地鐵綜合監控系統前置處理器設計

鮑建波，張 道

(國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 210061)

0 引言

地鐵綜合監控系統(integrated supervisory control system，ISCS)廣泛應用于世界各地的軌道交通中，如北美、新加坡、韓國等。ISCS的使用能夠有效提高軌道交通調度的管理效率，逐步實現無人值守。在ISCS中，不但大量子系統需要接入監控系統，處理的數據量也需要提高，而且涉及的專業面也比較廣[1]。國內城市軌道交通監控系統的設備及技術大多從國外引進，應用過程中存在多種安全隱患[2]。目前，我國在設計ISCS功能的過程中，重點為系統集成模塊、功能需求、控制中心大屏幕規模等方面[3]。為實現系統集成并使整個ISCS安全運行、提升運營效率，前置處理器(front end processor,FEP)的使用尤為重要。

地鐵ISCS是一個大型的集成系統，需集成地鐵站內大部分系統,監控設備的運行狀態，實時掌握設備的運行工況和故障信息。由于地鐵ISCS是一個大型的、涉及眾多廠商的、有機統一的系統，各設備廠家使用的接口類型和通信協議也各不相同。這對ISCS的集成提出了較高的要求[4]。ISCS與各子系統的集成通常采用兩種方式：①子系統通過以太網直接接入車站局域網，再連接到ISCS；②子系統先接入FEP，由FEP接入車站局域網，再連接到ISCS。

1 FEP功能

FEP主要負責硬件接口的接入和應用層協議的轉換，在整個ISCS中起到承上啟下的作用，即ISCS通過FEP獲得被集成和互聯系統的數據。同時，ISCS也是通過FEP完成發往被集成和互聯系統的數據和命令。從網絡拓撲的視角來看，FEP充當了網關的角色，網絡上的數據在此得到了隔離，有效地阻止了網絡風暴。通過在ISCS與子系統之間設置FEP，不但提高了整個系統的安全性，而且大大減輕了ISCS服務器的負載[5]。

ISCS與FEP連接結構如圖1所示。

圖1 ISCS與FEP連接結構示意圖

FEP是ISCS與子系統之間的連接橋梁。在地鐵ISCS中，設置FEP的主要作用有硬件隔離和協議轉換。

1.1 硬件隔離

ISCS中，各子系統設備廠家提供的接口繁雜，質量參差不齊。而ISCS的硬件平臺通常采用商用的服務器和工作站，只有標準的網絡接口和很少的串口，無法滿足系統集成的需要[6]。FEP的重要功能之一就是實現各系統廠家硬件接口的接入。FEP通過擴展卡實現以太網、CAN、RS-485等接口的無縫連接，并通過在I/O板卡上的電感耦合、光電隔離等技術，有效避免地線回路電壓浪涌、感應雷擊、靜電、熱插拔等惡劣環境和不良操作對設備的損壞。

1.2 協議轉換

協議轉換是FEP另一個功能,也是主要功能。協議轉換主要涉及以下兩個功能的實現。

1.2.1 完成協議轉換

FEP通過不同接口連接不同的子系統，采集各子系統上送的數據，通過硬件隔離、誤碼過濾、協議轉換后暫存在FEP的內存中，形成實時數據庫。

1.2.2 實現數據轉發

子系統的狀態信息保存在FEP的實時數據庫中。轉發數據庫是通過FEP的應用層軟件實現的。轉發數據庫完成實時數據庫數據的篩選和分類存儲，為轉發任務作好準備工作。當系統執行轉發任務時，通過調用轉發函數實現FEP到ISCS服務器的數據轉發。

FEP和ISCS服務器之間通常采用分布式網絡協議(distributed network protocol，DNP)。該協議采用“即變即送”的數據傳輸機制，大大減輕了ISCS網絡的負載，同時保障了數據的傳輸效率。

2 FEP系統設計

2.1 FEP硬件設計

地鐵ISCS的FEP通常放置在綜合監控機房，工作環境比較惡劣，要承受較大的電磁干擾等外部環境的影響。所以FEP常采用工業級產品的設計水準，在防塵、散熱、防潮、抗振、電磁兼容等主要方面都需充分考慮，包括機殼采用專用模具生產、機箱考慮空氣對流設計、元器件采用工業級芯片、印刷電路板(printed circuit board，PCB)電路設計要求防浪涌等措施。

FEP的硬件系統通常采用模塊化設計方法，通過總線式背板實現各模塊之間的供電、通信和信號傳遞。FEP的各個模件(如CPU模件、I/O口擴展模件)可以產生詳細的關鍵器件自診斷信息，由FEP通過軟件定期檢測關鍵器件狀態并上送到ISCS，同時也可通過登錄FEP或LCD面板調閱故障狀態信息。

地鐵站內子系統各異，通常要求FEP具有良好的可擴展性，可通過安插在背板總線的板塊的不同組合配置來實現對FEP硬件的裁剪；根據工程現場需要配置網絡板卡、CAN網板卡或串口板卡的數量，實現硬件接口的按需分配。

2.2 FEP軟件設計

FEP通過軟件實現自身存在的核心價值。FEP運行的軟件系統主要包括三個部分，分別為底層驅動、操作系統和應用軟件。FEP的軟件層次結構如圖2所示。

圖2 FEP的軟件層次結構

2.2.1 實時操作系統

FEP大多采用嵌入式多任務實時操作系統，常用VxWorks、RTLinux等實時性強、穩定性高的操作系統實現多任務的調度和系統的運作管理。通過可靠的外圍軟件支持，高效地實現多種數據源的數據采集工作和向綜合監控服務器的數據轉發功能。

2.2.2 底層硬件驅動

實時操作系統通常采用高可靠性的商用操作系統。這些系統大多不提供完整的外圍器件驅動程序，需要各設備廠家自行完成外圍器件驅動程序的開發、板級支持包(board support package，BSP)的配置等，以實現底層軟件的功能。

2.2.3 應用軟件

整個FEP中具有特色的功能是通過FEP的應用軟件實現的。應用程序控制著系統的運作和行為。FEP應用軟件主要實現的功能有通信對時功能的實現、數據通道功能的建立、底層數據的采集、通信協議的解析與轉換、實時數據庫的功能的實現、轉發數據庫的完成、DNP數據格式的轉換、雙機數據同步的實現、通道冗余的切換等。

3 冗余設計

地鐵環境惡劣，各系統穩定性差異較大。為解決個別子系統在通信中斷時的數據丟失問題,通常地鐵監控系統都采用雙機熱備份的方式解決單通道故障引起的系統通信故障。從圖1中可以看出，FEP在配置上采用了雙機熱備的冗余設計方案，提供四個以上的以太網接口。其中：兩個以太網口向上接入ISCS的局域網；另外兩個接口與需要接入的子系統通信。兩臺FEP之間可通過以太網或串口的方式保持通信。采用雙機雙網的配置，在任何單點故障的情況下，都不會導致系統的失效，大大增加了整個系統的可靠性，同時也提高了可用率[7]。

3.1 FEP雙機數據同步

雙機數據同步主要用于冗余雙機系統進行數據交換。要做到“平穩切換”，必須保證兩臺設備在主備角色轉換之前的實時數據庫數據是同步的。這是實現冗余切換的前提條件。要實現雙機冗余切換，互為冗余的FEP必須分別提供一個通信口進行冗余信息交互。冗余交互信息的數據量不大，但是對其可靠性的要求卻很高。雙機冗余信息交互故障將導致互為冗余的FEP雙機上所有通信端口都變成值班狀態。在這種狀態下，很多接口設備無法通信，將直接導致雙機數據同步失效。

五、加強水土資源保護，水生態文明建設扎實推進。強化水土保持全流程監管，狠抓在建工程棄土規范化管理和水土保持度汛方案制度落實，水土流失面積下降2km2。認真開展再生水推廣使用建章立制工作，以市場導向為原則，草擬了《深圳市再生水管理暫行辦法（送審稿）》，已報市政府進一步研究。強化飲用水水源保護區管理，大力推進入庫支流生態修復工程，集中式飲用水水源地水質達標率繼續保持100%。

由于實時數據庫的容量較大，并且實時性要求較高，通常采用網絡通道實現數據同步。因互為冗余的兩臺FEP是對等的，因此不適合采用基于服務端/客戶端(server/client)模式的TCP/IP方式，宜用UDP/IP方式。

數據冗余技術的實現通常有數據集中式冗余技術和數據分布式冗余技術。

3.1.1 數據集中式冗余技術

在任一時刻，所有不同子系統的數據只發往同一臺FEP(FEP1或FEP2)。兩臺FEP中，只有一臺是主機，存有當前所有子系統的最新數據。也就是說，數據集中位于主FEP中。

3.1.2 數據分布式冗余技術

在任一時刻，所有不同子系統的數據可以發往不同的FEP，可以是FEP1，也可以是FEP2。對于某個特定的子系統，數據集中位于主FEP中。但從所有子系統的集合數據來看，數據是允許分布在兩臺冗余的FEP內的(當然也允許數據集中在某臺FEP內)。此時，FEP整體在物理上并不存在主從機的概念。

數據集中式冗余技術容易實現，當系統發生交叉故障時，會導致部分子系統的數據丟失。而主從機的權重的確定主觀性太強、難以真正符合工程現場的實際狀況。數據分布式冗余技術通過通道任務的切換可以解決交叉故障引起的數據丟失現象，缺點是技術復雜、實現功能的代價較高。

3.2 FEP狀態切換

3.2.1 系統啟動時冗余切換判斷流程

系統啟動時，對方有三種狀態。

①值班狀態：對方已工作，能監聽到心跳。

②停機或通道任務故障狀態：監聽不到對方的心跳。

③同時啟動狀態：發送請求值班消息后又收到對方的請求值班消息。在這種情況下，系統可通過產生隨機數決定哪一方值班。

3.2.2 切換判別方法

對于冗余通道的任務切換方式，可分為兩種情況。

①冗余信息交互任務自動判別。

當任務通道處于值班狀態時，任務通道必須每隔1～5 s向冗余對方發送一條心跳消息。當任務通道處于備用狀態時，冗余信息交互任務負責監聽對方對應任務通道的心跳。若對方對應任務通道心跳超時，則認為對方任務通道故障，于是自動將本機對應的任務通道切為值班狀態，同時告知對方，請對方通過冗余信息交互任務將對方對應的任務通道切為備用狀態。這種切換大多發生在對方因任務通道出錯被操作系統掛起或對方FEP死機時。

②任務通道判別。

一個任務通道對應一個通信程序，任務通道判別也就是要求通信程序自行判別什么時候必須切換通道。冗余信息交互任務為任務通道提供了接口，允許任務通道主動提出切換。之所以這么做，主要是因為在有些通信應用中要根據各自的通道狀態或所采集的數據進行判別，而這些信息冗余信息交互任務是無法得到的。如：某個任務通道TCP鏈接中斷，反復嘗試數次后仍然無法建立鏈接，故不得不切到備用通道。

4 結論

FEP是地鐵ISCS與子系統之間通信的通道。FEP不但能完成硬件接口的轉換，還能實現數據的采集、協議的轉換、上層網絡的轉發等功能[8]。

本文對嵌入式高性能FEP設計中的關鍵技術給出了闡述，包括硬件設計要點、軟件的架構和冗余方案的設計等，保證了ISCS的接口功能和性能。本文敘述的FEP設計方案具有較強的靈活性，不但解決了多種硬件介質的接入問題，還有效地阻止了網絡風暴。目前，據此方案設計的FEP已經用于國內多條地鐵綜合監控線路中,運行狀況良好。該FEP設計方案稍加開發就可用于多種大型集成系統中。