基于Modbus TCP/IP的轨交ISCS与车站PIS通信协议概述

韩滨旭

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

基于Modbus TCP/IP的轨交ISCS与车站PIS通信协议概述

韩滨旭

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

明确城市轨道交通综合监控系统(ISCS)与乘客信息系统(PIS)进行数据交换的必要性，分析了Modbus协议用于上述两者之间通信的可行性。在分析的基础上提出了一种基于Modbus TCP/IP的ISCS与车站PIS通信协议，并介绍了其个性化的报文帧结构。这一新协议为实现ISCS与车站PIS间的通信提供了新途径，但仍需进行工程验证与后续改良。

轨道交通； 综合监控系统； 乘客信息系统； 传输控制协议； 网际协议

城市轨道交通已成为大中型城市居民出行的主要交通方式之一，城市轨道交通工程建设也已成为现阶段我国基础设施建设的重点内容。因为城市轨道交通系统复杂，所以需要引入综合监控系统(ISCS)以保障轨道交通系统的正常运行。ISCS的应用大大加强了轨道交通运行的安全性、乘客的舒适性，以及灾害情况下乘客疏散的及时性，将灾害情况下的损失减小到最低[1]。ISCS通过建立单一的软硬件平台，将城市轨道交通各分立系统的管理和监控功能集中起来，形成统一的运行平台和综合监控体制，实现对各种基础数据的统一管理，以及相关系统之间的数据共享[2]。实现数据共享的基础是ISCS与各子系统间的数据交互，换言之，稳定的数据交互为数据共享奠定了基础。

1 ISCS与乘客信息系统(PIS)

城市轨道交通ISCS建设的目的是将监控与数据采集系统(SCADA)、机电设备监控系统(EMCS)、火灾报警系统(FAS)及自动列车监控系统(ATS)等的功能集于一体[3]。当前的轨道交通ISCS不仅集成了电力、环控等系统，还通过工业以太网集成了广播系统(PA)、闭路电视(CCTV)监控系统、门禁系统(ACS)、乘客信息系统(PIS)等[4]。PIS在控制中心与综合监控系统进行互联，接口类型为标准10/100Mbit/s以太网接口，可接受ISCS编辑好的文本信息，并在车站的PIS设备上显示，以便更好地为乘客提供服务[5]。PIS同时也需要将车站PIS的状态返回到ISCS，用于监控和综合调度。由于安全稳定性的要求，ISCS与PIS之间的基础通信协议选择较为稳定成熟的协议为佳，如Modbus TCP/IP这一广泛应用于工业过程监控的以太网协议。

2 Modbus TCP/IP工业以太网通信协议

Modbus协议是施耐德旗下Modicon品牌在1979年发明的最早用于工业现场的总线协议之一，采用主从通信模式[6]。Modbus客户机通过客户机接口根据用户应用程序生成各种服务请求，实现对Modbus网络控制设备的访问，同时Modbus服务器会根据Modbus服务请求对本地设备进行各种读写及控制操作[7]。

Modbus的通用帧结构-应用数据单元(ADU)中有Modbus协议定义的一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU)，通过PDU中的功能码，客户机可以向服务器指示将执行哪种操作，如图1所示[8]。

图1 Modbus通用帧格式

Modbus TCP/IP是基于传输控制协议(TCP)/网际协议(IP)与标准Modbus协议的工业以太网通信协议，在原有Modbus应用协议的基础上拓展在以太网上的应用，总体的通信过程基于Modbus应用协议，并结合了TCP/IP协议栈的特点。Modbus TCP/IP的数据帧在原有数据帧基础上增加了Modbus应用报文头，由报文头、功能码和数据3个部分组成[9]。因为TCP可靠性连接服务功能，所以Modbus TCP/IP协议省去了Modbus应用协议中的循环冗余检验(CRC)部分。Modbus TCP/IP数据帧格式如图2所示[10]。

图2 Modbus TCP/IP帧格式

因为ISCS与PIS数据交换的特殊性，因此并不能直接使用标准的Modbus格式，而且一般双方的数据交换为并发多个点数，所以在Modbus以太网应用上一般也只会用到多个数据的读与写。ISCS从PIS获取的当前设备状态为开关量数据，而ISCS向PIS发送的数据中有文字信息，在转换为美国信息交换标准代码(ASCII)之后相当于模拟量数据。整个通信过程中仅需要将Modbus协议报文结构类型中功能码为0x04与0x10的数据帧分别作为ISCS与PIS数据交换读与写的帧结构。

3 ISCS与车站PIS通信协议读报文

PIS通常分为车站与车载两类，此处主要针对ISCS与车站PIS的通信协议进行研究。ISCS与车站PIS通信可以基于Modbus TCP/IP协议，整个通信过程，包括读报文的轮询过程及写报文的触发过程均可完全参考Modbus TCP/IP协议，主要的区别在于主从两端读与写报文的帧结构及回复帧结构。

ISCS向PIS发送数据请求读报文结构如表1所示。

表1 ISCS向PIS发送数据请求读报文结构

PIS向ISCS发送数据返回报文结构如表2所示。

表2 PIS向ISCS发送数据返回报文结构

由表1与表2可知，数据请求与数据返回的格式基本一致，且完全基于Modbus的数据帧结构，唯一的区别在于PIS向ISCS返回报文的数据部分上，如表3所示。

表3 PIS向ISCS发送数据返回报文的数据部分

PIS向ISCS返回的报文中数据部分是与标准Modbus协议有区别的部分，所有关于ISCS、PIS两系统之间的特殊定义全部在此体现。数据部分的第一个字节是信息确认，0x01代表信息确认成功，0x00代表信息确认失败，此字节以后可扩展作为其它功能使用。通用报警位为第二字节，代表此次返回的含有报警的设备总数。第三、四字节代表了回码信息身份(ID)，当每次有信息内容发送至PIS时，PIS需要发送回码信息ID至ISCS作信息确认，信息号相同的设备做统一处理。

在协议中预定每个车站含有32个设备或16个设备，可根据实际需要选择按位补0，每2 Word代表一个车站，比特位自低至高顺序代表设备号自低向高的设备。

4 ISCS与车站PIS通信协议写报文

ISCS与车站PIS通信中，ISCS向PIS发送数据写报文结构与读报文中PIS向ISCS返回数据报文结构类似。以此原理类推，PIS向ISCS返回响应的报文结构也与读报文中ISCS向PIS发送数据请求读报文结构类似。

ISCS向PIS发送数据请求读报文结构如表4所示。

PIS向ISCS发送返回响应报文结构如表5所示。

在实际工程应用过程中，ISCS需要向PIS发送要传达的文字信息，这个特殊的情况也是造成ISCS与PIS通信报文中写过程与标准Modbus协议明显不同的原因。ISCS向PIS发送报文的数据部分如表6所示。

表4 ISCS向PIS发送数据请求读报文结构

表5 PIS向ISCS发送返回响应报文结构

表6 ISCS向PIS发送数据报文的数据部分

数据部分第一个字节是信息确认，0x01代表确认成功，0x00代表失败。第二个字节代表优先级，0x01代表正常，0x02代表紧急。之后的部分是车站区域选择，通常一个车站会被分割为若干区域，比如站台区、站厅及各个出口区等，所以预设1 Byte 8位对应8个区域位，区域数未够补0。每一个比特位为1代表选择此区域，为0代表不选择。信息内容预设为100 Word的中英文信息，外加2 Word的完结符“”。

5 结束语

城市轨道交通ISCS与车站PIS的通信至今仍未形成统一的标准，且没有成熟的解决方案，众多不同厂家的设备不能实现互通互联。如果基于Modbus TCP/IP通信协议，可以更快地适应众多设备与软件。

个性化地使用Modbus TCP/IP协议，不但可以避免复杂的通信机制，而且可以妥善解决工程实施中的稳定性问题，从而实现众多厂家设备间的互通互联。笔者所述的协议仍需要进一步的工程验证及后续改良。

[1] 王开满，王军，张慎明.城市轨道交通自动化综合监控系统的集成模式[J].城市轨道交通研究，2007(3)：57-62.

[2] 罗利平.城市轨道交通综合监控系统集成方案[J].城市轨道交通研究，2008(11)：7-9.

[3] 徐杰，贾利民，秦勇，等.城市轨道交通综合监控平台系统集成的研究[J].铁道学报，2007，29(3)：107-112.

[4] 李熙光.城市轨道交通综合监控系统设计探讨[J].电气化铁道，2006(4)：26-29.

[5] 李岁永.地铁专用通信系统接口优化设计[J].自动化与仪器仪表，2015(1)：86-88，94.

[6] 唐会成.煤矿井下连续运输系统的Modbus多机通信[J].自动化仪表，2014，35(6)：25-27.

[7] 刘玲玲，刘德平，李保强，等.基于Modbus协议的变频器远程控制器的研究[J].仪表技术与传感器，2010(6)：33-35.

[8] 基于Modbus协议的工业自动化网络规范 第1部分：Modbus应用协议：GB/T 19582.1—2008[S].

[9] 基于Modbus协议的工业自动化网络规范 第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南：GB/T 19582.3—2008[S].

[10] 高秀兰.基于Modbus TCP/IP通讯综合监控系统的实现[J].仪表技术与传感器，2015(10)：104-106，110.

Highlighted the necessity of data exchange between urban rail transit integrated supervisory control system (ISCS) and passenger information system (PIS) with an analysis of the feasibility of Modbus protocol to be used between the above-mentioned two systems for communication. Based on the analysis， ISCS and station PIS communication protocol based on Modbus TCP/IP was presented with a description on its personalized message frame structure. This new protocol provides a new way for communication between ISCS and station PIS， but still needs engineering verification and subsequent improvement.

Rail Transit； ISCS； PIS； Transmission Control Protocol； Internet Protocol

2016年6月

韩滨旭(1988— )，男，硕士，助理工程师，主要从事过程自动化，工业自动化软件研究工作， E-mail：hanbx@shanghai-electric.com

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