基于MODBUS協(xié)議的綜合監(jiān)控與信號系統(tǒng)間接口設(shè)計

崔超，郭進

(西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，成都611756)

基于MODBUS協(xié)議的綜合監(jiān)控與信號系統(tǒng)間接口設(shè)計

崔超，郭進

(西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，成都611756)

參照城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范(GB 50636—2010)，研究綜合監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)在中心、車站和就地級的接口方式，更好地實現(xiàn)互聯(lián)互通和系統(tǒng)間聯(lián)動。中心采用基于Modbus TCP協(xié)議的冗余前置機進行通信，故障后可自動切換從而有效提高系統(tǒng)可靠性，就地級采用緊急后備盤硬線連接信號設(shè)備。詳細并超前設(shè)計出系統(tǒng)在中心的傳輸點類表，實現(xiàn)列車、站臺、供電區(qū)、火災報警以及客流預警等消息的傳輸，為實際現(xiàn)場和實驗室仿真條件下的系統(tǒng)間接口開發(fā)提供借鑒。

城市軌道交通;綜合監(jiān)控;信號系統(tǒng);接口設(shè)計;互聯(lián);Modbus TCP

截至2016年2月，我國內(nèi)地申報軌道交通(地鐵、輕軌)獲得批復的城市已經(jīng)達到40座，其中信號控制系統(tǒng)是保障列車運行效率和安全性的有效措施，同時為了更好地提高軌道交通運營效率和管理水平，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的信息和資源共享，需要提供一個綜合的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，即綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)［12］。目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)在城市軌道交通中的應用越來越廣泛。

考慮到安全等因素，綜合監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)目前普遍采用的接口方式為互聯(lián)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)對信號系統(tǒng)只監(jiān)視而不控制。研究兩者的接口設(shè)計并完善互傳信息內(nèi)容，對于現(xiàn)場設(shè)計和實驗仿真具有重要的參考意義。

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)模式及構(gòu)成

綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個集成和互聯(lián)了眾多子系統(tǒng)的信息共享平臺，它將各種設(shè)備信息和運營管理信息綜合并加以利用，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的模式聯(lián)動控制，為現(xiàn)場設(shè)備的統(tǒng)一維修和控制提供可靠的數(shù)據(jù)及技術(shù)保證［3］。綜合監(jiān)控采用中心級、車站級兩級管理及中心級、車站級、就地級三級控制的運營管理模式［4］，具有正常工作、災害工作和維修工作等基本工作模式。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)中子系統(tǒng)的連接方式主要有互聯(lián)和集成兩種方式［5］?；ヂ?lián)是綜合監(jiān)控系統(tǒng)與子系統(tǒng)間為松耦合，子系統(tǒng)具有完整的操作界面和獨立的傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以脫離綜合監(jiān)控系統(tǒng)獨立運行。集成是將子系統(tǒng)的功能完全納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，具有緊耦合關(guān)系，子系統(tǒng)不具有獨立的傳輸網(wǎng)絡(luò)［6］。

綜合監(jiān)控子系統(tǒng)主要有電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(CCTC)、火災報警系統(tǒng)(FAS)、站臺門系統(tǒng)(PSD)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、廣播系統(tǒng)(PA)、乘客信息系統(tǒng)(PIS)、時鐘系統(tǒng)(CLK)、信號系統(tǒng)(SIG)以及不間斷電源系統(tǒng)(UPS)等。

根據(jù)城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范要求，PSCADA、BAS應集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中;FAS可以根據(jù)技術(shù)條件集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中;PA、CCTV、PIS、FAS、AFC、CLK、PSD、SIG等互聯(lián)接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)中［7］。

ATS(列車運行監(jiān)控系統(tǒng))雖不是故障安全系統(tǒng)，但由于與故障安全系統(tǒng)ATP(列車運行防護)系統(tǒng)等進行信息交互，故需滿足SIL2安全等級。如果將ATS系統(tǒng)完全集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)直接負責行車調(diào)度指揮和信號設(shè)備監(jiān)督控制，則存在一定安全風險;同時目前各信號系統(tǒng)開發(fā)商產(chǎn)品設(shè)計方案并無標準規(guī)范，平臺之間的整合開發(fā)具有一定的難度［8］，有些線路是開通運營一段時間后才接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)，而信號系統(tǒng)是線路開始運營的必備子系統(tǒng)，因此目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)與ATS之間普遍采用互聯(lián)方式。

2 M odbus協(xié)議介紹

Modbus協(xié)議是現(xiàn)場工作控制領(lǐng)域中應用最廣泛的通信協(xié)議之一。Modbus采用主從通信方式，主設(shè)備(master)主動查詢或操縱從設(shè)備(slave)，從設(shè)備進行適當動態(tài)響應。主設(shè)備主要包含工控機和設(shè)備控制器等，從設(shè)備主要有PLC可編程控制器等［9］。

自1979年Modbus協(xié)議應用于工業(yè)現(xiàn)場以來，成千上萬的現(xiàn)場設(shè)備之間可以實時、穩(wěn)定地相互通信。互聯(lián)網(wǎng)組織宣布也可以使TCP/IP棧上保留的502端口訪問［10］。Modbus TCP就是簡單地將Modbus幀嵌入到TCP幀中，TCP/IP的請求/應答機制能和Modbus本身的主/從機制很好地配合工作。在本設(shè)計中綜合監(jiān)控與ATS在中心采用基于Modbus TCP的協(xié)議進行數(shù)據(jù)接口。圖1為Modbus對應于編程中的通信請求響應模型。

圖1 Modbus通信請求響應模型Fig.1 Themodel of Modbus communication request response

使用Modbus TCP協(xié)議通信時，報文中會包含MBAP頭和Modbus Data。Modbus Data包含功能碼、寄存器起始、終止地址以及傳輸數(shù)據(jù)等。在設(shè)計中可根據(jù)需要使用特定的功能代碼，具體格式可參照文獻［10］。

Modbus TCP/IP技術(shù)以其可靠、實時、開放、穩(wěn)定、交互性好等優(yōu)勢在城市軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛應用。采用Modbus協(xié)議易跨平臺連接，實現(xiàn)雙機冗余結(jié)構(gòu)，可用性和可維護性強［11］，因此目前的信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間的接口普遍基于Modbus協(xié)議通信。

3 ISCS與信號系統(tǒng)的接口設(shè)計

信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控的接口設(shè)計如圖2所示［12］，在中心、車輛段備用中心和車站存在系統(tǒng)間接口［13］。

圖2 ISCS與SIG間接口設(shè)計示意Fig.2 Interface design between ISCS and SIG

中心處采用冗余前置機(FEP)與接口交換機相連形成交叉互聯(lián)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)與信號系統(tǒng)(SIG)冗余的前置機分別運行于主從模式，且同一時刻只有運行于主模式下的接口前置機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)才有效。在Modbus TCP協(xié)議中將ISCSFEP設(shè)為客戶端，并以周期500 ms對SIG進行狀態(tài)輪詢，SIG FEPA根據(jù)信號端中心實時服務器中的設(shè)備狀態(tài)信息進行動態(tài)響應。當SIG需獲取ISCS信息時則將請求標志置位，ISCS會依據(jù)綜合監(jiān)控端中心實時服務器中的設(shè)備狀態(tài)信息進行回復。在ISCS與SIG各自的系統(tǒng)內(nèi)部，冗余前置機之間會以一定周期發(fā)送心跳檢測報文來獲取對方的運行狀態(tài)，當從機一定周期內(nèi)未獲取主機心跳報文或報文連續(xù)嚴重錯誤時，則從機接替主機并提示報警信息，此時原從機升級為主機，并依據(jù)中心實時服務器中存儲的數(shù)據(jù)進行初始化后正式與對方的主機進行信息傳輸;對于系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)檢測，由于Modbus協(xié)議是基于消息響應機制的，這種機制可以方便進行目標設(shè)備故障狀態(tài)檢測，在一定周期內(nèi)若ISCS未獲取響應或SIG未獲得輪詢則可認為目標機處于通信故障狀態(tài)，此時應輸出報警信息并顯示到各自界面中。為保證系統(tǒng)在故障發(fā)生時傳輸?shù)男畔⑷匀粸橛行?shù)據(jù)，應確保ISCS與SIG的內(nèi)部和系統(tǒng)間的信息同步。在時間同步方面利用冗余的時鐘系統(tǒng)為ISCS和SIG提供統(tǒng)一的基準時間，保障信息的準確性和實時性;在系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)同步方面采用域控制方式，控制中心設(shè)置中心域存儲全線設(shè)備信息，在設(shè)備集中車站設(shè)置車站域，存儲屬于本設(shè)備集中站的相關(guān)數(shù)據(jù)。在正常運行模式下，綜合監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)之間的交互信息以中心接口處傳輸?shù)膬?nèi)容為準，中心在獲取對方更新狀態(tài)后將信息存儲于本中心實時服務器中，并將其更新轉(zhuǎn)發(fā)至各自系統(tǒng)內(nèi)對應的車站實時服務器中，當中心網(wǎng)絡(luò)故障無法實現(xiàn)系統(tǒng)間在中心接口的信息傳輸時，應輸出報警信息并手動或自動切換至車站交互模式，交互信息以存儲于車站實時服務器的信息為準，并利用車站FEP進行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸。

為簡化系統(tǒng)間設(shè)計，綜合監(jiān)控系統(tǒng)、信號系統(tǒng)的車輛段備用中心以及車站間網(wǎng)絡(luò)采用單前置機作為后備模式傳輸，并采用網(wǎng)絡(luò)接口方式，傳遞包括列車、站臺、區(qū)段等信息，其余信號設(shè)備(信號機、計軸設(shè)備)的信息可以作為預留。

在車站，ISCS就地級控制系統(tǒng)采用緊急后備盤(IBP)控制方式，與信號系統(tǒng)間采用硬線連接方式，可直接下達指令到車站設(shè)備，如扣車、放行、緊急停車等與信號系統(tǒng)相關(guān)的指令［14］。

4 接口傳輸內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)2010年住建部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50636—2010)中要求，綜合監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)間傳輸?shù)男畔熊囆畔?、阻塞信息以及通道檢測信息并進行顯示。宜根據(jù)信號系統(tǒng)提供的列車實際運行信息，將其接入到PA和PIS中進行顯示，綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以進行與列車有關(guān)的聯(lián)動。在車站控制室內(nèi)，綜合后備盤上應設(shè)有列車運行系統(tǒng)的緊急停車、扣車和放行開關(guān)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)應向信號系統(tǒng)傳輸供電區(qū)帶電信息、站臺火災報警信息、乘客信息等，以使信號系統(tǒng)自動或手動按照應急運營操作規(guī)程進行相應的操作。

信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)在獲取對方信息后，當檢測到故障發(fā)生時，會根據(jù)應急處理規(guī)范自動或手動聯(lián)動相關(guān)設(shè)備，如綜合監(jiān)控系統(tǒng)檢測到信號系統(tǒng)發(fā)送的列車區(qū)間阻塞信息時，會根據(jù)列車所在運行區(qū)間進行聯(lián)動，開啟區(qū)間通風和照明系統(tǒng)，切換CCTV畫面，利用PA與 PIS通告乘客，并通知維修人員盡快到位恢復故障。

根據(jù)GB50636—2010設(shè)計規(guī)范中要求的傳輸信息，接口間傳輸?shù)男畔Ⅻc類表設(shè)計如表1所示，假設(shè)線路中共有n輛車，m個站臺。

表1 接口傳輸信息Tab.1 Interface transfer information

_____續(xù)表

因信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)在實際開發(fā)中通常由不同廠家分別開發(fā)后再合并聯(lián)調(diào)，因此各方在單獨開發(fā)時，可借助Modbus poll/slave模擬軟件進行輔助測試驗證結(jié)果，以縮短后期的聯(lián)調(diào)周期。按照本文設(shè)計的傳輸格式，假設(shè)現(xiàn)行線路中有2列車15個站臺，信號端采用程序設(shè)計，綜合監(jiān)控端借助輔助軟件模擬，最終輪詢結(jié)果顯示如圖3所示。

圖3 綜合監(jiān)控輪詢信號系統(tǒng)結(jié)果Fig.3 Results of ISCS polling SIG

5 總結(jié)與展望

本文主要介紹了目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)和信號系統(tǒng)間的接口，并對中心的接口進行了詳細設(shè)計，對于車站的硬線接口，可采用直連的方式對信號設(shè)備進行控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已有大量關(guān)于信號系統(tǒng)集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的研究。將ATS集成到綜合監(jiān)控系統(tǒng)中將是未來軌道交通自動化發(fā)展的趨勢，香港、新加坡及一些軌道交通發(fā)達的城市對于綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成ATS已有成功運營的案例。

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(編輯:王艷菊)

Design of Interface Based on Modbus TCP Protocol between the Integrated Supervision and Control System and the Signal System

Referring to Code for design of urban rail transit integrated supervision and control system engineering(GB50636 2010)，this paper studies the types of interface between the integrated supervision and control system and the signal system at the center，station and local levels，aiming to achieve better connectivity and interoperability.Redundant communication based on Modbus TCPprotocolat center stage improves system reliability effectively，which can automatically switch after failure.At the local level，the integrated backup panel connects signal equipment via hardwire.An advanced and detailed point class tablewas proposed to realize information transmission，including trains，stations，power supply areas，fire alarm and passenger flow warning，etc.

urban rail transit;integrated supervision and control system;signal system;interface design;interconnection;Modbus TCP

CUIChao，GUO Jin
(School of Information Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756)

U231.7

A

1672- 6073(2017)02- 0082- 04

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.016

2016- 03 13

2016 03 30

崔超，男，碩士研究生，城市軌道交通信號研究方向，ccydg j@163.com

中國鐵路總公司科研計劃重大課題(2013X012- A- 1，2013X012 A 2，2014X008 A)