施 聰

（上海軌道交通維護(hù)保障中心通號(hào)公司，200331，上?！喂こ處煟?/p>

近年來，隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，也相應(yīng)地對(duì)維護(hù)保障工作提出了更高的要求。自從ATC（Automatic Train Control，列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)投入使用以來，由于合同和技術(shù)保密的原因，并沒有向運(yùn)營(yíng)方提供與運(yùn)營(yíng)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。目前車載信號(hào)系統(tǒng)中有關(guān)ATC數(shù)據(jù)只能記錄在系統(tǒng)CPU板的EEPROM（電可擦寫可編程只讀處理器）內(nèi)，由于EEPROM的容量有限，只提供了短時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)單保存一些最終事件記錄報(bào)告的功能而沒有中間變量的監(jiān)控，因而在設(shè)備發(fā)生故障特別是瞬間出現(xiàn)故障時(shí)，使得維護(hù)人員找不到故障原因和解決問題的依據(jù)，造成故障定位困難，故障處理時(shí)間長(zhǎng)。因此，有必要對(duì)車載ATC系統(tǒng)有關(guān)的關(guān)鍵信息，特別是安全信息進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，并且要求能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，以方便分析處理。本文介紹一種應(yīng)用于上海軌道交通2號(hào)線的車載安全數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 車載安全數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體分為兩個(gè)部分：車載記錄板卡和上位機(jī)回放分析軟件。車載記錄板卡將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的SD卡中；上位機(jī)回放分析軟件則通過讀卡器直接在PC端讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示和分析。

車載記錄板卡總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為：從車載ATC設(shè)備上下載ATO（Automatic Train Operation，列車自動(dòng)運(yùn)行）、ATP （Automatic Train Protection，列車自動(dòng)保護(hù)）的數(shù)據(jù)，并保存在大容量的SD卡中。要求車載記錄板卡符合列車車頭機(jī)架尺寸，可在機(jī)架上插拔，便于安裝。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 車載記錄板卡整體結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)回放分析軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為：以基礎(chǔ)資源庫(kù)為基石，以接口平臺(tái)為運(yùn)行支撐，以回放基礎(chǔ)功能為中心，建立系統(tǒng)架構(gòu)，并在此系統(tǒng)架構(gòu)的支持下開發(fā)軟件。軟件的體系結(jié)構(gòu)包括資源庫(kù)、接口平臺(tái)和回放系統(tǒng)框架（如圖2所示）。

圖2 分析與回放軟件的體系結(jié)構(gòu)圖

2 車載記錄板卡的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ATC數(shù)據(jù)接收模塊

車載ATC設(shè)備接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口（DB9接頭），波特率為19 200。車載記錄板卡設(shè)有兩個(gè)串口接收端，分別用于接收ATC設(shè)備中的ATP數(shù)據(jù)和ATO數(shù)據(jù)。內(nèi)部使用adm202e電平轉(zhuǎn)換芯片，其可靠性高，可以在－40℃～85℃內(nèi)正常工作，并且有15kV以內(nèi)的靜電保護(hù)，能防止雷電等帶來的干擾和損害。

2.2 SD卡存儲(chǔ)模塊

由于SD卡的正常工作電壓為3.3V，而單片機(jī)ATmega128工作在5V電壓下，若直接將單片機(jī)和SD卡連接將有可能損壞SD卡，所以需要進(jìn)行合適的5V－3.3V的電平轉(zhuǎn)換電路。SD卡工作在SPI（串行外設(shè)接口）模式。

74LVC245芯片完成從5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。74LVC245芯片的3.3V供電電壓由 AMS1117－3.3芯片從5V轉(zhuǎn)換得到。與單片機(jī)連接的MOSI（主機(jī)輸出、從機(jī)輸入）、SCK（時(shí)鐘信號(hào)）、SDCS（SD芯片選擇）的5V電平通過74LVC245轉(zhuǎn)換為3.3V輸出。而與SD卡連接的S＿M(jìn)ISO（主機(jī)輸入、從機(jī)輸出）的3.3V電平通過74LVC245輸出仍為3.3V。對(duì)于工作在5 V電壓下的單片機(jī)而言，3.3V輸入仍然能夠識(shí)別為高電平。所以，通過74LVC245芯片轉(zhuǎn)換后主機(jī)和SD卡雙向都能夠正常工作。

2.3 電源模塊

列車機(jī)車電源為110V直流電源，必須通過DC—DC（直流—直流）轉(zhuǎn)換成5V電壓。如圖3所示，LC1為扼流圈，濾除110V中的高頻交流成分；ZLQ為整流堆，起反接保護(hù)。DC110S05芯片為DC 110～5V的電源轉(zhuǎn)換模塊，輸出為5V直流。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

3 車載記錄板卡的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

串口接收采用中斷方式，帶有1k字節(jié)緩存。緩存用FIFO（先進(jìn)先出）的環(huán)形隊(duì)列結(jié)構(gòu)。SD卡讀寫方式為單扇區(qū)讀寫，512字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，即必須到達(dá)512字節(jié)數(shù)據(jù)量才開始一個(gè)扇區(qū)的寫操作。

由于采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高，只要發(fā)送開始命令后數(shù)據(jù)就將以19 200波特率的速度不停發(fā)送。而文件系統(tǒng)在簇處理上需要尋找空扇區(qū)以建立文件簇鏈，往往在不連續(xù)的空扇區(qū)中將占用幾十ms到上百ms不等。所以串口的通信模塊中帶有1kB的緩存，能夠?yàn)槲募到y(tǒng)的處理時(shí)間爭(zhēng)取427ms左右的時(shí)間，可有效防止數(shù)據(jù)的意外溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

3.2 數(shù)據(jù)采集記錄程序

程序開始時(shí)，循環(huán)檢測(cè)SD卡；一旦SD卡插入卡槽后或SD卡已在卡槽中，就開始SD卡初始化，進(jìn)入SPI工作模式；初始化成功后，即裝載文件系統(tǒng)，讀取當(dāng)前時(shí)間，建立當(dāng)天的文件夾；隨后向ATC設(shè)備發(fā)送開始接收命令。此時(shí)ATC設(shè)備將通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給車載監(jiān)控板卡，程序進(jìn)入主循環(huán)。具體流程見圖4。

3.3 ATC設(shè)備掉線檢測(cè)

由于ATC設(shè)備有時(shí)會(huì)故障重啟或人為關(guān)閉，所以需要檢測(cè)ATC設(shè)備掉線情況。正常工作時(shí)，ATC設(shè)備將以400ms為間隔連續(xù)不斷地發(fā)送列車運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)；如果遇到5s內(nèi)沒有收到任何數(shù)據(jù)時(shí)，表明掉線發(fā)生，則應(yīng)重新向ATC設(shè)備發(fā)送開始接收命令。

掉線檢測(cè)的具體流程如下：串口緩存設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，指示當(dāng)前緩存中的數(shù)據(jù)量。當(dāng)從緩存中取走一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)數(shù)器減一。相反，當(dāng)串口接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到緩存中，計(jì)數(shù)器加一。當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，表明數(shù)據(jù)緩沖區(qū)當(dāng)前為空，進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)。如果在5s內(nèi)緩存區(qū)依舊為空，關(guān)閉當(dāng)前文件，重新發(fā)送開始接收的命令。當(dāng)新數(shù)據(jù)再次到來時(shí)，建立一個(gè)當(dāng)前時(shí)間的新文件并開始接收數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)采集記錄程序流程框圖

4 回放分析軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)

4.1 回放分析軟件的開發(fā)過程

1）系統(tǒng)分析。其任務(wù)在于明確并描述系統(tǒng)的需求，包括功能需求、界面需求、接口需求和性能需求等，并定義系統(tǒng)中的關(guān)鍵領(lǐng)域問題。

2）總體設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)分析需求，考慮特定系統(tǒng)的特殊需求，分析和設(shè)計(jì)具體的系統(tǒng)架構(gòu)。具體包括控件設(shè)計(jì)、軟件接口設(shè)計(jì)、ATC數(shù)據(jù)解析設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)和回放功能設(shè)計(jì)等。

3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。收集整理所需的數(shù)據(jù)資源庫(kù)，包括ATC配置文件、站場(chǎng)數(shù)據(jù)和所需組件等。

4）系統(tǒng)集成。生成基本操作界面，包括ATC數(shù)據(jù)顯示界面和站場(chǎng)圖，通過接口平臺(tái)進(jìn)行無(wú)縫連接，初步生成具有基本功能的回放系統(tǒng)（見圖5）。

圖5 ATC數(shù)據(jù)分析與回放軟件的系統(tǒng)集成

4.2 回放分析軟件的實(shí)現(xiàn)

1）組件設(shè)計(jì)。圖6為上海軌道交通2號(hào)線設(shè)計(jì)組件的列表。圖7為上海軌道交通2號(hào)線的軌道信息通過組件設(shè)計(jì)而繪制的某站場(chǎng)圖。

2）軟件接口的實(shí)現(xiàn)。文本文件的輸入、輸出利用C＋＋語(yǔ)言的fstream文件流進(jìn)行操作。車載板采集到的十六進(jìn)制TXT文件需要用ios∶binary以二進(jìn)制方式打開，其余文本文件以默認(rèn)方式打開。文本文件以ios∶∶out方式保存。EXCEL文件的輸入、輸出利用EXCEL操作類進(jìn)行操作。這里由于ODBC（開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接）的功能限制，放棄了ODBC的快速讀寫速度，而調(diào)用office的com接口來操作office。這種方法的功能強(qiáng)大，便于滿足需求。

3）ATC數(shù)據(jù)解析實(shí)現(xiàn)。由于車載板采集到的數(shù)據(jù)文件為十六進(jìn)制格式，在Windows系統(tǒng)下難以直接分析，故需先將其轉(zhuǎn)換成ASCII碼的十六進(jìn)制文本文件，以便于分析采集到的數(shù)據(jù)是否正確；然后，根據(jù)分析ATC系統(tǒng)配置文件得到的參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配組合完成數(shù)據(jù)處理。

4）實(shí)現(xiàn)基本回放功能由5個(gè)功能模塊組成，如圖8所示。①導(dǎo)入并且分析處理ATC系統(tǒng)的配置文件。由于ATC系統(tǒng)的配置文件會(huì)不斷地更新，如果每更新一次就要修改相關(guān)程序，就會(huì)使軟件的實(shí)用性大打折扣。因此，需要使軟件對(duì)配置文件能夠自我分析和處理。②導(dǎo)入并且處理車載板采集到的數(shù)據(jù)文本文件。車載板采集到的文本格式為連續(xù)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)導(dǎo)入ATC系統(tǒng)配置文件而得到的參數(shù)完成對(duì)原始本文的處理。最后將所需信息的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件并按格式生成所需的EXCEL文件。③ 對(duì)所需ATC信息進(jìn)行回放顯示。ATC系統(tǒng)生成的每一組數(shù)據(jù)信息都會(huì)有對(duì)應(yīng)匹配的時(shí)間信息，因此以時(shí)間信息為基準(zhǔn)，隨著時(shí)間信息的改變來同步顯示所需的相應(yīng)其他數(shù)據(jù)信息。④ 站場(chǎng)圖關(guān)聯(lián)。同樣以時(shí)間信息為基準(zhǔn)，根據(jù)提供的《軌道ID對(duì)應(yīng)表》將ATC信息中的“軌道ID”與站場(chǎng)圖中的“軌道名稱”相關(guān)聯(lián)，當(dāng)“軌道ID”為某一值時(shí)，使列車會(huì)同步顯示在站場(chǎng)圖中相應(yīng)的軌道上，以實(shí)現(xiàn)列車在站場(chǎng)圖中的回放。⑤ 回放控制?？刂苹胤诺拈_始和結(jié)束，提供設(shè)置所需回放時(shí)間段，提供設(shè)置所需回放速度。

5）根據(jù)ATC信息需求和基本功能需求設(shè)計(jì)操作界面。界面窗口分割為2大部分：一部分是數(shù)據(jù)顯示和回放控制；另一部分是站場(chǎng)圖（如圖9所示）。利用MFC（微軟基礎(chǔ)類）各控件能夠較容易地完成第一部分的繪制；但由于站場(chǎng)圖非常大，為方便起見需要對(duì)全圖進(jìn)行分割，并按照站點(diǎn)分為徐涇東—南京西路、人民廣場(chǎng)—塘鎮(zhèn)、凌空路—浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)共三段，再用已注冊(cè)的仿真組件完成繪制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種用于監(jiān)控記錄上海軌道交通2號(hào)線車載安全數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)有車載監(jiān)控板卡和上位機(jī)回放分析軟件兩部分組成。車載板卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、便于安裝，回放分析軟件能將采集到的安全數(shù)據(jù)圖形化顯示，可進(jìn)行一定的分析。該系統(tǒng)大大提高了列車的維護(hù)保障效率、故障處理速度，稍加改造即可用于其它線的列車。這對(duì)保障城市軌道交通的安全監(jiān)控有積極意義。

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