磁浮列车车载信号监测系统软件设计与实现

徐 伟

国内正在运营的长沙磁浮列车车载信号设备是基于通信的列车控制系统核心控制设备，包括完整的ATO（列车自动驾驶）、ATP（列车自动防护）、BTM（应答器传输模块）、TIU（列车接口单元）和TRU（列车无线单元）等子系统［1］。各子系统之间实时完成内部的逻辑运算，通过通信网络进行信息交互，外部无法获取相关信息［2］。磁浮列车一方面由于没有轮轨，车载设备使用的传感器种类繁多，对信号板卡输入/输出的精准度要求较高；另一方面，既有信号制式为点-连式，车载设备与地面设备的信息交互不连续。为了掌握车载信号设备的运行状况，实时监测测速和定位等相关设备，确保实现车载信号设备故障报警及状态数据的实时传输显得尤为必要［3］。

目前，车载信号设备的采集、监测、预警等数据多是存储在车载装置中，数据分别获取、独立记录，部件性能下降或发生异常报警时，需要事后分析各部件的独立日志，无法满足列车的可用性原则［4］。因此，设计磁浮列车车载信号监测系统（以下简称“监测系统”）时，需要根据既有信号系统中重要信息的编码规则和信息定义，从中提取出系统运行的即时事件信息和参数变化趋势，对车载设备的运行状况进行全方位的即时分析与数据存储回放，以便对重要部件的性能做出预判。在数据周期同步方面，该监测系统还可实现多设备数据周期的一致性，保证了数据、时间、类别的一一对应，便于数据的实时展示。

本文从软件功能的角度，重点对监测系统的软件总体架构、车载和地面设备通信接口功能，以及软件测试方法等进行详细介绍。

1 监测系统架构

监测系统是由车载设备和地面设备共同构成［5］。车载端使用TIU/BTM 车载适配接口主机获取车载信号数据，并将采集的信号数据通过4G 公网送达地面天馈配件，使用运营商网络送入地面中心设备机房，由地面服务器运行监测维护系统接口单元进行协议处理，将最终结果发送至地面监测终端，呈现给操作用户。磁浮列车车载信号监测系统架构见图1。

图1 磁浮列车车载信号监测系统架构

监测系统中车载端的设备均为新增设备，基本构架见图2。单端包括TIU/BTM 车载适配接口主机、4G 通信模块、车载交换机和天馈系统，首、尾两端配置一致。通过有线网络与既有车载信号设备（BTM 主机和TIU 主机）连接，数据为单向传输，不影响既有车载信号设备安全。

图2 磁浮列车车载信号监测系统车载端架构

作为监测系统车载端的核心设备，TIU/BTM车载适配接口主机主要是将所有车载信号数据按照协议提取和处理，发送至4G 通信模块。其中提取的数据主要涉及测速测距信息、板卡状态信息，以及司机操作信息（门模式选择、ATO 模式选择和驾驶等级）等［6］。该主机具有一定的存储能力，能够通过图表和点位显示状态信息，并生成统计报表。数据通过加密和压缩后，经移动运营商的4G 网络进行多对一的专网数据传输，为此，在地面接收端，还专门配置了监测维护系统接口单元主机。

设备接口层面，通过1 台车载一体交换机，将TIU/BTM 车载适配接口主机和既有的TIU网络通信板、BTM 维护板连接，所有板卡均具备网络通信功能。

整个研发流程采用了成熟的平台软件，开发了实时处理的应用程序，对车载和地面的业务数据和配置文件进行单独存储。下文将重点介绍TIU/BTM车载适配接口主机的应用软件功能。

2 TIU/BTM 车载适配接口主机总体设计

TIU/BTM 车载适配接口主机从功能上，分为操作系统层、驱动层和功能模块层，如图3所示。

图3 TIU/BTM 车载适配接口主机功能模块图

底层操作系统采用包含显示界面的Linux Ubuntu 系统，通过多任务机制和进程调度功能，简化程序的编写工作。

中间驱动层主要实现以太网卡硬件设备的驱动和4G 通信模块的通信功能。设置了上电启动的驱动文件，可完成设备初始化和自检步骤。当系统中断或异常时，将结果记录在日志文件中。

上层为功能模块层，包括数据处理引擎、配置管理、日志管理、数据通信协议、链路状态监控等模块，主要完成采集信号、内容解析、状态监控与日志记录等功能［7］，可将车载信号系统数据传输至移动终端。

2.1 数据处理引擎

TIU/BTM 车载适配接口主机中的数据处理引擎软件开发遵循了标准化、通用化和模块化的原则，分为数据处理模块、内容解析模块和人机接口模块3部分。

1）数据处理模块是该软件的核心部分，实现对其他软件模块的调用。各模块的调用时机以及模块之间的数据传递，由主程序模块来控制与实现。数据处理模块流程图见图4。

由图4可知，数据处理模块由4个主进程组成，分别为2 个数据接收处理进程、1 个发送进程和1 个定时进程。父进程用来执行系统调用产生子进程，完成系统注册、读取配置文件、初始化网络拨号、系统运行状态提示，以及系统错误记录等工作。产生的子进程分为3 类：①信息接收处理进程，用于对车载ATO和ATP的数据进行审核、过滤和组包等；②信息发送处理进程，用于对信息的时序判断，从上级进程中获取数据和发送，以及驱动操作；③系统进程，用于侦测各进程模块的工作状态。

图4 车载监测系统数据处理模块流程图

2）内容解析模块。车载业务数据可以按照以下2 个层次进行分类：①选择信息单元类型，通过集中监测子系统软件分析出车载信号设备所涉及到的速度、位置、制动力、加速度、设备通信状态等动态信息单元类型，并将各类型数据分类重新组包；②选择信息单元来源，即该信息单元取自哪个车载信号子系统，并从每类数据中抽取设备状态数据，如ATP、ATO、BTM 和TIU 数据。其中，由于BTM 数据不区分车号，需要在TIU/BTM 车载适配接口主机上，将TIU 车号信息绑定到BTM数据中，以便区分BTM 数据，该绑定过程是在软件中处理完成的。

3）人机接口模块。主要完成功能：①分析结果的显示；②查找条件的输入；③系统运行状态的显示。由于车载设备端不具备显示屏，因此通过应用端软件在图表和统计报表中完成数据的分析和显示，车载端仅发送必要的协议数据。设备的运行状态通过设备自身的点位显示状态来判断。

2.2 数据通信协议模块

车载ATO、ATP、BTM、TIU 和集中监测子系统之间基于统一的通信平台进行信息交互，该通信平台具有内部统一的帧格式定义。在实际应用过程中，由TIU/BTM 车载适配接口主机以及地面接口机负责将外部协议转换为内部协议格式，由集中监测子系统对外部ATP/ATO/BTM 协议进行仿真，保证内部协议的统一性。

基于原有的TIU内部通信协议，监测系统主要考虑增加的协议包括：①与ATP的通信协议；②与ATO的通信协议；③与BTM的通信协议。

为了描述数据通信协议模块对象内部的信息交互过程，采用序列图的方式，按时间每个分类角色显示一条生命线，生命线间的箭头则是传递的消息。图5 描述了车载数据通信协议模块的工作时序关系。其中，对象间动态关系如下：①控制模块向BTM 模块和TIU 模块发送配置命令，设定本机工作配置信息；②TIU 模块根据配置信息，选择本端的ATP 或ATO 数据包，通过网络发送至交换机；③BTM 模块将本端的硬件状态包和数据包，以定时或不定时方式，通过网络发送至交换机；④TIU/BTM 车载适配接口主机从交换机接收数据包，按照与TIU 的内部通信协议进行组包。

图5 车载数据通信协议模块的工作时序关系

2.3 日志管理模块

任何系统在日常应用中都离不开过程数据记录，数据记录是排查问题的一个重要依据［8］。车载信息通过TIU/BTM 车载适配接口主机软件处理后，存储到本机数据卡中。由于存储空间有限和高效读取数据文件的要求，以纯文本形式存储表格数据；同时，由于不同子系统的数据通信周期不一致，为了避免单个类实时存储造成数据量大的问题，采用了定时存储数据的方式，以h 为单位，根据配置自动删除历史记录，且为了避免存储文件过大出现无法读取的现象，设定了单文件不超过200 MB的限制。

2.4 底层驱动模块

底层驱动模块涉及系统外置的硬件，主要是4G通信PCIe模块。该模块是连接物与物的重要载体，是终端设备接入网络的核心部件之一，在获取模块Linux内核驱动程序的基础上，通过在Linux系统内核源码中添加模块驱动，重新配置内核，编译源码实现正确的驱动配置。在启动信息中，还需要编写自动拨号联网软件，实现模块的自启动连接操作。

3 软件测试

为实现对监测系统软件的测试，设计了测试环境软件，测试环境软件组成见图6。通过配置A、B 网段，运行各自的模拟数据程序，采用黑盒测试方法检验软件功能和性能是否符合设计要求［9］。

图6 测试环境软件

3.1 软件功能测试

针对车载软件，编制了全功能测试案例和故障案例，并将记录数据和输入条件比对，使软件接口功能满足系统设计要求。

软件功能测试范围包含车载接口主机、服务器和显示终端。

在实车测试环境中进行了以下测试：①TIU适配接口软件的正确性；②数据链路状态；③信号系统车载设备工作状态；④A/B 网通信状态；⑤日志数据分析；⑥无线传输软件的正确性；⑦BTM数据分析。

对于功能项点，通过操作改变车载信号设备状态，在地面监测系统界面中查看操作结果是否与车载操作一致，来检验功能的一致性。

测试结果显示：车地网络通信正常，数据接收正常；对通信设备进行通断测试后，现场产品通信功能状态良好，能够满足车地数据通信的要求；对监测接口数据内容进行检查，发现车地数据经过传输正确无误，显示正常。

3.2 软件性能测试

将TIU 适配接口软件、BTM 适配接口软件和车载接口主机软件同时运行在终端测试机上，主要验证和测试了相关性能案例。在双网合理发包速率的前提下，通过相关系统调整和优化，获取对应的数据记录文件，可以保证数据的周期正确率。

将地面接口机软件和集中监测系统软件运行在既有的工控机上，所有测试结果均为通过，满足了多种类型数据的处理效率要求。

4 结论

本文从多角度阐述了监测系统的通信和应用软件的设计方法，采取了从模块到系统，从车载到地面逐步深入的技术路线；从软件功能流程、操作时序、协议内容等方面进行了开发，并已得到实际应用。该监测系统实现了对车载信号设备的监测和维护功能，提高了对车载信号设备的可视化监测程度，后期将不断加强数据分析功能应用，丰富监测界面，进一步提升用户实际使用体验。