李玉蘭，李開(kāi)成，李驍宇，陳思捷，劉木齊

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044）

隨著城市軌道交通的發(fā)展，CBTC–基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。由于用于CBTC系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)的統(tǒng)一規(guī)范還有待完善，使得各個(gè)廠商生產(chǎn)的設(shè)備之間存在較大差別，很多不同廠商的設(shè)備之間往往不能直接進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于具體線路所使用的相關(guān)設(shè)備通常來(lái)自于不同的廠商，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，也希望利用不同廠商的設(shè)備搭建一套CBTC最小系統(tǒng)。然而采用直接修改廠商設(shè)備接口以使各設(shè)備之間接口匹配的方式開(kāi)發(fā)難度大、工期長(zhǎng)。因此，設(shè)計(jì)可以用于CBTC系統(tǒng)各關(guān)鍵設(shè)備之間接口協(xié)議轉(zhuǎn)換的接口轉(zhuǎn)換應(yīng)用層系統(tǒng)非常有意義。

本設(shè)計(jì)采用C#做后臺(tái)代碼開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合具體線路中參與運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備之間交互信息量大的實(shí)際特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種高效、實(shí)時(shí)的CBTC系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備之間接口協(xié)議轉(zhuǎn)換的接口轉(zhuǎn)換應(yīng)用層系統(tǒng)。

1 北京地鐵運(yùn)營(yíng)仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)備簡(jiǎn)介

CBTC系統(tǒng)是基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。一個(gè)典型的CBTC系統(tǒng)包括：列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)（ATS，Automatic Train Supervision）、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)單元（DSU，Database Storage Unit）、區(qū)域控制器（ZC，Zone Controller）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖CI，Computer Interlocking）、車載控制器（VOBC，Vehicle 0n Board Controller）和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS，Data Communication System），包括骨干網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)線接入點(diǎn)以及車載移動(dòng)無(wú)線設(shè)備。

北京地鐵運(yùn)營(yíng)仿真實(shí)驗(yàn)室是利用北京地鐵亦莊線數(shù)據(jù)搭建的一套CBTC最小系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備信息交互圖如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備信息交互圖

在搭建的最小系統(tǒng)中，既有真實(shí)設(shè)備，也有仿真設(shè)備。仿真設(shè)備和仿真設(shè)備、仿真設(shè)備和真實(shí)設(shè)備、真實(shí)設(shè)備和仿真設(shè)備之間均存在信息交互。根據(jù)搭建系統(tǒng)所選擇廠商的設(shè)備特點(diǎn)，圖1中用虛線連接的部分在系統(tǒng)中不能直接通信，實(shí)線連接的部分可以直接通信。

在一套CBTC系統(tǒng)中CI、ZC、ATS、VOBC這4個(gè)子系統(tǒng)之間均存在信息交互，而接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的作用即為保證各個(gè)子系統(tǒng)之間信息交互正常。

2 接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)正常運(yùn)行，必須使不能直接通信的設(shè)備接口相互匹配。采用增加中間層（接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)層）的方式，不僅開(kāi)發(fā)難度小、工期短，還可以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。因此接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將為CBTC最小系統(tǒng)的搭建，提供切實(shí)可行的方案。

為了使整個(gè)CBTC系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，系統(tǒng)內(nèi)部所有交互的信息均通過(guò)接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行分發(fā)和處理。本文主要論述與CBTC系統(tǒng)中存在信息交互的CI、ATS、ZC和VOBC這4個(gè)核心子系統(tǒng)之間的信息交互。

接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由消息收發(fā)模塊和消息處理模塊兩個(gè)部分組成，即應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)部分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)消息交互流程為：由消息發(fā)送方設(shè)備（如CI）對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備（CI數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層）接收原始消息，并將接收到的消息送入應(yīng)用層進(jìn)行處理，應(yīng)用層將處理后的消息發(fā)送給接收方對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層（如ATS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層），再由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備發(fā)送給對(duì)應(yīng)的接收設(shè)備。

采用此分布式結(jié)構(gòu)，可以將消息的收發(fā)環(huán)節(jié)和處理環(huán)節(jié)分開(kāi)，使得在調(diào)試和維護(hù)的過(guò)程中便于故障定位，提高系統(tǒng)可維護(hù)性。同時(shí)使接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不受外圍設(shè)備數(shù)量和類型的影響。外圍設(shè)備數(shù)量的增加，只是帶來(lái)接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)處理消息量的增加，而外圍設(shè)備類型的增加，只需要在原有接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加該設(shè)備類型對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備和應(yīng)用層處理子模塊即可，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。

本文主要針對(duì)接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以下簡(jiǎn)稱應(yīng)用層。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 應(yīng)用層系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層采用C#做后臺(tái)代碼開(kāi)發(fā)工具，和網(wǎng)絡(luò)層之間采用TCP/UDP協(xié)議進(jìn)行通信。應(yīng)用層由消息接收模塊、消息處理模塊和消息發(fā)送模塊組成。其系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3.1 消息接收模塊

消息接收模塊采用TCP/UDP協(xié)議實(shí)時(shí)接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的消息?？尚械南⒔邮辗桨赣袃煞N。

（1）采用多線程技術(shù)

當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)立即接收并存儲(chǔ)；沒(méi)有消息到達(dá)時(shí)，應(yīng)用層正常的對(duì)接收到的消息進(jìn)行后續(xù)處理。

（2）采用單條消息處理機(jī)制

接收到一條消息時(shí)，立即對(duì)該條消息進(jìn)行處理，并在將接收到的消息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層之后，再接收下一條消息。

采用多線程技術(shù)，易使系統(tǒng)陷入死循環(huán)，且在滿足系統(tǒng)要求的前提下，處理機(jī)制比采用單條消息處理的機(jī)制復(fù)雜。所以在本設(shè)計(jì)中采用方案2的消息處理機(jī)制。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

單條消息處理機(jī)制的工作流程如圖4所示。

圖4 單條消息處理機(jī)制工作流程圖

3.2 消息處理模塊

消息處理模塊根據(jù)要搭建的CBTC系統(tǒng)要求，將接收到的原始消息，按照一定的規(guī)則進(jìn)行處理，使其能被該條消息的接收設(shè)備所識(shí)別，從而保證CBTC系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備之間通信正常。

在一套完整的CBTC系統(tǒng)中，參與工作的子系統(tǒng)多，交互的消息量大，使得消息處理模塊作為應(yīng)用層系統(tǒng)的核心模塊，必須具備合理的消息處理機(jī)制，以快速、準(zhǔn)確的對(duì)消息進(jìn)行處理，同時(shí)還應(yīng)具備一定的通用性和可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)升級(jí)和后期維護(hù)。

同種類型的仿真設(shè)備和真實(shí)設(shè)備在與其它設(shè)備進(jìn)行信息交互時(shí)，消息的內(nèi)容和格式可能有所不同，從而需要應(yīng)用層設(shè)備對(duì)其采用不同的處理機(jī)制。如ATS設(shè)備和仿真CI之間可以直接通信，而和真實(shí)CI之間不可以直接通信。所以對(duì)于消息處理模塊，在對(duì)接收到的原始消息進(jìn)行處理時(shí)，需要同時(shí)考慮消息方向，和與該條消息相關(guān)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備是仿真設(shè)備還是真實(shí)設(shè)備，從而選擇正確的消息處理機(jī)制。

為了使消息處理模塊滿足性能要求，同時(shí)能有效地根據(jù)消息特征選擇處理機(jī)制，將消息處理模塊分為消息分類子模塊、ATS_CI消息處理子模塊、ATS_VOBC消息處理子模塊 、ATS_ZC消息處理子模塊、CI_ZC消息處理子模塊、CI_VOBC消息處理子模塊、ZC_VOBC消息處理子模塊、CI_CI消息處理子模塊8個(gè)子模塊。

在消息分類子模塊中，首先根據(jù)消息的發(fā)送方設(shè)備和接收方設(shè)備類型，選擇正確的處理機(jī)制，確定消息被送往的子模塊。若消息由ATS發(fā)往CI，則該條消息將被送到ATS_CI消息處理子模塊中進(jìn)一步處理。

在消息處理子模塊中完成對(duì)消息的解包、處理、組包操作，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。

將消息處理模塊進(jìn)行子模塊劃分，應(yīng)用層系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中即可以根據(jù)消息的來(lái)源和消息的去向靈活選擇用于對(duì)消息進(jìn)行處理的模塊和處理方式。同時(shí)，當(dāng)外部設(shè)備類型和數(shù)量增加時(shí)，只需要增加相應(yīng)的消息處理子模塊即可。

3.3 消息發(fā)送模塊

消息發(fā)送模塊采用TCP/UDP協(xié)議將轉(zhuǎn)換完成后的消息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層，即系統(tǒng)根據(jù)消息的方向，從配置文件中找到網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備所在的IP和端口，并將轉(zhuǎn)換完成后的消息利用TCP/UDP協(xié)議發(fā)往該端口，完成消息的發(fā)送。

4 應(yīng)用層系統(tǒng)測(cè)試

在北京地鐵運(yùn)營(yíng)仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合接口轉(zhuǎn)換器應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)應(yīng)用層系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。

應(yīng)用層系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)主要有丟包率、誤組包率和時(shí)延。根據(jù)搭建的最小系統(tǒng)的要求，應(yīng)用層系統(tǒng)應(yīng)滿足的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)

其中亦莊線CBTC仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)各設(shè)備周期如表2所示。

表2 亦莊線CBTC仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)備周期

在測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)各設(shè)備之間信息交互正常，各個(gè)設(shè)備均處于正常工作狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)各設(shè)備之間信息交互50 000次所得的丟包率、誤組包率和時(shí)延測(cè)試結(jié)果如表3所示，時(shí)延測(cè)試柱狀圖如圖5所示。

從系統(tǒng)測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，接口轉(zhuǎn)換應(yīng)用層系統(tǒng)的最大丟包率為0.06‰（不包含由網(wǎng)絡(luò)本身引起的丟包），即50 000條消息中，有3條消息被丟包，滿足系統(tǒng)性能要求。誤組包率為0。延時(shí)時(shí)間和消息包的長(zhǎng)度，處理過(guò)程的復(fù)雜度以及處理CPU時(shí)間等均有關(guān)，從測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)最大時(shí)延出現(xiàn)在CI->ATS的過(guò)程中，這是由于在一條由CI->ATS的消息中，所包含的數(shù)據(jù)量最多，處理過(guò)程也最復(fù)雜。而對(duì)于ZC->ATS、VOBC->ZC、ZC->VOBC等過(guò)程，數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)量變化不大，也基本不需要處理，所以時(shí)延最小，且時(shí)延最大值和平均值相等。應(yīng)用層時(shí)延滿足系統(tǒng)性能需求。從系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果可以說(shuō)明接口轉(zhuǎn)換應(yīng)用層系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 丟包率、誤組包率和時(shí)延測(cè)試結(jié)果

圖5 時(shí)延測(cè)試結(jié)果柱狀圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在北京地鐵運(yùn)營(yíng)仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了接口轉(zhuǎn)換器應(yīng)用層系統(tǒng)。系統(tǒng)具有消息收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，能對(duì)接收到的交互信息按照用戶需求進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，使CBTC系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備之間正常通信，保證系統(tǒng)運(yùn)行正常。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試可以看出，系統(tǒng)在丟包率、誤組包率和時(shí)延等方面均滿足設(shè)計(jì)要求。且所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能靈活應(yīng)對(duì)外圍設(shè)備數(shù)量和類型的變化，具有良好的通用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

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