机车安全信息综合监测装置架构设计

徐 瀚 段士超 文卫明 陈小雨 苗延波

河南思维自动化设备股份有限公司 河南 郑州 450000

简介

1.1 研究背景 TAX2型机车安全信息综合监测装置于1999年研制并运用推广,已安装运用于全路2万多台机车和动车组上。TAX是列车运行监控系统(LKJ)重要组成部分,是我国运用范围最广的机车安全信息综合平台。受上世纪九十年代技术条件限制,TAX2型机车安全信息综合监测装置采用的RS485通信总线架构日益不能满足不断增加的多节点外部通信需求,相对较低的数据传输、处理能力不能满足更大容量的数据通信要求,也无法支持更高级别的数据校验和加密要求。

随着机车和动车组装备的不断发展,各种机车监测设备日渐增多,据不完全统计,全路TAX 装置装入的第三方功能扩展插件和外围设备已有30多种。由于既有TAX 对第三方设备缺乏有效的接入验证机制和管控手段,TAX 通信的安全性和数据的可靠性已无法得到保障。既有TAX 硬件性能较低,不能支持软件复杂运算来实现安全数据通信。另一方面,随着LKJ-15 系统装置的研发和推广应用,TAX 需通过优化升级与之兼容。早期研发的TAX2型机车安全信息综合监测装置受电子产业的快速发展的影响,也面临着设备关键原材料停产和被淘汰、装置生产和维护难以为继的窘况。

因此有必要从系统层面开展列车安全运行监测装置(TAX)优化技术研究,优化TAX 系统架构,全面提升产品性能。经铁路总公司批准,命名新型机车安全信息综合监测装置为TAX18。

TAX18装置架构设计

1.2 内部总线架构设计

1)既有产品通信架构分析与新架构选择 既有TAX2型机车安全信息综合监测装置均采用RS485半双工总线作为数据交互总线,并采用一对多的广播式总线架构,在与第三方功能扩展插件和设备进行多节点通信时,必须采用轮询方式进行数据交互,通信效率较低,而且易受到各节点的通信终端干扰。当单个或多个节点的通信终端的总线终端阻抗失配时,会造成总线信号失真,通信终端误码率大幅提升,引起错帧、漏帧。当某节点的通信终端的总线接口的收发控制处于失控状态,非法占用总线,则会引起其它插件或设备丢帧,若该终端无法恢复,则整条总线持续处于堵塞状态,所有终端均无法正常通信。其总线架构如下图所示。

图1 既有TAX 总线架构

为了解决TAX 与第三方功能扩展单元的通信总线抗干扰问题,确保可靠的数据通信,本设计采用一对一的RS485通信总线结构取代广播式的多节点的RS485 总线。TAX18 通信记录插件具备12 路独立的RS485总线接口,分别与9种功能扩展插件、3种TAX 外围设备采用点对点的通信方式,彼此互不干扰。某一功能扩展单元故障引起RS485总线堵塞,也不会影响到其它各路总线通信。从而在根本上RS485总线丢帧或错帧问题。

图2 TAX18装置RS485网络拓扑

2)内部高速通信架构设计

RS485总线通信速率仅为28800bps,用于TAX 与功能扩展单元之间实时信息的交互基本满足,但要进一步扩充实时通信的内容,甚至需要实现大容量文件的传输,则通信速率已构成瓶颈,因此TAX18型装置采用以太网总线与各功能扩展单元实现高速数据通信,增强TAX 数据对监测信息的数据集中和记录功能,并预留与LMD 系统相结合,实现数据车-地无线传输,使各种监测信息及时落地。

装置具备以太网交换机插件,对外提供13路以太网总线接口,与9种功能扩展插件、4种外设进行高速数据通信。为了避免影响设备间的网络安全,通过划分不同VLAN,防止外设之间的非法访问。

图3 TAX18装置以太网网络拓扑

1.3 内部接口规划

1)电源接口规划

图4 TAX18装置内部电源连接

TAX18装置内部插件由电源插件供电,其中通信记录插件、交换机插件采用DC5V1供电,各功能扩展插件采用DC15V、DC5V2或DC110V/DC74V供电,DC5V1和其它几路电源之间采取电气隔离措施。

两块电源插件采取冗余设计。

2)通信接口规划

各功能扩展插件对外电气接口沿用TAX2设计,每块插件均在背板对留有1个插座,用于外接相应的监测装置,其对应关系如下表所示。

表1 插槽与背板插座对应表

1.4 插件功能规划

1)电源插件。电源插件将机车电源转换为供装置内部插件和第三方功能扩展插件使用的内部电源,电源插件适应机车DC74V 和DC110V 输入电源,具备过流、过压、反接等保护,具体参数如下：

输入电源范围为：DC38V-DC160V

功率：不含功能扩展插件≤50W,含功能扩展插件≤110W。

输出电压：DC5V1 给2块通信记录插件、交换机插件供电。

输出电压：DC15V 给扩展接口插件、语音录音插件、DMIS插件及备用1-备用3插件供电。

输出电压：DC5V2 给TMIS插件、备用1-备用3插件供电

2)通信记录插件。通信记录插件作为TAX 装置的主控单元,完成LKJ信息采集、外设接入验证、机车安全信息转发、数据汇集及维护等功能,并预留数据加解密功能。

通信记录插件采用DC5V 供电,提供1路RS485和2路CAN 与LKJ通信,1路以太网与交换机插件相连,13路RS485接口与功能扩展插件和外围设备通信。所有电气接口进行内外电气隔离。

3)交换机插件。交换机插件负责TAX 装置的以太网通信,采用DC5V 供电,提供16个百兆以太网口实现通信记录插件与功能扩展插件、外围设备之间的以太网互联。其中12 路以太网通过背板矩形插头连接TAX 装置内部通信记录插件和和功能扩展插件,面板4个以太网口提供对外使用。连接关系见图4。

4)扩展接口插件。扩展接口插件用于提升TAX18装置对外通信扩展能力,采用DC15V 供电,通过1路RS485与通信记录插件通信、1路以太网与交换机插件连接,对外提供4路RS485接口(面板3路、背板1路)连接TAX 相关外设。必要时,可在预留插槽安装扩展接口插件,最多可外接12个外设。

图5 扩展接口插件

5)第三方插件扩展

装置为各功能扩展插件提供9个4U 槽位,分别为TMIS、DMIS、语音录音、弓网检测、轨道检测、扩展接口及备用1-备用3。

在每个槽位的背板上,均设置DC110V/DC74V、DC15V、DC5V2供电电源,为各功能扩展插件提供工作电源,并及1路RS485接口和1路以太网接口,各功能扩展插件通过RS485总线与TAX 通信记录插件通信,通过以太网总线实现高速数据交互。

在装置背板,TAX 为所有功能扩展插件提供对应的对外接口,用于外连相应的监测装置。

1.5 新架构技术特点。1)采用控制器局域网(CAN)作为系统内部与LKJ-15系统的通信方式进行数据交换,CAN 总线器件本身带CRC校验功能,具有高强的检错与容错的能力,可以避免RS485总线的死锁情况,大大提高了传输可靠性进一步提高。2)一对一的RS485通信总线结构,TAX 与各个功能单元之间形成单独通道,物理层面上杜绝功能单元故障对TAX 通信的影响。3)增加了以太网总线,进一步丰富TAX 装置与各监测设备之间信息的数据共享,可与LMD 相连接,实现车-地监测数据传输。4)完全兼容TAX2的所有插件,可直接插在机箱中。5)装置对外接口兼容TAX2,可以在不更改现有机车布线的情况下完全替换TAX2装置。6)采用统一的硬件规范和软件通信协议,有利于功能单元的合作开发和新功能的扩展。7)采用符合GB3047.2和GB3047.4机械尺寸要求的单元插件式19英寸4U 标准机箱结构,既符合开放式工作平台结构的要求,也便于装置的标准化,模块化,有利于装置的检测维护和规范管理。8)装置中各功能单元采用电源隔离、通信接口隔离和对外输入/出信号隔离技术,提高了装置的可靠性、安全性和抗干扰能力。9)系统电磁兼容性满足GB/T 24338.4-2009 标准要求,抗干扰能力强,工作可靠性高。

新架构关键技术

1)多节点的通信总线冗余和抗干扰技术。既有TAX2型机车安全信息综合监测装置采用一条RS485总线向所有功能扩展单元进行数据广播,并采用轮询方式收集各功能扩展单元的信息,从而实现多节点通信。这种方式易受到各节点的通信终端干扰,引起数据传输过程中的丢帧或错帧,误码率较高,甚至整个通信总线被堵塞。

为兼容既有功能扩展单元插件,TAX18 装置仍保留RS485 总线作为交互总线,但采用网关技术,由TAX 通信记录单元提供多路RS485总线接口,与各功能扩展单元实现一对一的通信,从而使安全验证成为可能,各通信节点先经安全接入验证后,方能实现业务数据的通信。任一节点不能干扰到其它节点。同时采用以太网总线,作为RS485总线的通信冗余总线,提高通信的可靠性,并承担大容量数据的通信传输。由以太网交换机负责数据交换,阻断各通信节点之间的非法通信,隔绝TAX 与系统外设备的非法通信,避免网络风暴。

2)安全通信及加密技术。既有TAX2型机车安全信息综合监测装置采用校验和方式来确保数据传输的正确性,数据校验等级较低,同时TAX 协议为半公开状态。数据通信安全和可靠性难以保障。

TAX18装置通过安全通信及加密技术来解决TAX 与功能扩展单元在通信应答过程中,通过授权码识别合法和非法设备,防止非法设备窃取或篡改数据。TAX 与功能扩展单元在数据传输过程中,对通信数据采取加密措施,防止数据被篡改并加强数据的安全性；采用点名接收的方式,加强数据信息传输过程的确认；并采用CRC 校验方式,提高数据校验能力,降低通信误码率。功能扩展单元采取通信容错机制,对获取的数据进行校核确认。

3)兼容新一代LKJ系统。新一代LKJ系统(即LKJ-15型)在既有LKJ列车监控装置的基础上,强化安全计算机、应答器信息接收、轨道电路信息接收等技术,实现了列车在不同设备制式、不同等级线路的跨线运行控制要求,在安全性、可靠性、用户体验和可维护性方面有质的提升,满足中国铁路运输当前和未来发展的新需求。

TAX18装置在支持既有LKJ装置基础上,针对新一代LKJ系统(即LKJ-15型)的数据通信需求,提高通信接口速率,制定通信协议,实现与新一代LKJ的兼容,并扩充与第三方功能扩展单元交互的信息内容,之间互相对接数据信息内容更丰富,便利于监测设备更丰富的运用。

4)高速通信总线技术。为提升通信速率和能力,TAX18 装置采用了以太网、CAN 等高速通信总线技术,加强TAX 对功能扩展单元的数据采集能力,强化TAX 对监测数据的集中存储功能。全面提升TAX 装置与各外设通信的速率、可靠性和可用性,适应铁路信息化需求。

5)嵌入式冗余计算机技术。TAX18装置采用嵌入式计算机系统架构,运算处理和存储能力大幅提升,并且采用双机冗余技术,实现主备冗余切换,提高装置可靠性为更好实现安全信息监测和交互打下基础。

4 结论

TAX18型机车安全信息综合监测装置构架能够满足目前及LKJ-15型列控装置推广后对新型TAX 装置的需求,相比老产品架构具备极大的技术优势,目前应用该架构的设备样机已完成研制,具备试用条件。