韓濱旭

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

基于Modbus TCP/IP的軌交ISCS與車(chē)站PIS通信協(xié)議概述

韓濱旭

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

明確城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)與乘客信息系統(tǒng)(PIS)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的必要性，分析了Modbus協(xié)議用于上述兩者之間通信的可行性。在分析的基礎(chǔ)上提出了一種基于Modbus TCP/IP的ISCS與車(chē)站PIS通信協(xié)議，并介紹了其個(gè)性化的報(bào)文幀結(jié)構(gòu)。這一新協(xié)議為實(shí)現(xiàn)ISCS與車(chē)站PIS間的通信提供了新途徑，但仍需進(jìn)行工程驗(yàn)證與后續(xù)改良。

軌道交通； 綜合監(jiān)控系統(tǒng)； 乘客信息系統(tǒng)； 傳輸控制協(xié)議； 網(wǎng)際協(xié)議

城市軌道交通已成為大中型城市居民出行的主要交通方式之一，城市軌道交通工程建設(shè)也已成為現(xiàn)階段我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄏ到y(tǒng)復(fù)雜，所以需要引入綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)以保障軌道交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行。ISCS的應(yīng)用大大加強(qiáng)了軌道交通運(yùn)行的安全性、乘客的舒適性，以及災(zāi)害情況下乘客疏散的及時(shí)性，將災(zāi)害情況下的損失減小到最低[1]。ISCS通過(guò)建立單一的軟硬件平臺(tái)，將城市軌道交通各分立系統(tǒng)的管理和監(jiān)控功能集中起來(lái)，形成統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)和綜合監(jiān)控體制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，以及相關(guān)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享[2]。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)是ISCS與各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，換言之，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互為數(shù)據(jù)共享奠定了基礎(chǔ)。

1 ISCS與乘客信息系統(tǒng)(PIS)

城市軌道交通ISCS建設(shè)的目的是將監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(EMCS)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)及自動(dòng)列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)等的功能集于一體[3]。當(dāng)前的軌道交通ISCS不僅集成了電力、環(huán)控等系統(tǒng)，還通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)集成了廣播系統(tǒng)(PA)、閉路電視(CCTV)監(jiān)控系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)(ACS)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)等[4]。PIS在控制中心與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，接口類(lèi)型為標(biāo)準(zhǔn)10/100Mbit/s以太網(wǎng)接口，可接受ISCS編輯好的文本信息，并在車(chē)站的PIS設(shè)備上顯示，以便更好地為乘客提供服務(wù)[5]。PIS同時(shí)也需要將車(chē)站PIS的狀態(tài)返回到ISCS，用于監(jiān)控和綜合調(diào)度。由于安全穩(wěn)定性的要求，ISCS與PIS之間的基礎(chǔ)通信協(xié)議選擇較為穩(wěn)定成熟的協(xié)議為佳，如Modbus TCP/IP這一廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)控的以太網(wǎng)協(xié)議。

2 Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是施耐德旗下Modicon品牌在1979年發(fā)明的最早用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議之一，采用主從通信模式[6]。Modbus客戶(hù)機(jī)通過(guò)客戶(hù)機(jī)接口根據(jù)用戶(hù)應(yīng)用程序生成各種服務(wù)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)Modbus網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)Modbus服務(wù)器會(huì)根據(jù)Modbus服務(wù)請(qǐng)求對(duì)本地設(shè)備進(jìn)行各種讀寫(xiě)及控制操作[7]。

Modbus的通用幀結(jié)構(gòu)-應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)中有Modbus協(xié)議定義的一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，通過(guò)PDU中的功能碼，客戶(hù)機(jī)可以向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作，如圖1所示[8]。

圖1 Modbus通用幀格式

Modbus TCP/IP是基于傳輸控制協(xié)議(TCP)/網(wǎng)際協(xié)議(IP)與標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，在原有Modbus應(yīng)用協(xié)議的基礎(chǔ)上拓展在以太網(wǎng)上的應(yīng)用，總體的通信過(guò)程基于Modbus應(yīng)用協(xié)議，并結(jié)合了TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)。Modbus TCP/IP的數(shù)據(jù)幀在原有數(shù)據(jù)幀基礎(chǔ)上增加了Modbus應(yīng)用報(bào)文頭，由報(bào)文頭、功能碼和數(shù)據(jù)3個(gè)部分組成[9]。因?yàn)門(mén)CP可靠性連接服務(wù)功能，所以Modbus TCP/IP協(xié)議省去了Modbus應(yīng)用協(xié)議中的循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)部分。Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示[10]。

圖2 Modbus TCP/IP幀格式

因?yàn)镮SCS與PIS數(shù)據(jù)交換的特殊性，因此并不能直接使用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus格式，而且一般雙方的數(shù)據(jù)交換為并發(fā)多個(gè)點(diǎn)數(shù)，所以在Modbus以太網(wǎng)應(yīng)用上一般也只會(huì)用到多個(gè)數(shù)據(jù)的讀與寫(xiě)。ISCS從PIS獲取的當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)為開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，而ISCS向PIS發(fā)送的數(shù)據(jù)中有文字信息，在轉(zhuǎn)換為美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(ASCII)之后相當(dāng)于模擬量數(shù)據(jù)。整個(gè)通信過(guò)程中僅需要將Modbus協(xié)議報(bào)文結(jié)構(gòu)類(lèi)型中功能碼為0x04與0x10的數(shù)據(jù)幀分別作為ISCS與PIS數(shù)據(jù)交換讀與寫(xiě)的幀結(jié)構(gòu)。

3 ISCS與車(chē)站PIS通信協(xié)議讀報(bào)文

PIS通常分為車(chē)站與車(chē)載兩類(lèi)，此處主要針對(duì)ISCS與車(chē)站PIS的通信協(xié)議進(jìn)行研究。ISCS與車(chē)站PIS通信可以基于Modbus TCP/IP協(xié)議，整個(gè)通信過(guò)程，包括讀報(bào)文的輪詢(xún)過(guò)程及寫(xiě)報(bào)文的觸發(fā)過(guò)程均可完全參考Modbus TCP/IP協(xié)議，主要的區(qū)別在于主從兩端讀與寫(xiě)報(bào)文的幀結(jié)構(gòu)及回復(fù)幀結(jié)構(gòu)。

ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求讀報(bào)文結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求讀報(bào)文結(jié)構(gòu)

PIS向ISCS發(fā)送數(shù)據(jù)返回報(bào)文結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 PIS向ISCS發(fā)送數(shù)據(jù)返回報(bào)文結(jié)構(gòu)

由表1與表2可知，數(shù)據(jù)請(qǐng)求與數(shù)據(jù)返回的格式基本一致，且完全基于Modbus的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，唯一的區(qū)別在于PIS向ISCS返回報(bào)文的數(shù)據(jù)部分上，如表3所示。

表3 PIS向ISCS發(fā)送數(shù)據(jù)返回報(bào)文的數(shù)據(jù)部分

PIS向ISCS返回的報(bào)文中數(shù)據(jù)部分是與標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議有區(qū)別的部分，所有關(guān)于ISCS、PIS兩系統(tǒng)之間的特殊定義全部在此體現(xiàn)。數(shù)據(jù)部分的第一個(gè)字節(jié)是信息確認(rèn)，0x01代表信息確認(rèn)成功，0x00代表信息確認(rèn)失敗，此字節(jié)以后可擴(kuò)展作為其它功能使用。通用報(bào)警位為第二字節(jié)，代表此次返回的含有報(bào)警的設(shè)備總數(shù)。第三、四字節(jié)代表了回碼信息身份(ID)，當(dāng)每次有信息內(nèi)容發(fā)送至PIS時(shí)，PIS需要發(fā)送回碼信息ID至ISCS作信息確認(rèn)，信息號(hào)相同的設(shè)備做統(tǒng)一處理。

在協(xié)議中預(yù)定每個(gè)車(chē)站含有32個(gè)設(shè)備或16個(gè)設(shè)備，可根據(jù)實(shí)際需要選擇按位補(bǔ)0，每2 Word代表一個(gè)車(chē)站，比特位自低至高順序代表設(shè)備號(hào)自低向高的設(shè)備。

4 ISCS與車(chē)站PIS通信協(xié)議寫(xiě)報(bào)文

ISCS與車(chē)站PIS通信中，ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)寫(xiě)報(bào)文結(jié)構(gòu)與讀報(bào)文中PIS向ISCS返回?cái)?shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)類(lèi)似。以此原理類(lèi)推，PIS向ISCS返回響應(yīng)的報(bào)文結(jié)構(gòu)也與讀報(bào)文中ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求讀報(bào)文結(jié)構(gòu)類(lèi)似。

ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求讀報(bào)文結(jié)構(gòu)如表4所示。

PIS向ISCS發(fā)送返回響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)如表5所示。

在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，ISCS需要向PIS發(fā)送要傳達(dá)的文字信息，這個(gè)特殊的情況也是造成ISCS與PIS通信報(bào)文中寫(xiě)過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議明顯不同的原因。ISCS向PIS發(fā)送報(bào)文的數(shù)據(jù)部分如表6所示。

表4 ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求讀報(bào)文結(jié)構(gòu)

表5 PIS向ISCS發(fā)送返回響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)

表6 ISCS向PIS發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)部分

數(shù)據(jù)部分第一個(gè)字節(jié)是信息確認(rèn)，0x01代表確認(rèn)成功，0x00代表失敗。第二個(gè)字節(jié)代表優(yōu)先級(jí)，0x01代表正常，0x02代表緊急。之后的部分是車(chē)站區(qū)域選擇，通常一個(gè)車(chē)站會(huì)被分割為若干區(qū)域，比如站臺(tái)區(qū)、站廳及各個(gè)出口區(qū)等，所以預(yù)設(shè)1 Byte 8位對(duì)應(yīng)8個(gè)區(qū)域位，區(qū)域數(shù)未夠補(bǔ)0。每一個(gè)比特位為1代表選擇此區(qū)域，為0代表不選擇。信息內(nèi)容預(yù)設(shè)為100 Word的中英文信息，外加2 Word的完結(jié)符“”。

5 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通ISCS與車(chē)站PIS的通信至今仍未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且沒(méi)有成熟的解決方案，眾多不同廠(chǎng)家的設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。如果基于Modbus TCP/IP通信協(xié)議，可以更快地適應(yīng)眾多設(shè)備與軟件。

個(gè)性化地使用Modbus TCP/IP協(xié)議，不但可以避免復(fù)雜的通信機(jī)制，而且可以妥善解決工程實(shí)施中的穩(wěn)定性問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)眾多廠(chǎng)家設(shè)備間的互通互聯(lián)。筆者所述的協(xié)議仍需要進(jìn)一步的工程驗(yàn)證及后續(xù)改良。

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Highlighted the necessity of data exchange between urban rail transit integrated supervisory control system (ISCS) and passenger information system (PIS) with an analysis of the feasibility of Modbus protocol to be used between the above-mentioned two systems for communication. Based on the analysis， ISCS and station PIS communication protocol based on Modbus TCP/IP was presented with a description on its personalized message frame structure. This new protocol provides a new way for communication between ISCS and station PIS， but still needs engineering verification and subsequent improvement.

Rail Transit； ISCS； PIS； Transmission Control Protocol； Internet Protocol

2016年6月

韓濱旭(1988— )，男，碩士，助理工程師，主要從事過(guò)程自動(dòng)化，工業(yè)自動(dòng)化軟件研究工作， E-mail：hanbx@shanghai-electric.com

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1674-540X(2016)04-043-04