鮑建波，張 道

(國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210061)

0 引言

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)(integrated supervisory control system，ISCS)廣泛應(yīng)用于世界各地的軌道交通中，如北美、新加坡、韓國(guó)等。ISCS的使用能夠有效提高軌道交通調(diào)度的管理效率，逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。在ISCS中，不但大量子系統(tǒng)需要接入監(jiān)控系統(tǒng)，處理的數(shù)據(jù)量也需要提高，而且涉及的專業(yè)面也比較廣[1]。國(guó)內(nèi)城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備及技術(shù)大多從國(guó)外引進(jìn)，應(yīng)用過程中存在多種安全隱患[2]。目前，我國(guó)在設(shè)計(jì)ISCS功能的過程中，重點(diǎn)為系統(tǒng)集成模塊、功能需求、控制中心大屏幕規(guī)模等方面[3]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成并使整個(gè)ISCS安全運(yùn)行、提升運(yùn)營(yíng)效率，前置處理器(front end processor,FEP)的使用尤為重要。

地鐵ISCS是一個(gè)大型的集成系統(tǒng)，需集成地鐵站內(nèi)大部分系統(tǒng),監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行工況和故障信息。由于地鐵ISCS是一個(gè)大型的、涉及眾多廠商的、有機(jī)統(tǒng)一的系統(tǒng)，各設(shè)備廠家使用的接口類型和通信協(xié)議也各不相同。這對(duì)ISCS的集成提出了較高的要求[4]。ISCS與各子系統(tǒng)的集成通常采用兩種方式：①子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)直接接入車站局域網(wǎng)，再連接到ISCS；②子系統(tǒng)先接入FEP，由FEP接入車站局域網(wǎng)，再連接到ISCS。

1 FEP功能

FEP主要負(fù)責(zé)硬件接口的接入和應(yīng)用層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在整個(gè)ISCS中起到承上啟下的作用，即ISCS通過FEP獲得被集成和互聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，ISCS也是通過FEP完成發(fā)往被集成和互聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命令。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊暯莵?lái)看，F(xiàn)EP充當(dāng)了網(wǎng)關(guān)的角色，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)在此得到了隔離，有效地阻止了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。通過在ISCS與子系統(tǒng)之間設(shè)置FEP，不但提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，而且大大減輕了ISCS服務(wù)器的負(fù)載[5]。

ISCS與FEP連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ISCS與FEP連接結(jié)構(gòu)示意圖

FEP是ISCS與子系統(tǒng)之間的連接橋梁。在地鐵ISCS中，設(shè)置FEP的主要作用有硬件隔離和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1.1 硬件隔離

ISCS中，各子系統(tǒng)設(shè)備廠家提供的接口繁雜，質(zhì)量參差不齊。而ISCS的硬件平臺(tái)通常采用商用的服務(wù)器和工作站，只有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口和很少的串口，無(wú)法滿足系統(tǒng)集成的需要[6]。FEP的重要功能之一就是實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)廠家硬件接口的接入。FEP通過擴(kuò)展卡實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)、CAN、RS-485等接口的無(wú)縫連接，并通過在I/O板卡上的電感耦合、光電隔離等技術(shù)，有效避免地線回路電壓浪涌、感應(yīng)雷擊、靜電、熱插拔等惡劣環(huán)境和不良操作對(duì)設(shè)備的損壞。

1.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換是FEP另一個(gè)功能,也是主要功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換主要涉及以下兩個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 完成協(xié)議轉(zhuǎn)換

FEP通過不同接口連接不同的子系統(tǒng)，采集各子系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)，通過硬件隔離、誤碼過濾、協(xié)議轉(zhuǎn)換后暫存在FEP的內(nèi)存中，形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.2 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

子系統(tǒng)的狀態(tài)信息保存在FEP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)是通過FEP的應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的篩選和分類存儲(chǔ)，為轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)作好準(zhǔn)備工作。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)時(shí)，通過調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)FEP到ISCS服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

FEP和ISCS服務(wù)器之間通常采用分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(distributed network protocol，DNP)。該協(xié)議采用“即變即送”的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，大大減輕了ISCS網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，同時(shí)保障了數(shù)據(jù)的傳輸效率。

2 FEP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 FEP硬件設(shè)計(jì)

地鐵ISCS的FEP通常放置在綜合監(jiān)控機(jī)房，工作環(huán)境比較惡劣，要承受較大的電磁干擾等外部環(huán)境的影響。所以FEP常采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，在防塵、散熱、防潮、抗振、電磁兼容等主要方面都需充分考慮，包括機(jī)殼采用專用模具生產(chǎn)、機(jī)箱考慮空氣對(duì)流設(shè)計(jì)、元器件采用工業(yè)級(jí)芯片、印刷電路板(printed circuit board，PCB)電路設(shè)計(jì)要求防浪涌等措施。

FEP的硬件系統(tǒng)通常采用模塊化設(shè)計(jì)方法，通過總線式背板實(shí)現(xiàn)各模塊之間的供電、通信和信號(hào)傳遞。FEP的各個(gè)模件(如CPU模件、I/O口擴(kuò)展模件)可以產(chǎn)生詳細(xì)的關(guān)鍵器件自診斷信息，由FEP通過軟件定期檢測(cè)關(guān)鍵器件狀態(tài)并上送到ISCS，同時(shí)也可通過登錄FEP或LCD面板調(diào)閱故障狀態(tài)信息。

地鐵站內(nèi)子系統(tǒng)各異，通常要求FEP具有良好的可擴(kuò)展性，可通過安插在背板總線的板塊的不同組合配置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)FEP硬件的裁剪；根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)需要配置網(wǎng)絡(luò)板卡、CAN網(wǎng)板卡或串口板卡的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)硬件接口的按需分配。

2.2 FEP軟件設(shè)計(jì)

FEP通過軟件實(shí)現(xiàn)自身存在的核心價(jià)值。FEP運(yùn)行的軟件系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別為底層驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。FEP的軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 FEP的軟件層次結(jié)構(gòu)

2.2.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

FEP大多采用嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，常用VxWorks、RTLinux等實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度和系統(tǒng)的運(yùn)作管理。通過可靠的外圍軟件支持，高效地實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集工作和向綜合監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.2.2 底層硬件驅(qū)動(dòng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常采用高可靠性的商用操作系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大多不提供完整的外圍器件驅(qū)動(dòng)程序，需要各設(shè)備廠家自行完成外圍器件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)、板級(jí)支持包(board support package，BSP)的配置等，以實(shí)現(xiàn)底層軟件的功能。

2.2.3 應(yīng)用軟件

整個(gè)FEP中具有特色的功能是通過FEP的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為。FEP應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有通信對(duì)時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)通道功能的建立、底層數(shù)據(jù)的采集、通信協(xié)議的解析與轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能的實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)的完成、DNP數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、雙機(jī)數(shù)據(jù)同步的實(shí)現(xiàn)、通道冗余的切換等。

3 冗余設(shè)計(jì)

地鐵環(huán)境惡劣，各系統(tǒng)穩(wěn)定性差異較大。為解決個(gè)別子系統(tǒng)在通信中斷時(shí)的數(shù)據(jù)丟失問題,通常地鐵監(jiān)控系統(tǒng)都采用雙機(jī)熱備份的方式解決單通道故障引起的系統(tǒng)通信故障。從圖1中可以看出，F(xiàn)EP在配置上采用了雙機(jī)熱備的冗余設(shè)計(jì)方案，提供四個(gè)以上的以太網(wǎng)接口。其中：兩個(gè)以太網(wǎng)口向上接入ISCS的局域網(wǎng)；另外兩個(gè)接口與需要接入的子系統(tǒng)通信。兩臺(tái)FEP之間可通過以太網(wǎng)或串口的方式保持通信。采用雙機(jī)雙網(wǎng)的配置，在任何單點(diǎn)故障的情況下，都不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的失效，大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也提高了可用率[7]。

3.1 FEP雙機(jī)數(shù)據(jù)同步

雙機(jī)數(shù)據(jù)同步主要用于冗余雙機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。要做到“平穩(wěn)切換”，必須保證兩臺(tái)設(shè)備在主備角色轉(zhuǎn)換之前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)是同步的。這是實(shí)現(xiàn)冗余切換的前提條件。要實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余切換，互為冗余的FEP必須分別提供一個(gè)通信口進(jìn)行冗余信息交互。冗余交互信息的數(shù)據(jù)量不大，但是對(duì)其可靠性的要求卻很高。雙機(jī)冗余信息交互故障將導(dǎo)致互為冗余的FEP雙機(jī)上所有通信端口都變成值班狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，很多接口設(shè)備無(wú)法通信，將直接導(dǎo)致雙機(jī)數(shù)據(jù)同步失效。

五、加強(qiáng)水土資源保護(hù)，水生態(tài)文明建設(shè)扎實(shí)推進(jìn)。強(qiáng)化水土保持全流程監(jiān)管，狠抓在建工程棄土規(guī)范化管理和水土保持度汛方案制度落實(shí)，水土流失面積下降2km2。認(rèn)真開展再生水推廣使用建章立制工作，以市場(chǎng)導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，草擬了《深圳市再生水管理暫行辦法（送審稿）》，已報(bào)市政府進(jìn)一步研究。強(qiáng)化飲用水水源保護(hù)區(qū)管理，大力推進(jìn)入庫(kù)支流生態(tài)修復(fù)工程，集中式飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率繼續(xù)保持100%。

由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的容量較大，并且實(shí)時(shí)性要求較高，通常采用網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。因互為冗余的兩臺(tái)FEP是對(duì)等的，因此不適合采用基于服務(wù)端/客戶端(server/client)模式的TCP/IP方式，宜用UDP/IP方式。

數(shù)據(jù)冗余技術(shù)的實(shí)現(xiàn)通常有數(shù)據(jù)集中式冗余技術(shù)和數(shù)據(jù)分布式冗余技術(shù)。

3.1.1 數(shù)據(jù)集中式冗余技術(shù)

在任一時(shí)刻，所有不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)只發(fā)往同一臺(tái)FEP(FEP1或FEP2)。兩臺(tái)FEP中，只有一臺(tái)是主機(jī)，存有當(dāng)前所有子系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)集中位于主FEP中。

3.1.2 數(shù)據(jù)分布式冗余技術(shù)

在任一時(shí)刻，所有不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以發(fā)往不同的FEP，可以是FEP1，也可以是FEP2。對(duì)于某個(gè)特定的子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)集中位于主FEP中。但從所有子系統(tǒng)的集合數(shù)據(jù)來(lái)看，數(shù)據(jù)是允許分布在兩臺(tái)冗余的FEP內(nèi)的(當(dāng)然也允許數(shù)據(jù)集中在某臺(tái)FEP內(nèi))。此時(shí)，F(xiàn)EP整體在物理上并不存在主從機(jī)的概念。

數(shù)據(jù)集中式冗余技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生交叉故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失。而主從機(jī)的權(quán)重的確定主觀性太強(qiáng)、難以真正符合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況。數(shù)據(jù)分布式冗余技術(shù)通過通道任務(wù)的切換可以解決交叉故障引起的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)功能的代價(jià)較高。

3.2 FEP狀態(tài)切換

3.2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)冗余切換判斷流程

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)方有三種狀態(tài)。

①值班狀態(tài)：對(duì)方已工作，能監(jiān)聽到心跳。

②停機(jī)或通道任務(wù)故障狀態(tài)：監(jiān)聽不到對(duì)方的心跳。

③同時(shí)啟動(dòng)狀態(tài)：發(fā)送請(qǐng)求值班消息后又收到對(duì)方的請(qǐng)求值班消息。在這種情況下，系統(tǒng)可通過產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)決定哪一方值班。

3.2.2 切換判別方法

對(duì)于冗余通道的任務(wù)切換方式，可分為兩種情況。

①冗余信息交互任務(wù)自動(dòng)判別。

當(dāng)任務(wù)通道處于值班狀態(tài)時(shí)，任務(wù)通道必須每隔1～5 s向冗余對(duì)方發(fā)送一條心跳消息。當(dāng)任務(wù)通道處于備用狀態(tài)時(shí)，冗余信息交互任務(wù)負(fù)責(zé)監(jiān)聽對(duì)方對(duì)應(yīng)任務(wù)通道的心跳。若對(duì)方對(duì)應(yīng)任務(wù)通道心跳超時(shí)，則認(rèn)為對(duì)方任務(wù)通道故障，于是自動(dòng)將本機(jī)對(duì)應(yīng)的任務(wù)通道切為值班狀態(tài)，同時(shí)告知對(duì)方，請(qǐng)對(duì)方通過冗余信息交互任務(wù)將對(duì)方對(duì)應(yīng)的任務(wù)通道切為備用狀態(tài)。這種切換大多發(fā)生在對(duì)方因任務(wù)通道出錯(cuò)被操作系統(tǒng)掛起或?qū)Ψ紽EP死機(jī)時(shí)。

②任務(wù)通道判別。

一個(gè)任務(wù)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)通信程序，任務(wù)通道判別也就是要求通信程序自行判別什么時(shí)候必須切換通道。冗余信息交互任務(wù)為任務(wù)通道提供了接口，允許任務(wù)通道主動(dòng)提出切換。之所以這么做，主要是因?yàn)樵谟行┩ㄐ艖?yīng)用中要根據(jù)各自的通道狀態(tài)或所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，而這些信息冗余信息交互任務(wù)是無(wú)法得到的。如：某個(gè)任務(wù)通道TCP鏈接中斷，反復(fù)嘗試數(shù)次后仍然無(wú)法建立鏈接，故不得不切到備用通道。

4 結(jié)論

FEP是地鐵ISCS與子系統(tǒng)之間通信的通道。FEP不但能完成硬件接口的轉(zhuǎn)換，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、協(xié)議的轉(zhuǎn)換、上層網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)等功能[8]。

本文對(duì)嵌入式高性能FEP設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)給出了闡述，包括硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)、軟件的架構(gòu)和冗余方案的設(shè)計(jì)等，保證了ISCS的接口功能和性能。本文敘述的FEP設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的靈活性，不但解決了多種硬件介質(zhì)的接入問題，還有效地阻止了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。目前，據(jù)此方案設(shè)計(jì)的FEP已經(jīng)用于國(guó)內(nèi)多條地鐵綜合監(jiān)控線路中,運(yùn)行狀況良好。該FEP設(shè)計(jì)方案稍加開發(fā)就可用于多種大型集成系統(tǒng)中。