上海轨道交通2号线车载安全数据监控系统的研制

2012-01-16施聪

城市轨道交通研究 2012年3期

施聪

（上海轨道交通维护保障中心通号公司，200331，上海∥工程师）

近年来，随着城市轨道交通的大力发展，也相应地对维护保障工作提出了更高的要求。自从ATC（Automatic Train Control，列车自动控制）系统投入使用以来，由于合同和技术保密的原因，并没有向运营方提供与运营相关的关键设备和系统的技术参数。目前车载信号系统中有关ATC数据只能记录在系统CPU板的EEPROM（电可擦写可编程只读处理器）内，由于EEPROM的容量有限，只提供了短时间内简单保存一些最终事件记录报告的功能而没有中间变量的监控，因而在设备发生故障特别是瞬间出现故障时，使得维护人员找不到故障原因和解决问题的依据，造成故障定位困难，故障处理时间长。因此，有必要对车载ATC系统有关的关键信息，特别是安全信息进行长时间的实时监控和记录，并且要求能对数据进行图形化显示，以方便分析处理。本文介绍一种应用于上海轨道交通2号线的车载安全数据监控系统。

1 车载安全数据监控系统的总体设计

该系统总体分为两个部分：车载记录板卡和上位机回放分析软件。车载记录板卡将数据存储在大容量的SD卡中；上位机回放分析软件则通过读卡器直接在PC端读取数据，进行显示和分析。

车载记录板卡总体结构设计思路为：从车载ATC设备上下载ATO（Automatic Train Operation，列车自动运行）、ATP （Automatic Train Protection，列车自动保护）的数据，并保存在大容量的SD卡中。要求车载记录板卡符合列车车头机架尺寸，可在机架上插拔，便于安装。其整体结构框图如图1所示。

图1 车载记录板卡整体结构框图

数据回放分析软件的总体结构设计思路为：以基础资源库为基石，以接口平台为运行支撑，以回放基础功能为中心，建立系统架构，并在此系统架构的支持下开发软件。软件的体系结构包括资源库、接口平台和回放系统框架（如图2所示）。

图2 分析与回放软件的体系结构图

2 车载记录板卡的硬件设计

2.1 ATC数据接收模块

车载ATC设备接口为标准的RS232串口（DB9接头），波特率为19 200。车载记录板卡设有两个串口接收端，分别用于接收ATC设备中的ATP数据和ATO数据。内部使用adm202e电平转换芯片，其可靠性高，可以在－40℃～85℃内正常工作，并且有15kV以内的静电保护，能防止雷电等带来的干扰和损害。

2.2 SD卡存储模块

由于SD卡的正常工作电压为3.3V，而单片机ATmega128工作在5V电压下，若直接将单片机和SD卡连接将有可能损坏SD卡，所以需要进行合适的5V－3.3V的电平转换电路。SD卡工作在SPI（串行外设接口）模式。

74LVC245芯片完成从5V到3.3V的转换。74LVC245芯片的3.3V供电电压由 AMS1117－3.3芯片从5V转换得到。与单片机连接的MOSI（主机输出、从机输入）、SCK（时钟信号）、SDCS（SD芯片选择）的5V电平通过74LVC245转换为3.3V输出。而与SD卡连接的S＿MISO（主机输入、从机输出）的3.3V电平通过74LVC245输出仍为3.3V。对于工作在5 V电压下的单片机而言，3.3V输入仍然能够识别为高电平。所以，通过74LVC245芯片转换后主机和SD卡双向都能够正常工作。

2.3 电源模块

列车机车电源为110V直流电源，必须通过DC—DC（直流—直流）转换成5V电压。如图3所示，LC1为扼流圈，滤除110V中的高频交流成分；ZLQ为整流堆，起反接保护。DC110S05芯片为DC 110～5V的电源转换模块，输出为5V直流。

图3 电源转换电路

3 车载记录板卡的软件设计

3.1 数据存储方式

串口接收采用中断方式，带有1k字节缓存。缓存用FIFO（先进先出）的环形队列结构。SD卡读写方式为单扇区读写，512字节为一个扇区，即必须到达512字节数据量才开始一个扇区的写操作。

由于采集的数据实时性要求较高，只要发送开始命令后数据就将以19 200波特率的速度不停发送。而文件系统在簇处理上需要寻找空扇区以建立文件簇链，往往在不连续的空扇区中将占用几十ms到上百ms不等。所以串口的通信模块中带有1kB的缓存，能够为文件系统的处理时间争取427ms左右的时间，可有效防止数据的意外溢出导致数据丢失。

3.2 数据采集记录程序

程序开始时，循环检测SD卡；一旦SD卡插入卡槽后或SD卡已在卡槽中，就开始SD卡初始化，进入SPI工作模式；初始化成功后，即装载文件系统，读取当前时间，建立当天的文件夹；随后向ATC设备发送开始接收命令。此时ATC设备将通过串口发送数据给车载监控板卡，程序进入主循环。具体流程见图4。

3.3 ATC设备掉线检测

由于ATC设备有时会故障重启或人为关闭，所以需要检测ATC设备掉线情况。正常工作时，ATC设备将以400ms为间隔连续不断地发送列车运行时的数据；如果遇到5s内没有收到任何数据时，表明掉线发生，则应重新向ATC设备发送开始接收命令。

掉线检测的具体流程如下：串口缓存设置一个计数器，指示当前缓存中的数据量。当从缓存中取走一个字节数据时，计数器减一。相反，当串口接收一个字节数据到缓存中，计数器加一。当计数器减为0时，表明数据缓冲区当前为空，进入循环检测。如果在5s内缓存区依旧为空，关闭当前文件，重新发送开始接收的命令。当新数据再次到来时，建立一个当前时间的新文件并开始接收数据。

图4 数据采集记录程序流程框图

4 回放分析软件的设计开发

4.1 回放分析软件的开发过程

1）系统分析。其任务在于明确并描述系统的需求，包括功能需求、界面需求、接口需求和性能需求等，并定义系统中的关键领域问题。

2）总体设计。根据系统分析需求，考虑特定系统的特殊需求，分析和设计具体的系统架构。具体包括控件设计、软件接口设计、ATC数据解析设计、界面设计和回放功能设计等。

3）数据准备。收集整理所需的数据资源库，包括ATC配置文件、站场数据和所需组件等。

4）系统集成。生成基本操作界面，包括ATC数据显示界面和站场图，通过接口平台进行无缝连接，初步生成具有基本功能的回放系统（见图5）。

图5 ATC数据分析与回放软件的系统集成

4.2 回放分析软件的实现

1）组件设计。图6为上海轨道交通2号线设计组件的列表。图7为上海轨道交通2号线的轨道信息通过组件设计而绘制的某站场图。

2）软件接口的实现。文本文件的输入、输出利用C＋＋语言的fstream文件流进行操作。车载板采集到的十六进制TXT文件需要用ios∶binary以二进制方式打开，其余文本文件以默认方式打开。文本文件以ios∶∶out方式保存。EXCEL文件的输入、输出利用EXCEL操作类进行操作。这里由于ODBC（开放数据库连接）的功能限制，放弃了ODBC的快速读写速度，而调用office的com接口来操作office。这种方法的功能强大，便于满足需求。

3）ATC数据解析实现。由于车载板采集到的数据文件为十六进制格式，在Windows系统下难以直接分析，故需先将其转换成ASCII码的十六进制文本文件，以便于分析采集到的数据是否正确；然后，根据分析ATC系统配置文件得到的参数对数据进行分配组合完成数据处理。

4）实现基本回放功能由5个功能模块组成，如图8所示。①导入并且分析处理ATC系统的配置文件。由于ATC系统的配置文件会不断地更新，如果每更新一次就要修改相关程序，就会使软件的实用性大打折扣。因此，需要使软件对配置文件能够自我分析和处理。②导入并且处理车载板采集到的数据文本文件。车载板采集到的文本格式为连续的十六进制数据，需要对其进行进制转换，然后根据导入ATC系统配置文件而得到的参数完成对原始本文的处理。最后将所需信息的相关数据导入软件并按格式生成所需的EXCEL文件。③ 对所需ATC信息进行回放显示。ATC系统生成的每一组数据信息都会有对应匹配的时间信息，因此以时间信息为基准，随着时间信息的改变来同步显示所需的相应其他数据信息。④ 站场图关联。同样以时间信息为基准，根据提供的《轨道ID对应表》将ATC信息中的“轨道ID”与站场图中的“轨道名称”相关联，当“轨道ID”为某一值时，使列车会同步显示在站场图中相应的轨道上，以实现列车在站场图中的回放。⑤ 回放控制。控制回放的开始和结束，提供设置所需回放时间段，提供设置所需回放速度。

5）根据ATC信息需求和基本功能需求设计操作界面。界面窗口分割为2大部分：一部分是数据显示和回放控制；另一部分是站场图（如图9所示）。利用MFC（微软基础类）各控件能够较容易地完成第一部分的绘制；但由于站场图非常大，为方便起见需要对全图进行分割，并按照站点分为徐泾东—南京西路、人民广场—塘镇、凌空路—浦东国际机场共三段，再用已注册的仿真组件完成绘制。

5 结语

本文介绍了一种用于监控记录上海轨道交通2号线车载安全数据的系统。该系统有车载监控板卡和上位机回放分析软件两部分组成。车载板卡数据存储量大、便于安装，回放分析软件能将采集到的安全数据图形化显示，可进行一定的分析。该系统大大提高了列车的维护保障效率、故障处理速度，稍加改造即可用于其它线的列车。这对保障城市轨道交通的安全监控有积极意义。