動車基地調度集中系統安全接口機的設計

程 君 曹桂均 馮 軍 閆 石

動車基地調度集中系統安全接口機的設計

程 君 曹桂均 馮 軍 閆 石

摘 要：動車基地調度集中系統實現了列車與調車作業計劃管理、列車與調車作業自動進路集中控制、動車組位置自動識別與追蹤、動車基地作業計劃的優化調整等功能。該系統與計算機聯鎖系統、分散自律調度集中系統、管理信息系統及車號自動識別系統等存在大數據量的信息交互，因此設計開發了一款安全可靠的接口機，實現內外系統的大數據量雙向隔離高速傳輸和協議轉換功能。

關鍵詞：動車基地;調度集中系統;接口機;雙機熱備;雙口RAM;數據隔離

程 君：中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員100081 北京

曹桂均：中國鐵道科學研究院通信信號研究所 研究員 100081北京

馮 軍：中國鐵道科學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，絕大多數接、發、調車作業需要集中在夜間完成，調度業務繁忙，臨時計劃較多，自動化程度低，現場工作人員壓力大。針對此情況，研發設計了動車基地調度集中系統，實現了列車與調車作業計劃管理、列車與調車作業自動化控制、動車組自動識別與追蹤等功能。此系統與計算機聯鎖系統、分散自律調度集中CTC系統、管理信息系統及車號自動識別(AEI)系統等存在大數據量的信息交互，因此，需要設計一款安全、可靠的接口機，實現本系統與外系統的數據雙向隔離傳輸和協議轉換功能。

1 功能簡介

動車基地調度集中系統與多個不同廠家的系統之間存在著信息交互，其通信協議及通信方式都不盡相同，因此，要實現系統內部程序的通用性，需要接口機具備協議轉換功能，按照各個廠家不同的協議及內部協議格式轉換成內部數據后發到內部網絡，使系統內部各個子系統無需關心外部系統數據格式和協議，只需從內部網絡上提取數據并按照內部協議解析。接口機滿足各個外部系統設備的不同通信方式，包括各種串行通信和網絡通信方式。

動車基地調度集中系統以及與其接口的各個系統作為獨立的系統，都不應受到外界的干擾而影響到本系統的安全運行，所以接口機還要保證系統之間的安全隔離，只允許協議規定的數據內容通過，實現安全網絡通信，而各個系統與外系統之間的終端或服務器都無法直接互相訪問，避免不安全的數據影響各個系統的正常運行。

2 接口機結構設計

動車基地調度集中系統中各個終端以及與其接口的外部系統都是雙機熱備的方式，接口機作為系統中間的紐帶與橋梁，對其穩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故障的時候不會影響到整個系統的運行。接口機與外部系統和內部系統的連接均采用交叉互聯的方式，即每臺接口機與外系統的A、B機連接起來，對外部數據進行處理協議轉換和隔離，然后接入內部系統的A、B網，系統內部的各個終端及服務器A、B機均掛入系統A、B網，連接示意圖如圖1所示。

圖1 設備連接示意圖

接口機的外部機構采用標準機柜插籠方式，6U高度，便于與其他設備一起集成于機柜中。內部結構由雙機控制器、A機、B機三部分構成，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板構成，硬件結構完全一致，一臺接口機至少可以實現2個不同接口數據通道的傳輸。結構示意圖如圖2所示。

圖2 接口機結構示意圖

3 接口機硬件實現

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，同一時間內只有一機處于主用狀態，另一機處于備用狀態，在主機出現故障時，備機手動或自動切換至主機工作。

雙控器面板有“主機正常”、 “備機正常”、“系統故障”3個設備工作狀態指示燈， “熱備”、“停鳴”2個非自復式按鈕用來選擇工作方式，“A機主用”、“B機主用”2個自復式按鈕用來手動切換工作主機，“應急”旋鈕可以讓雙控器在出現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，然后驅動對應的狀態繼電器吸合。A、B機主用、備用繼電器實現互鎖，可靠保證同一時刻只有一臺機器處于主用狀態。當主機送的脈沖信號超過設定的切換時間，并且機器處于熱備狀態時則自動倒機，并發出蜂鳴報警聲。雙控器的狀態轉換圖如圖3所示。

3.2 CPU板

CPU板采用ATMEL AT91RM9200內核工業級處理器，獨立的16KB指令和16KB數據cache，寫緩存，全功能的MMU虛擬內存管理單元，自帶一個以太網控制器，用DM9000CP以太網控制器擴展第二個網口，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 雙控器狀態轉換圖

3.3 ETH板

ETH板與CPU選用同一款內核，板載64KB雙口RAM，芯片采用美國IDT公司的IDT 7008，它允許2個端口同時讀寫數據，每個端口具有自己獨立的控制總線、地址總線和數據總線，最快存取時間為25 ns。ETH板通過雙口RAM實現與CPU板的數據高速交換，同時板載集成了2個網口和4個串口，適用于外部系統不同的接口方式。

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 接口機數據隔離與交換原理

ETH板上有2個板載網口，分別接入外部系統的雙網網絡，完成與外部系統服務器的數據交換。ETH板上還提供4個串行通信口，可實現與外部系統的串行數據通信。CPU板上有2個板載網口，分別接入內部系統的雙網網絡，完成與內部系統各個服務器及終端的數據交換。

當系統從外部系統接收數據時，ETH板將需要接收的數據提取出來放入雙口RAM指定區域，CPU板到雙口RAM指定區域取出數據，按照協議轉換成系統內部的數據格式，通過網口發送到內部網絡;相反，當系統向外部系統發送數據時，CPU板從內部網絡接收到數據，按照協議轉換成外部的數據格式放入ETH板雙口RAM指定區域，ETH板從指定區域取出數據，通過網口或者串口發送至外部網絡。原理示意圖如圖4所示。

圖4 接口機數據隔離與交換原理

雙口RAM的核心部分是存儲器陣列，用于數據存儲，左右2個端口共用。2個端口同時對同一地址單元存取數據時，采用信號燈鎖存器來實現互鎖，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，每塊存儲區的容量大小任意設置。上電時從雙口RAM的兩側讀到的信號燈鎖存器狀態都是FF，表明兩側都沒有占用雙口RAM，如果一側要占用，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，有效防止外系統基于Windows的病毒感染，禁止特定端口的數據通信，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置采用配置文件修改，提高程序的通用性。

5 結束語

通過高性能的雙口RAM，實現了動車基地調度集中系統內外數據的高速傳輸和隔離，具有實時性好、可靠性高、電路簡單等優點。通過雙機熱備方式的設計，滿足了接口機的穩定性和可維護性，在實際應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，也可用于其他系統中需要網絡安全隔離的環境。

［1］中國鐵道科學研究院通信信號研究所.動車基地調度集中系統技術方案研究報告［R］.2009(8).

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

［3］段武．微機聯鎖雙機熱備系統的研究［J］．中國鐵道科學，1997(9).

［4］姜平，周根榮，肖紅升，季斌．基于雙口RAM的多機數據通信技術［J］．儀表技術與傳感器，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

(責任編輯：張 利)