动车基地调度集中系统安全接口机的设计

程 君 曹桂均 冯 军 闫 石

动车基地调度集中系统安全接口机的设计

程 君 曹桂均 冯 军 闫 石

摘 要：动车基地调度集中系统实现了列车与调车作业计划管理、列车与调车作业自动进路集中控制、动车组位置自动识别与追踪、动车基地作业计划的优化调整等功能。该系统与计算机联锁系统、分散自律调度集中系统、管理信息系统及车号自动识别系统等存在大数据量的信息交互，因此设计开发了一款安全可靠的接口机，实现内外系统的大数据量双向隔离高速传输和协议转换功能。

关键词：动车基地;调度集中系统;接口机;双机热备;双口RAM;数据隔离

程 君：中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员100081 北京

曹桂均：中国铁道科学研究院通信信号研究所 研究员 100081北京

冯 军：中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员100081 北京

闫 石：中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员100081 北京

目前，全路已建成北京、武汉、广州、上海等动车基地，受动车基地运营特点的制约，绝大多数接、发、调车作业需要集中在夜间完成，调度业务繁忙，临时计划较多，自动化程度低，现场工作人员压力大。针对此情况，研发设计了动车基地调度集中系统，实现了列车与调车作业计划管理、列车与调车作业自动化控制、动车组自动识别与追踪等功能。此系统与计算机联锁系统、分散自律调度集中CTC系统、管理信息系统及车号自动识别(AEI)系统等存在大数据量的信息交互，因此，需要设计一款安全、可靠的接口机，实现本系统与外系统的数据双向隔离传输和协议转换功能。

1 功能简介

动车基地调度集中系统与多个不同厂家的系统之间存在着信息交互，其通信协议及通信方式都不尽相同，因此，要实现系统内部程序的通用性，需要接口机具备协议转换功能，按照各个厂家不同的协议及内部协议格式转换成内部数据后发到内部网络，使系统内部各个子系统无需关心外部系统数据格式和协议，只需从内部网络上提取数据并按照内部协议解析。接口机满足各个外部系统设备的不同通信方式，包括各种串行通信和网络通信方式。

动车基地调度集中系统以及与其接口的各个系统作为独立的系统，都不应受到外界的干扰而影响到本系统的安全运行，所以接口机还要保证系统之间的安全隔离，只允许协议规定的数据内容通过，实现安全网络通信，而各个系统与外系统之间的终端或服务器都无法直接互相访问，避免不安全的数据影响各个系统的正常运行。

2 接口机结构设计

动车基地调度集中系统中各个终端以及与其接口的外部系统都是双机热备的方式，接口机作为系统中间的纽带与桥梁，对其稳定性的要求必然也很高，所以也采取双机热备的方式，保证在一台机器出现故障的时候不会影响到整个系统的运行。接口机与外部系统和内部系统的连接均采用交叉互联的方式，即每台接口机与外系统的A、B机连接起来，对外部数据进行处理协议转换和隔离，然后接入内部系统的A、B网，系统内部的各个终端及服务器A、B机均挂入系统A、B网，连接示意图如图1所示。

图1 设备连接示意图

接口机的外部机构采用标准机柜插笼方式，6U高度，便于与其他设备一起集成于机柜中。内部结构由双机控制器、A机、B机三部分构成，双机控制器又包括控制电路板、电源、按钮显示面板，可以实现A、B机的自动和手动切换。A、B机均由1块电源板、1块CPU板和2块ETH板构成，硬件结构完全一致，一台接口机至少可以实现2个不同接口数据通道的传输。结构示意图如图2所示。

图2 接口机结构示意图

3 接口机硬件实现

3.1 双机控制器

双机控制器，简称双控器，用于A机、B机工作选择，同一时间内只有一机处于主用状态，另一机处于备用状态，在主机出现故障时，备机手动或自动切换至主机工作。

双控器面板有“主机正常”、 “备机正常”、“系统故障”3个设备工作状态指示灯， “热备”、“停鸣”2个非自复式按钮用来选择工作方式，“A机主用”、“B机主用”2个自复式按钮用来手动切换工作主机，“应急”旋钮可以让双控器在出现故障时强制切换至某一台机器工作。

正常工作时，A机、B机定时送脉冲信号至双控器，双控器对脉冲信号采样判断其是否处于正常工作状态，然后驱动对应的状态继电器吸合。A、B机主用、备用继电器实现互锁，可靠保证同一时刻只有一台机器处于主用状态。当主机送的脉冲信号超过设定的切换时间，并且机器处于热备状态时则自动倒机，并发出蜂鸣报警声。双控器的状态转换图如图3所示。

3.2 CPU板

CPU板采用ATMEL AT91RM9200内核工业级处理器，独立的16KB指令和16KB数据cache，写缓存，全功能的MMU虚拟内存管理单元，自带一个以太网控制器，用DM9000CP以太网控制器扩展第二个网口，提供隔离的4个串口资源，其中2个串口RS-422、RS-485、RS-232跳线可选。

图3 双控器状态转换图

3.3 ETH板

ETH板与CPU选用同一款内核，板载64KB双口RAM，芯片采用美国IDT公司的IDT 7008，它允许2个端口同时读写数据，每个端口具有自己独立的控制总线、地址总线和数据总线，最快存取时间为25 ns。ETH板通过双口RAM实现与CPU板的数据高速交换，同时板载集成了2个网口和4个串口，适用于外部系统不同的接口方式。

3.4 电源板

电源板提供5 V和12 V直流电源，其中5 V给CPU供电，12 V给IO接口供电。

4 接口机数据隔离与交换原理

ETH板上有2个板载网口，分别接入外部系统的双网网络，完成与外部系统服务器的数据交换。ETH板上还提供4个串行通信口，可实现与外部系统的串行数据通信。CPU板上有2个板载网口，分别接入内部系统的双网网络，完成与内部系统各个服务器及终端的数据交换。

当系统从外部系统接收数据时，ETH板将需要接收的数据提取出来放入双口RAM指定区域，CPU板到双口RAM指定区域取出数据，按照协议转换成系统内部的数据格式，通过网口发送到内部网络;相反，当系统向外部系统发送数据时，CPU板从内部网络接收到数据，按照协议转换成外部的数据格式放入ETH板双口RAM指定区域，ETH板从指定区域取出数据，通过网口或者串口发送至外部网络。原理示意图如图4所示。

图4 接口机数据隔离与交换原理

双口RAM的核心部分是存储器阵列，用于数据存储，左右2个端口共用。2个端口同时对同一地址单元存取数据时，采用信号灯锁存器来实现互锁，防止冲突问题。IDT 7008共有8个信号灯锁存器，所以最多可以把双口RAM划分为8块，每块存储区的容量大小任意设置。上电时从双口RAM的两侧读到的信号灯锁存器状态都是FF，表明两侧都没有占用双口RAM，如果一侧要占用，就写0到这个信号灯锁存器，读回时是0表明可以操作双口RAM，但如果读回时是FF表明对方占用了双口RAM。一方操作完双口RAM后就写1到信号灯锁存器，此时对方才可以占用RAM。

CPU板和ETH板均采用嵌入式ARM LINUX操作系统，有效防止外系统基于Windows的病毒感染，禁止特定端口的数据通信，防止来自不明入侵者的攻击。程序采用arm-linux交叉编译工具编译，不同的通信方式和端口设置采用配置文件修改，提高程序的通用性。

5 结束语

通过高性能的双口RAM，实现了动车基地调度集中系统内外数据的高速传输和隔离，具有实时性好、可靠性高、电路简单等优点。通过双机热备方式的设计，满足了接口机的稳定性和可维护性，在实际应用中取得了很好的效果。此外，本接口机具有良好的可扩展性和移植性，也可用于其他系统中需要网络安全隔离的环境。

［1］中国铁道科学研究院通信信号研究所.动车基地调度集中系统技术方案研究报告［R］.2009(8).

［2］曹桂均，张华．动车基地调度集中系统研究［J］.中国铁路，2012(4).

［3］段武．微机联锁双机热备系统的研究［J］．中国铁道科学，1997(9).

［4］姜平，周根荣，肖红升，季斌．基于双口RAM的多机数据通信技术［J］．仪表技术与传感器，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

(责任编辑：张 利)