磁浮列車車載信號監測系統軟件設計與實現

關鍵詞：磁浮列車;車載設備;信號監測

一、緒論

國內正在運營的長沙磁浮列車車載信號設備是基于通信的列車控制系統核心控制設備，包括完整的ATO（列車自動駕駛）、ATP（列車自動防護）、BTM（應答器傳輸模塊）、TIU（列車接口單元）和TRU（列車無線單元）等子系統。各子系統之間實時完成內部的邏輯運算，通過通信網絡進行信息交互，外部無法獲取相關信息。磁浮列車一方面由于沒有輪軌，車載設備使用的傳感器種類繁多，對信號板卡輸入/輸出的精準度要求較高;另一方面，既有信號制式為點-連式，車載設備與地面設備的信息交互不連續。

目前，車載信號設備的采集、監測、預警等數據多是存儲在車載裝置中，數據分別獲取、獨立記錄，部件性能下降或發生異常報警時，需要事后分析各部件的獨立日志，無法滿足列車的可用性原則。因此，設計磁浮列車車載信號監測系統（以下簡稱“監測系統”）時，需要根據既有信號系統中重要信息的編碼規則和信息定義，從中提取出系統運行的即時事件信息和參數變化趨勢，對車載設備的運行狀況進行全方位的即時分析與數據存儲回放，以便對重要部件的性能做出預判。在數據周期同步方面，該監測系統還可實現多設備數據周期的一致性，保證了數據、時間、類別的一一對應，便于數據的實時展示。

本文從軟件功能的角度，重點對監測系統的軟件總體架構、車載和地面設備通信接口功能，以及軟件測試方法等進行詳細介紹。

二、 監測系統架構

監測系統是由車載設備和地面設備共同構成。車載端使用TIU/BTM車載適配接口主機獲取車載信號數據，并將采集的信號數據通過4G公網送達地面天饋配件，使用運營商網絡送入地面中心設備機房，由地面服務器運行監測維護系統接口單元進行協議處理，將最終結果發送至地面監測終端，呈現給操作用戶。

監測系統中車載端的設備均為新增設備，單端包括TIU/BTM車載適配接口主機、4G通信模塊、車載交換機和天饋系統，首、尾兩端配置一致。通過有線網絡與既有車載信號設備（BTM主機和TIU主機）連接，數據為單向傳輸，不影響既有車載信號設備安全。

作為監測系統車載端的核心設備，TIU/BTM車載適配接口主機主要是將所有車載信號數據按照協議提取和處理，發送至4G通信模塊。其中提取的數據主要涉及測速測距信息、板卡狀態信息，以及司機操作信息（門模式選擇、ATO模式選擇和駕駛等級）等。

設備接口層面，通過1臺車載一體交換機，將TIU/BTM車載適配接口主機和既有的TIU網絡通信板、BTM維護板連接，所有板卡均具備網絡通信功能。

整個研發流程采用了成熟的平臺軟件，開發了實時處理的應用程序，對車載和地面的業務數據和配置文件進行單獨存儲。下文將重點介紹TIU/BTM車載適配接口主機的應用軟件功能。

三、TIU/BTM車載適配接口主機總體設計

（一）TIU/BTM車載適配接口主機功能分類

TIU/BTM車載適配接口主機從功能上，分為操作系統層、驅動層和功能模塊層。

底層操作系統采用包含顯示界面的Linux Ubuntu系統，通過多任務機制和進程調度功能，簡化程序的編寫工作。

中間驅動層主要實現以太網卡硬件設備的驅動和4G通信模塊的通信功能。設置了上電啟動的驅動文件，可完成設備初始化和自檢步驟。當系統中斷或異常時，將結果記錄在日志文件中。

上層為功能模塊層，包括數據處理引擎、配置管理、日志管理、數據通信協議、鏈路狀態監控等模塊，主要完成采集信號、內容解析、狀態監控與日志記錄等功能，可將車載信號系統數據傳輸至移動終端。

（二）數據處理引擎

TIU/BTM車載適配接口主機中的數據處理引擎軟件開發遵循了標準化、通用化和模塊化的原則，分為數據處理模塊、內容解析模塊和人機接口模塊3部分。

數據處理模塊是該軟件的核心部分，實現對其他軟件模塊的調用。各模塊的調用時機以及模塊之間的數據傳遞，由主程序模塊來控制與實現。數據處理模塊由4個主進程組成，分別為2個數據接收處理進程、1個發送進程和1個定時進程。數據接收處理進程用來執行系統調用產生子進程，完成系統注冊、讀取配置文件、初始化網絡撥號、系統運行狀態提示，以及系統錯誤記錄等工作。

內容解析模塊。車載業務數據可以按照以下2個層次進行分類：（1）選擇信息單元類型，通過集中監測子系統軟件分析出車載信號設備所涉及的速度、位置、制動力、加速度、設備通信狀態等動態信息單元類型，并將各類型數據分類重新組包;（2）選擇信息單元來源，即該信息單元取自哪個車載信號子系統，并從每類數據中抽取設備狀態數據，如ATP、ATO、BTM和TIU數據。

人機接口模塊。主要完成功能：分析結果的顯示;查找條件的輸入;系統運行狀態的顯示。由于車載設備端不具備顯示屏，因此通過應用端軟件在圖表和統計報表中完成數據的分析和顯示，車載端僅發送必要的協議數據。設備的運行狀態通過設備自身的點位顯示狀態來判斷。

（三）數據通信協議模塊

車載ATO、ATP、BTM、TIU和集中監測子系統之間基于統一的通信平臺進行信息交互，該通信平臺具有內部統一的幀格式定義。在實際應用過程中，由TIU/BTM車載適配接口主機以及地面接口機負責將外部協議轉換為內部協議格式，由集中監測子系統對外部ATP/ATO/BTM協議進行仿真，保證內部協議的統一性。

基于原有的TIU內部通信協議，監測系統主要考慮增加的協議包括：與ATP的通信協議;與ATO的通信協議;與BTM的通信協議。

（四）日志管理模塊

任何系統在日常應用中都離不開過程數據記錄，數據記錄是排查問題的一個重要依據。車載信息通過TIU/BTM車載適配接口主機軟件處理后，存儲到本機數據卡中。由于存儲空間有限和高效讀取數據文件的要求，以純文本形式存儲表格數據;同時，由于不同子系統的數據通信周期不一致，為了避免單個類實時存儲造成數據量大的問題，采用了定時存儲數據的方式，以h為單位，根據配置自動刪除歷史記錄，且為了避免存儲文件過大出現無法讀取的現象，設定了單文件不超過200 MB的限制。

（五）底層驅動模塊

底層驅動模塊涉及系統外置的硬件，主要是4G通信PCIe模塊。該模塊是連接物與物的重要載體，是終端設備接入網絡的核心部件之一，在獲取模塊Linux內核驅動程序的基礎上，通過在Linux系統內核源碼中添加模塊驅動，重新配置內核，編譯源碼實現正確的驅動配置。在啟動信息中，還需要編寫自動撥號聯網軟件，實現模塊的自啟動連接操作。

四、軟件測試

（一）軟件功能測試

為實現對監測系統軟件的測試，設計了測試環境軟件，測試環境軟件通過配置A、B網段，運行各自的模擬數據程序，采用黑盒測試方法檢驗軟件功能和性能是否符合設計要求。

針對車載軟件，編制了全功能測試案例和故障案例，并將記錄數據和輸入條件比對，使軟件接口功能滿足系統設計要求。

軟件功能測試范圍包含車載接口主機、服務器和顯示終端。

在實車測試環境中進行了以下測試：TIU適配接口軟件的正確性;數據鏈路狀態;信號系統車載設備工作狀態;A/B網通信狀態;日志數據分析;無線傳輸軟件的正確性;BTM數據分析。

測試結果顯示：車地網絡通信正常，數據接收正常;對通信設備進行通斷測試后，現場產品通信功能狀態良好，能夠滿足車地數據通信的要求;對監測接口數據內容進行檢查，發現車的數據經過傳輸正確無誤，顯示正常。

（二）軟件性能測試

將TIU適配接口軟件、BTM適配接口軟件和車載接口主機軟件同時運行在終端測試機上，主要驗證和測試了相關性能案例。在雙網合理發包速率的前提下，通過相關系統調整和優化，獲取對應的數據記錄文件，可以保證數據的周期正確率。

將地面接口機軟件和集中監測系統軟件運行在既有的工控機上，所有測試結果均為通過，滿足了多種類型數據的處理效率要求。

四、結語

本文從多角度闡述了監測系統的通信和應用軟件的設計方法，采取了從模塊到系統，從車載到地面逐步深入的技術路線;從軟件功能流程、操作時序、協議內容等方面進行了開發，并已得到實際應用。該監測系統實現了對車載信號設備的監測和維護功能，提高了對車載信號設備的可視化監測程度，后期將不斷加強數據分析功能應用，豐富監測界面，進一步提升用戶實際使用體驗。

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作者簡介：馬瑞，女，本科，研究方向：城市軌道交通信號。