程 君 曹桂均 馮 軍 閆 石

動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)安全接口機的設(shè)計

程 君 曹桂均 馮 軍 閆 石

摘 要：動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)實現(xiàn)了列車與調(diào)車作業(yè)計劃管理、列車與調(diào)車作業(yè)自動進路集中控制、動車組位置自動識別與追蹤、動車基地作業(yè)計劃的優(yōu)化調(diào)整等功能。該系統(tǒng)與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)及車號自動識別系統(tǒng)等存在大數(shù)據(jù)量的信息交互，因此設(shè)計開發(fā)了一款安全可靠的接口機，實現(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：動車基地;調(diào)度集中系統(tǒng);接口機;雙機熱備;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、上海等動車基地，受動車基地運營特點的制約，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，臨時計劃較多，自動化程度低，現(xiàn)場工作人員壓力大。針對此情況，研發(fā)設(shè)計了動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)，實現(xiàn)了列車與調(diào)車作業(yè)計劃管理、列車與調(diào)車作業(yè)自動化控制、動車組自動識別與追蹤等功能。此系統(tǒng)與計算機聯(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)及車號自動識別(AEI)系統(tǒng)等存在大數(shù)據(jù)量的信息交互，因此，需要設(shè)計一款安全、可靠的接口機，實現(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 功能簡介

動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)與多個不同廠家的系統(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，要實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部程序的通用性，需要接口機具備協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，按照各個廠家不同的協(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。接口機滿足各個外部系統(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。

動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)以及與其接口的各個系統(tǒng)作為獨立的系統(tǒng)，都不應(yīng)受到外界的干擾而影響到本系統(tǒng)的安全運行，所以接口機還要保證系統(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，實現(xiàn)安全網(wǎng)絡(luò)通信，而各個系統(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)影響各個系統(tǒng)的正常運行。

2 接口機結(jié)構(gòu)設(shè)計

動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)中各個終端以及與其接口的外部系統(tǒng)都是雙機熱備的方式，接口機作為系統(tǒng)中間的紐帶與橋梁，對其穩(wěn)定性的要求必然也很高，所以也采取雙機熱備的方式，保證在一臺機器出現(xiàn)故障的時候不會影響到整個系統(tǒng)的運行。接口機與外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)的連接均采用交叉互聯(lián)的方式，即每臺接口機與外系統(tǒng)的A、B機連接起來，對外部數(shù)據(jù)進行處理協(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)部的各個終端及服務(wù)器A、B機均掛入系統(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

接口機的外部機構(gòu)采用標準機柜插籠方式，6U高度，便于與其他設(shè)備一起集成于機柜中。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由雙機控制器、A機、B機三部分構(gòu)成，雙機控制器又包括控制電路板、電源、按鈕顯示面板，可以實現(xiàn)A、B機的自動和手動切換。A、B機均由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，一臺接口機至少可以實現(xiàn)2個不同接口數(shù)據(jù)通道的傳輸。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 接口機結(jié)構(gòu)示意圖

3 接口機硬件實現(xiàn)

3.1 雙機控制器

雙機控制器，簡稱雙控器，用于A機、B機工作選擇，同一時間內(nèi)只有一機處于主用狀態(tài)，另一機處于備用狀態(tài)，在主機出現(xiàn)故障時，備機手動或自動切換至主機工作。

雙控器面板有“主機正?！?、 “備機正?！?、“系統(tǒng)故障”3個設(shè)備工作狀態(tài)指示燈， “熱備”、“停鳴”2個非自復(fù)式按鈕用來選擇工作方式，“A機主用”、“B機主用”2個自復(fù)式按鈕用來手動切換工作主機，“應(yīng)急”旋鈕可以讓雙控器在出現(xiàn)故障時強制切換至某一臺機器工作。

正常工作時，A機、B機定時送脈沖信號至雙控器，雙控器對脈沖信號采樣判斷其是否處于正常工作狀態(tài)，然后驅(qū)動對應(yīng)的狀態(tài)繼電器吸合。A、B機主用、備用繼電器實現(xiàn)互鎖，可靠保證同一時刻只有一臺機器處于主用狀態(tài)。當主機送的脈沖信號超過設(shè)定的切換時間，并且機器處于熱備狀態(tài)時則自動倒機，并發(fā)出蜂鳴報警聲。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)級處理器，獨立的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，自帶一個以太網(wǎng)控制器，用DM9000CP以太網(wǎng)控制器擴展第二個網(wǎng)口，提供隔離的4個串口資源，其中2個串口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個端口同時讀寫數(shù)據(jù)，每個端口具有自己獨立的控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線，最快存取時間為25 ns。ETH板通過雙口RAM實現(xiàn)與CPU板的數(shù)據(jù)高速交換，同時板載集成了2個網(wǎng)口和4個串口，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 接口機數(shù)據(jù)隔離與交換原理

ETH板上有2個板載網(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個串行通信口，可實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)通信。CPU板上有2個板載網(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)各個服務(wù)器及終端的數(shù)據(jù)交換。

當系統(tǒng)從外部系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，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，當系統(tǒng)向外部系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，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 接口機數(shù)據(jù)隔離與交換原理

雙口RAM的核心部分是存儲器陣列，用于數(shù)據(jù)存儲，左右2個端口共用。2個端口同時對同一地址單元存取數(shù)據(jù)時，采用信號燈鎖存器來實現(xiàn)互鎖，防止沖突問題。IDT 7008共有8個信號燈鎖存器，所以最多可以把雙口RAM劃分為8塊，每塊存儲區(qū)的容量大小任意設(shè)置。上電時從雙口RAM的兩側(cè)讀到的信號燈鎖存器狀態(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到這個信號燈鎖存器，讀回時是0表明可以操作雙口RAM，但如果讀回時是FF表明對方占用了雙口RAM。一方操作完雙口RAM后就寫1到信號燈鎖存器，此時對方才可以占用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，實現(xiàn)了動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)的高速傳輸和隔離，具有實時性好、可靠性高、電路簡單等優(yōu)點。通過雙機熱備方式的設(shè)計，滿足了接口機的穩(wěn)定性和可維護性，在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。此外，本接口機具有良好的可擴展性和移植性，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)研究院通信信號研究所.動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)方案研究報告［R］.2009(8).

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

［3］段武．微機聯(lián)鎖雙機熱備系統(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)