可使鐵路車輛的運行更加安全穩定，并有效提升鐵路車站的通車量。

信號采集模塊由采集器和存儲器組成。采集器可同時進行鐵路車站聯鎖10路信號的采集工作，存儲器將所采集到的信號存儲為標準格式，并傳輸到通信主站模塊進行分析和預警。

2 鐵路大型電子DCS通信系統軟件設計

2.1 信號傳輸損耗函數設計

為獲取鐵路大型電子DCS通信系統的信號傳輸損耗值，假設信號傳輸損耗為（是信號傳輸損耗總功率，是信號傳輸總距離），信號輸入功率為，信號輸出的平均功率為，三者在前向鏈路中的函數關系如下：

（1）

則大尺度路徑損耗平均值的函數表達式為：

（2）

式中：是鐵路車站聯鎖輸入設備和輸出設備間的距離；是地平線標準距離；是信號傳輸損耗參數；是鐵路車站聯鎖輸入設備到地平線的平均信號傳輸損耗。通常，的取值范圍是[100 m，1 000 m] 。假設是常數，則有：

（3）

由式（3）可進一步得到大尺度路徑損耗平均值，如下：

（4）

在鐵路運行中，山丘、高樓、隧道等影響因素非常常見，為鐵路通信帶來了較多不便，現給出這些影響因素輸出信號功率概率密度的表達式，以提升鐵路大型電子DCS通信系統的通信準確率，如下：

（5）

式中：代表影響因素與鐵路車站聯鎖輸出設備的距離；代表密度參數，取值為4.343；代表影響因素的概率標準差，單位為；代表初始信號的平均輸出功率，與存在函數關系如下：

（6）

因此，可獲取影響因素輸入信號功率概率密度的表達式如下：

（7）

式中：代表影響因素與鐵路車站聯鎖輸入設備的距離；是初始信號的平均輸入功率；是影響因素通信參數；是歐拉第二積分。

由以上各式可得信號傳輸損耗的最終函數為：

（8）

2.2 系統存儲器的實現

鐵路大型電子DCS通信系統信號采集模塊中存儲器的性能直接決定了通信效率，利用軟件對該存儲器進行優化，其優化語言為：

DOMAIN

{

checkout：assignments=READ?ONLY_RECALL；

MERGE OPERATOR：working=RANDOM_ACCESS_RECALL；

{

business1：{archive1.int（business）}；

business2：{archive2.int（business）}；

}

business3：working= RANDOM_ACCESS_RECALL {target.int（business）}；

}

inn0x300 /*the_dimension_of_inn_part */

heap0x5xx /*the_dimension_of_sys_part */

textra.contrast

RECALL

{

PAGINATION 0： /*PLCRandom_Access_Recall recall*/

PLC_RANDOM_ACCESS_RECALL（READ/WRITE/EXECUTE）：

init=0x0100，size=0x55x；

PLC_EXTRA（READ/WRITE/EXECUTE）：init=0x8000，size=0x6FF；

/* Interrupt the operation of the acquisition of the signal*/

CARRIER（READ/WRITE/EXECUTE）： init=0x0080，size =0x80；

PAGINATION1： /*txt_recall，Reserved_Address*/

/*a_lot_of_insideDARANDOM_ACCESS_RECALL */

TXT_RANDOM_ACCESS_RECALL1 （READ/WRITE）：init=0x2800，size=0x200；

TXT_RANDOM_ACCESS_RECALL （READ/WRITE）：init=0x100，size=0x2800；

TXT_EXTRA（READ/WRITE）：init=0x4000，size=0x4000；

}

3 實 驗

鐵路車站的通車量和鐵路運輸的安全性能息息相關，鐵路運輸的安全性能越高，列車在行駛過程中所遇到的阻礙就越小，運行效率就越高，鐵路車站的通車量就越多。為了驗證本文設計的鐵路大型電子DCS通信系統能夠有效提升鐵路運輸安全性能，進行實驗。實驗利用基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統和本文系統，分別對反向鏈路和前向鏈路的安全性能提升效果進行驗證。

3.1 反向鏈路的安全性能驗證

實驗在鐵路通信反向鏈路的不同通信通道上，進行基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統和本文系統對鐵路運輸安全性能提升效果的驗證，記錄下實驗結果，并將其繪制成曲線圖。圖5是基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統對反向鏈路安全性能提升效果曲線圖，圖6是本文系統對反向鏈路安全性能提升效果曲線圖。

由圖5、圖6可知，在反向鏈路中，鐵路大型電子通信系統對不同的通信通道的安全性能提升效果也不同，這是由于不同的通信通道，其節點中所涵蓋的影響因素也不同。基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統對反向鏈路安全性能的提升效果集中在[36%，55%]，且安全性能提升效果曲線存在明顯的下降趨勢，證明該系統對鐵路運輸安全性能的影響比較不穩定，無法有效增加鐵路車站的通車量；而本文系統對反向鏈路安全性能的提升效果集中在[48%，59%]，且安全性能提升效果曲線整體較為平穩，驗證了本文系統能夠有效提升鐵路運輸安全性能，增加鐵路車站的通車量。

3.2 前向鏈路的安全性能驗證

為了排除實驗的偶然結論，進行前向鏈路的安全性能驗證實驗。實驗在鐵路通信前向鏈路的不同通信通道上，進行基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統和本文系統對鐵路運輸安全性能提升效果的驗證，其結果分別如圖7和圖8所示。

在圖7和圖8中，由于前向鏈路的安全性能受使用者終端的傳輸速率影響較大，因而鐵路大型電子通信系統對前向鏈路安全性能提升效果曲線的波動較大。易看出，基于SIMIS的鐵路大型電子通信系統安全性能提升效果曲線比本文系統的安全性能提升效果曲線的波動大，且其安全性能的整體提升率低于本文系統安全性能的整體提升率。驗證了本文系統能夠有效提升鐵路運輸安全性能，增加鐵路車站的通車量。

4 結 論

本文構建能夠有效提升鐵路運輸安全性能的鐵路大型電子DCS通信系統，該系統由通信主站模塊、通信從站模塊和信號采集模塊組成。通信主站模塊利用TMS570LS技術獲取對鐵路車站聯鎖的管理命令，并將其傳輸到通信從站模塊。通信從站模塊根據管理命令管理鐵路車站聯鎖，并進行信號采集模塊的驅動工作。信號采集模塊被驅動后，開始采集鐵路車站聯鎖信號。通信從站模塊和信號采集模塊中的信號，均傳輸到通信主站模塊進行統一的分析、優化和預警。軟件部分設計了信號傳輸損耗函數，以及系統存儲器優化語言。實驗結果表明，所設計的系統能夠有效提升鐵路運輸安全性能，增加鐵路車站通車量。

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