磁浮列車車載信號監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞：磁浮列車;車載設(shè)備;信號監(jiān)測

一、緒論

國內(nèi)正在運(yùn)營的長沙磁浮列車車載信號設(shè)備是基于通信的列車控制系統(tǒng)核心控制設(shè)備，包括完整的ATO（列車自動駕駛）、ATP（列車自動防護(hù)）、BTM（應(yīng)答器傳輸模塊）、TIU（列車接口單元）和TRU（列車無線單元）等子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)之間實(shí)時完成內(nèi)部的邏輯運(yùn)算，通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，外部無法獲取相關(guān)信息。磁浮列車一方面由于沒有輪軌，車載設(shè)備使用的傳感器種類繁多，對信號板卡輸入/輸出的精準(zhǔn)度要求較高;另一方面，既有信號制式為點(diǎn)-連式，車載設(shè)備與地面設(shè)備的信息交互不連續(xù)。

目前，車載信號設(shè)備的采集、監(jiān)測、預(yù)警等數(shù)據(jù)多是存儲在車載裝置中，數(shù)據(jù)分別獲取、獨(dú)立記錄，部件性能下降或發(fā)生異常報警時，需要事后分析各部件的獨(dú)立日志，無法滿足列車的可用性原則。因此，設(shè)計(jì)磁浮列車車載信號監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“監(jiān)測系統(tǒng)”）時，需要根據(jù)既有信號系統(tǒng)中重要信息的編碼規(guī)則和信息定義，從中提取出系統(tǒng)運(yùn)行的即時事件信息和參數(shù)變化趨勢，對車載設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位的即時分析與數(shù)據(jù)存儲回放，以便對重要部件的性能做出預(yù)判。在數(shù)據(jù)周期同步方面，該監(jiān)測系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備數(shù)據(jù)周期的一致性，保證了數(shù)據(jù)、時間、類別的一一對應(yīng)，便于數(shù)據(jù)的實(shí)時展示。

本文從軟件功能的角度，重點(diǎn)對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)、車載和地面設(shè)備通信接口功能，以及軟件測試方法等進(jìn)行詳細(xì)介紹。

二、 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)是由車載設(shè)備和地面設(shè)備共同構(gòu)成。車載端使用TIU/BTM車載適配接口主機(jī)獲取車載信號數(shù)據(jù)，并將采集的信號數(shù)據(jù)通過4G公網(wǎng)送達(dá)地面天饋配件，使用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)送入地面中心設(shè)備機(jī)房，由地面服務(wù)器運(yùn)行監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)接口單元進(jìn)行協(xié)議處理，將最終結(jié)果發(fā)送至地面監(jiān)測終端，呈現(xiàn)給操作用戶。

監(jiān)測系統(tǒng)中車載端的設(shè)備均為新增設(shè)備，單端包括TIU/BTM車載適配接口主機(jī)、4G通信模塊、車載交換機(jī)和天饋系統(tǒng)，首、尾兩端配置一致。通過有線網(wǎng)絡(luò)與既有車載信號設(shè)備（BTM主機(jī)和TIU主機(jī)）連接，數(shù)據(jù)為單向傳輸，不影響既有車載信號設(shè)備安全。

作為監(jiān)測系統(tǒng)車載端的核心設(shè)備，TIU/BTM車載適配接口主機(jī)主要是將所有車載信號數(shù)據(jù)按照協(xié)議提取和處理，發(fā)送至4G通信模塊。其中提取的數(shù)據(jù)主要涉及測速測距信息、板卡狀態(tài)信息，以及司機(jī)操作信息（門模式選擇、ATO模式選擇和駕駛等級）等。

設(shè)備接口層面，通過1臺車載一體交換機(jī)，將TIU/BTM車載適配接口主機(jī)和既有的TIU網(wǎng)絡(luò)通信板、BTM維護(hù)板連接，所有板卡均具備網(wǎng)絡(luò)通信功能。

整個研發(fā)流程采用了成熟的平臺軟件，開發(fā)了實(shí)時處理的應(yīng)用程序，對車載和地面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和配置文件進(jìn)行單獨(dú)存儲。下文將重點(diǎn)介紹TIU/BTM車載適配接口主機(jī)的應(yīng)用軟件功能。

三、TIU/BTM車載適配接口主機(jī)總體設(shè)計(jì)

（一）TIU/BTM車載適配接口主機(jī)功能分類

TIU/BTM車載適配接口主機(jī)從功能上，分為操作系統(tǒng)層、驅(qū)動層和功能模塊層。

底層操作系統(tǒng)采用包含顯示界面的Linux Ubuntu系統(tǒng)，通過多任務(wù)機(jī)制和進(jìn)程調(diào)度功能，簡化程序的編寫工作。

中間驅(qū)動層主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)卡硬件設(shè)備的驅(qū)動和4G通信模塊的通信功能。設(shè)置了上電啟動的驅(qū)動文件，可完成設(shè)備初始化和自檢步驟。當(dāng)系統(tǒng)中斷或異常時，將結(jié)果記錄在日志文件中。

上層為功能模塊層，包括數(shù)據(jù)處理引擎、配置管理、日志管理、數(shù)據(jù)通信協(xié)議、鏈路狀態(tài)監(jiān)控等模塊，主要完成采集信號、內(nèi)容解析、狀態(tài)監(jiān)控與日志記錄等功能，可將車載信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至移動終端。

（二）數(shù)據(jù)處理引擎

TIU/BTM車載適配接口主機(jī)中的數(shù)據(jù)處理引擎軟件開發(fā)遵循了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的原則，分為數(shù)據(jù)處理模塊、內(nèi)容解析模塊和人機(jī)接口模塊3部分。

數(shù)據(jù)處理模塊是該軟件的核心部分，實(shí)現(xiàn)對其他軟件模塊的調(diào)用。各模塊的調(diào)用時機(jī)以及模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞，由主程序模塊來控制與實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理模塊由4個主進(jìn)程組成，分別為2個數(shù)據(jù)接收處理進(jìn)程、1個發(fā)送進(jìn)程和1個定時進(jìn)程。數(shù)據(jù)接收處理進(jìn)程用來執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生子進(jìn)程，完成系統(tǒng)注冊、讀取配置文件、初始化網(wǎng)絡(luò)撥號、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)提示，以及系統(tǒng)錯誤記錄等工作。

內(nèi)容解析模塊。車載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以按照以下2個層次進(jìn)行分類：（1）選擇信息單元類型，通過集中監(jiān)測子系統(tǒng)軟件分析出車載信號設(shè)備所涉及的速度、位置、制動力、加速度、設(shè)備通信狀態(tài)等動態(tài)信息單元類型，并將各類型數(shù)據(jù)分類重新組包;（2）選擇信息單元來源，即該信息單元取自哪個車載信號子系統(tǒng)，并從每類數(shù)據(jù)中抽取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如ATP、ATO、BTM和TIU數(shù)據(jù)。

人機(jī)接口模塊。主要完成功能：分析結(jié)果的顯示;查找條件的輸入;系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示。由于車載設(shè)備端不具備顯示屏，因此通過應(yīng)用端軟件在圖表和統(tǒng)計(jì)報表中完成數(shù)據(jù)的分析和顯示，車載端僅發(fā)送必要的協(xié)議數(shù)據(jù)。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過設(shè)備自身的點(diǎn)位顯示狀態(tài)來判斷。

（三）數(shù)據(jù)通信協(xié)議模塊

車載ATO、ATP、BTM、TIU和集中監(jiān)測子系統(tǒng)之間基于統(tǒng)一的通信平臺進(jìn)行信息交互，該通信平臺具有內(nèi)部統(tǒng)一的幀格式定義。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由TIU/BTM車載適配接口主機(jī)以及地面接口機(jī)負(fù)責(zé)將外部協(xié)議轉(zhuǎn)換為內(nèi)部協(xié)議格式，由集中監(jiān)測子系統(tǒng)對外部ATP/ATO/BTM協(xié)議進(jìn)行仿真，保證內(nèi)部協(xié)議的統(tǒng)一性。

基于原有的TIU內(nèi)部通信協(xié)議，監(jiān)測系統(tǒng)主要考慮增加的協(xié)議包括：與ATP的通信協(xié)議;與ATO的通信協(xié)議;與BTM的通信協(xié)議。

（四）日志管理模塊

任何系統(tǒng)在日常應(yīng)用中都離不開過程數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄是排查問題的一個重要依據(jù)。車載信息通過TIU/BTM車載適配接口主機(jī)軟件處理后，存儲到本機(jī)數(shù)據(jù)卡中。由于存儲空間有限和高效讀取數(shù)據(jù)文件的要求，以純文本形式存儲表格數(shù)據(jù);同時，由于不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信周期不一致，為了避免單個類實(shí)時存儲造成數(shù)據(jù)量大的問題，采用了定時存儲數(shù)據(jù)的方式，以h為單位，根據(jù)配置自動刪除歷史記錄，且為了避免存儲文件過大出現(xiàn)無法讀取的現(xiàn)象，設(shè)定了單文件不超過200 MB的限制。

（五）底層驅(qū)動模塊

底層驅(qū)動模塊涉及系統(tǒng)外置的硬件，主要是4G通信PCIe模塊。該模塊是連接物與物的重要載體，是終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的核心部件之一，在獲取模塊Linux內(nèi)核驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，通過在Linux系統(tǒng)內(nèi)核源碼中添加模塊驅(qū)動，重新配置內(nèi)核，編譯源碼實(shí)現(xiàn)正確的驅(qū)動配置。在啟動信息中，還需要編寫自動撥號聯(lián)網(wǎng)軟件，實(shí)現(xiàn)模塊的自啟動連接操作。

四、軟件測試

（一）軟件功能測試

為實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)軟件的測試，設(shè)計(jì)了測試環(huán)境軟件，測試環(huán)境軟件通過配置A、B網(wǎng)段，運(yùn)行各自的模擬數(shù)據(jù)程序，采用黑盒測試方法檢驗(yàn)軟件功能和性能是否符合設(shè)計(jì)要求。

針對車載軟件，編制了全功能測試案例和故障案例，并將記錄數(shù)據(jù)和輸入條件比對，使軟件接口功能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

軟件功能測試范圍包含車載接口主機(jī)、服務(wù)器和顯示終端。

在實(shí)車測試環(huán)境中進(jìn)行了以下測試：TIU適配接口軟件的正確性;數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài);信號系統(tǒng)車載設(shè)備工作狀態(tài);A/B網(wǎng)通信狀態(tài);日志數(shù)據(jù)分析;無線傳輸軟件的正確性;BTM數(shù)據(jù)分析。

測試結(jié)果顯示：車地網(wǎng)絡(luò)通信正常，數(shù)據(jù)接收正常;對通信設(shè)備進(jìn)行通斷測試后，現(xiàn)場產(chǎn)品通信功能狀態(tài)良好，能夠滿足車地?cái)?shù)據(jù)通信的要求;對監(jiān)測接口數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)車的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸正確無誤，顯示正常。

（二）軟件性能測試

將TIU適配接口軟件、BTM適配接口軟件和車載接口主機(jī)軟件同時運(yùn)行在終端測試機(jī)上，主要驗(yàn)證和測試了相關(guān)性能案例。在雙網(wǎng)合理發(fā)包速率的前提下，通過相關(guān)系統(tǒng)調(diào)整和優(yōu)化，獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄文件，可以保證數(shù)據(jù)的周期正確率。

將地面接口機(jī)軟件和集中監(jiān)測系統(tǒng)軟件運(yùn)行在既有的工控機(jī)上，所有測試結(jié)果均為通過，滿足了多種類型數(shù)據(jù)的處理效率要求。

四、結(jié)語

本文從多角度闡述了監(jiān)測系統(tǒng)的通信和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)方法，采取了從模塊到系統(tǒng)，從車載到地面逐步深入的技術(shù)路線;從軟件功能流程、操作時序、協(xié)議內(nèi)容等方面進(jìn)行了開發(fā)，并已得到實(shí)際應(yīng)用。該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對車載信號設(shè)備的監(jiān)測和維護(hù)功能，提高了對車載信號設(shè)備的可視化監(jiān)測程度，后期將不斷加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析功能應(yīng)用，豐富監(jiān)測界面，進(jìn)一步提升用戶實(shí)際使用體驗(yàn)。

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作者簡介：馬瑞，女，本科，研究方向：城市軌道交通信號。