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地铁交通车地双向通信系统方案的设计

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：许鹏飞

[导读] 摘要：车地双向通信子系统是 CBTC 系统的关键环节，网络接口模块作为重要的组成部分为列车车载单元提供网络通信接口，用于完成车载单元与外部网络通信的协议转换，实现数据的安全可靠通信。

        武汉地铁运营有限公司
        摘要：车地双向通信子系统是 CBTC 系统的关键环节，网络接口模块作为重要的组成部分为列车车载单元提供网络通信接口，用于完成车载单元与外部网络通信的协议转换，实现数据的安全可靠通信。本文分别从硬件与软件层面进行了地铁交通车地双向通信系统方案的设计，以期为提高车地双向数据通信的质量提供借鉴。
        关键词：车地双向通信；网络接口模块；方案设计
        1 前言
        列车运行控制系统是采用技术手段对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，其关键技术包括列车完整性检查、测速、定位及车地信息传输，其中车地信息传输是系统核心问题之一。为了实现系统小型化，降低工程造价及运营费用，实现高效、节能、低成本运营，筹建中的轨道交通准备采用小编组、高密度的运营模式，提出了 90s 的列车运行间隔要求。本文的目的是为达到基于通信的列车控制系统中车地双向通信子系统的研究与实现的要求，开发一套应用于车载单元的网络接口模块，包括硬件和软件开发。
        2 整体系统方案分析
        相比于交叉感应电缆环线、漏缆、裂缝波导管等技术，利用无线通信技术可以进一步减少信号系统轨旁设备，实现车地通信通道的完整冗余，增加车地通信数据带宽，便于系统升级和扩展，减少轨旁设备故障等。基于这几点，方案采用基于无线通信的列车控制系统。
        整个 CBTC 系统包括控制中心、轨旁设备（隧道+车站）和车载设备，地面设备和车载设备通过“无线通信网络”连接起来，构成系统的核心。通过车载设备、现场的通信设备与车站或控制中心实现信息交换，完成速度控制，实现高速度、大容量的车地双向通信。通过车地间的双向通信，使控制中心可以得到每一列车连续的位置信息和列车其它运行信息，并据此计算出每一列车的移动授权，并动态更新，发送给列车。无线闭塞中心还和上层的列车自动监控系统 ATS（Automatic Train Supervision）设备进行信息交换。
        列车根据接收到的移动授权和自身的运行状态计算出列车运行的速度曲线，车载列车自动防护系统 ATP（Automatic Train Protection）保证列车在该速度曲线下运行，列车自动驾驶系统 ATO（Automatic Train Operation）在 ATP 保护下，控制列车的牵引、巡航、惰行及制动。
        采用无线通信方式进行车地、地车间双向数据安全传输，实现高效率的列车安全追踪运行，并完成列车相关运行数据传输。可传输的信息种类包括：控车信息、维护信息、列车运行信息、线路信息、甚至未来的语音调度信息。系统采用成熟的、开放的标准化的接口和通信协议。整个网络采用多级冗余配置来保证高可靠性。网络加密系统保证整个系统的安全性。此外要求系统具有可管理性、可扩展性和可升级性。
        3 网络接口模块硬件设计实现
        3.1 网络接口模块功能
        网络接口模块 NIU（Network Interface Unit）隶属于车地双向通信子系统中车载无线通信单元，其作用是为车载单元提供网络通信接口，用于完成车载单元与外部网络通信的协议转换，并实现数据的安全可靠通信。
        网络接口模块与外部设备的交互信息，按照通信网络的不同可分为如下两类：（1）无线局域网 WLAN 通信网络，硬件为 4 路 LAN 总线，互为冗余配置。区控中心通过无线局域网 WLAN，周期性的实时与 NIU 交互数据，通过 NIU 把移动授权等信息发送至车载控制单元 OBCU，实现对列车的控制，同时收集 NIU 的设备状态和无线局域网 WLAN 的通道状态，对其进行实时检测；（2）控制器局域网 CAN 总线通信网络，硬件为 2 路 CAN 总线，互为冗余配置。车载控制单元 OBCU 通过控制器局域网 CAN，周期性的实时与NIU 交互数据，通过 NIU 把列车位置、列车运行状态信息传送至区控中心，用于列车的管理和移动授权的计算等，同时车载控制单元收集NIU 卡的设备状态和控制器局域网 CAN 的通道状态，对其进行实时检测。
        3.2 网络接口模块结构
        网络接口模块为双机热备结构，为了满足双机热备的需求，两块板卡在硬件设计上结构完全一致。就单板而言，为了确保数据输出的可靠性，设计为双CPU 的结构，所有运算结果经双 CPU 比较一致后，才能对外发送。为保证双CPU 间协调工作、互相检测状态，CPU1、CPU2 之间设计有 3 种交换数据的通道，其一为同步串行接口 SPI1，用于双 CPU 交换工作状态，为双工通信模式；其二为同步串行接口 SPI2，用于传输少量的握手信号和控制信号，以保证双 CPU软件的一致性，为双工通信模式；其三为 DPRAM 通道，用于双处理器交换大容量的数据。
        作为车载单元对网络接口模块的预留信息通道，NIU 卡上每个 CPU 都设置有 4 条通用输入输出总线 GPIO（General Purpose Input Output）信号线，为两条输入信号和两条输出信号，用于和车载单元上对应的 CPU 交换握手信号。每片 CPU 都扩展 4 路以太网接口（LAN1、LAN2、LAN3 和 LAN4），分别通过 4 个以太网接口芯片与变压滤波器相连，最终实现与外部 LAN 总线互联。

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        3.3 网络接口模块硬件设计
        NIU 板卡为 2 取 2 结构，双 CPU 采用 PHILIPS 的基于 ARM7TDMI-S 内核的 32 位微控制器 LPC2292，内部集成 16 kB 片内 SRAM 和 256 kB 片内 Flash程序存储器。每个 CPU 都分别通过管脚 C1_TXD0、C1_RXD0 和 C1_TXD1、C1_RXD1扩展了两路异步串口。其中一路连接到面板的测试接口上，用于程序烧写及测试时调试信息的打印，另一路连接到母板上，通过母板实现网络接口模块的两块板卡的互联。两块板卡通过 CPU2 的 UART2 进行通信，交互状态信息和切换命令。CPU1 的 UART2 作为预留，没有使用。
        两 CPU 间通过 SPI1 总线进行状态信息的交互，CPU1 作为主设备，CPU2作为从设备。对于时钟信号 C_SCK0、“主入从出”数据线 C_MISO0、“主出从入”数据线 C_MOSI0，CPU1 与 CPU2 的对应管脚互联。由于 CPU1作为主设备，其从机选择管脚 C1_SSEL0 经上拉电阻后直接接高电平；CPU2 位为从设备其从机选择管脚 C_SSEL0 与 CPU1 的 IO 管脚 C_SSEL0 互联，CPU1 通过对 IO管脚输出低电平，实现对 CPU2 的片选。
        3.4 控制器局域网总线
        NIU 卡扩展出两套独立的 CAN 总线，用于车载单元进行数据交换，CAN总线通过母板实现总线连接。微控制器 LPC2292 芯片内置 2 路 CAN 总线接口，只需增加物理接口就可以实现与外部总线的互联，但从电磁兼容的抗干扰角度考虑，在 CPU 芯片和物理接口芯片间增加了光耦芯片，同时每路 CAN 总线使用单独的 5V-5V 的直流隔离电源，以保护 CPU 芯片不因 CAN 总线上的信号受到强烈干扰而影响 CPU 的正常工作。此外，在母板的设计中总线（CAN、LAN）输入接口增加了磁珠、滤波器等电路，以削减外界可能出现的电磁干扰。
        4 网络接口模块软件设计实现
        网络接口模块是区控中心和车载单元之间的通信桥梁。从可靠性的角度考虑，采用网络接口模块的双机热备结构，要求主、备板同步工作，在设计上主备板的软、硬件均一致。以下就软件实现分别进行分析。
        4.1 数据配置
        网络接口模块的板卡位置、初始主备状态和地址通过 I2C 总线读取母板上的EEPROM 来确定。网络接口模块在配置数据时，每个板的 CPU1、CPU2 之间要进行一致性比较，确认配置正确后才继续执行以下的程序，否则显示相应错误，并进入死循环。对于主、备两板，备板的母板配置数据如果与主板不同，则显示相应错误并进入死循环，主板不受影响，正常开机运行。
        4.2 显示模块
        每个 NIU 卡有一块显示板，显示两 CPU 的工作状态、通信网络状态等。显示板的主要作用是便于维护和故障快速定位，属于确保安全的附属设备，由CPU1 进行控制显示。
        4.3 与区控中心通信及数据解析
        为了满足系统的安全性要求，通信采用定期应答方式和支持工作站地址控制，只有在工作站列表中的设备才允许接入，同时采用了加密技术、系统的认证鉴权功能可以防止黑客模仿某个列车控制设备而入侵系统以及检错机制等。
        定期应答方式是指每个通信周期由区控中心的主机发送同步帧发起。两个同步帧之间为一个通信周期，控制中心发送同步帧后，开始发送命令数据，为防止网络数据冲突，数据的发送进行分时处理，在区控中心发送完全部数据后，各列车的网络接口模块依次回发数据。网络接口模块的主板先发送车载单元的列车状态数据，然后发送自身的设备状态数据，备板只回发自己的状态数据。所有的数据交互必须保证在一个通信周期内完成，如果发生异常，在规定的时间内数据交互仍未完成，则停止本次交互，等待下一个通信周期。如果连续几个通信周期数据都不能正常交互，则进入故障处理模式。
        4.4 与车载单元通信及数据解析
        网络接口模块与车载单元同属列车的车载设备，它们之间的数据交互通道可以采用有线方式，且两者之间交互的数据量相对较小，综合以上两点原因，网络接口模块与车载单元之间采用控制器局域网 CAN 总线进行数据传输。
        5 总结
        车地双向通信子系统是 CBTC 系统的关键环节，网络接口模块作为重要的组成部分，本文主要从硬件平台开发和软件平台开发两个方面对其进行了深入的研究。此外，设备生命周期、可靠性、可用性和可维护性也是下一步工作的重点。
        参考文献：
        [1]陶小婧.上海轨道交通CBTC系统无线车地通信研究及通信异常分析[J].上海工程技术大学学报，2017，31（2）：149-153.
        [2]杨勇.浅谈城市轨道交通车地无线通信系统应用[J].中国科技纵横，2017，（17）：39-40.
        [3]张捷.上海轨道交通11号线基于通信的列车控制系统车-地通信故障分析[J].城市轨道交通研究，2015，18（7）：81-84.