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标题 铁路大型电子DCS通信系统的优化设计与实现
范文 郭虹



摘 要： 由于铁路运输中存在较多的影响因素，传统铁路大型电子通信系统无法有效保障鐵路运输安全。因此，构建能够有效提升铁路运输安全性能的铁路大型电子DCS通信系统。该系统由通信主站模块、通信从站模块和信号采集模块组成。通信主站模块利用TMS570LS技术获取对铁路车站联锁的管理命令，并将其传输到通信从站模块。通信从站模块根据管理命令管理铁路车站联锁，并进行信号采集模块的驱动工作。信号采集模块被驱动后，开始采集铁路车站联锁信号。通信从站模块和信号采集模块中的信号均传输到通信主站模块进行统一的分析、优化和预警。系统软件部分设计了信号传输损耗函数以及系统存储器优化语言。实验结果表明，所设计的系统能够有效提升铁路运输安全性能，增加铁路车站通车量。
关键词： 铁路运输； DCS通信系统； 系统优化； TMS570LS技术
中图分类号： TN99?34； TP283.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0158?05
Optimization design and implementation of large electronic DCS communication
system for railway
GUO Hong
（Hohhot Vocational College， Hohhot 010051， China）
Abstract： Since the traditional large electronic communication system for railway can't effectively guarantee the transportation safety of the railway due to the multiple influence factors existing in the railway transportation， a large electronic DCS system of the railway was constructed， which can improve the railway transportation safety effectively. The system is composed of the communication master station module， communication slave station module and signal acquisition module. The TMS570LS technology is used in the communication master station module to acquire the management command for railway station interlocking， and send it to the communication slave station module. The communication slave station module manages the railway station interlocking according to the management command， and drives the signal acquisition module to acquire the railway station interlocking signal. All the signals coming from the communication slave station module and signal acquisition module are transmitted to the communication master module for the unified analysis， optimization and early warning. The signal transmission loss function and system memory optimization language are designed in the third part of this paper. The experimental results show that the designed system can improve the safety of railway transportation and throughout capacity of railway station.
Keywords： railway transportation； DCS communication system； system optimization； TMS570LS technology
0 引 言
铁路是人们生活中必不可少的运输工具，为保障铁路运输的安全性，提升铁路车站的通车量，科研组织设计了铁路大型电子通信系统[1?4]。由于在铁路运输中山丘、高楼、隧道等影响因素非常常见，使传统铁路大型电子通信系统无法有效保障铁路运输安全性，导致铁路车站的通车量偏低[5?6]。因此，构建出一种能够有效提升铁路运输安全性能的铁路大型电子通信系统，是目前科研组织的重点研究方向。
以往研究的铁路大型电子通信系统均存在一定问题，如文献[7]提出铁路大型电子集中式通信系统，该系统能够对铁路信息进行集中管理，其管控能力强，在一定程度上保证了铁路运输的安全性，但集中式通信系统的信息传输效率较低，信息通道经常发生拥堵现象。文献[8]提出基于SIMIS的铁路大型电子通信系统，该系统由多种信息处理模块组成，并利用计算机对信息进行集中管控，硬件兼容性较高且能够较好地提升铁路运输的安全性能。但该系统的算法较为复杂，且硬件损伤率高。文献[9]提出铁路大型电子K5通信系统，该系统选用双极中央处理器实现铁路运输信息的高速传输，并拥有良好的稳定性，但该系统的整体效率不高，需要通过外接设备进行铁路运输信息的再处理。文献[10]提出基于EBILOCK的铁路大型电子通信系统，该系统将通信优化系统与铁路显示器相连，并采用全程分散式管理的方式提升了铁路运输效率。但该系统的管理方式过于保守，未能最大限度地提升铁路运输的安全性能。
为了解决以上问题，构建铁路大型电子DCS通信系统。实验结果表明，所设计的系统能够有效提升铁路运输的安全性能，增加铁路车站通车量。
1 铁路大型电子DCS通信系统设计
1.1 系统整体设计
铁路大型电子DCS通信系统由通信主站模块、通信从站模块和信号采集模块组成，如图1所示。
所设计的铁路大型电子DCS通信系统是在传统通信系统的基础上，采用分布式的管理方式进行铁路车站联锁信息的优化。该系统利用通信从站模块和信号采集模块分散控制铁路车站联锁信息，再通过通信主站模块对铁路车站联锁信息进行集中管理，进而优化铁路运输的安全性能，提升铁路车站通车量。
1.2 通信主站模块设计
通信主站模块由控制芯片和TMS570LS平台组成。该模块利用TMS570LS技术获取对铁路车站联锁的管理命令，并将其传输到通信从站模块。图2是通信主站模块工作原理图。
图2中控制芯片的中央处理器的选择应从铁路大型电子DCS通信系统的安全性能入手，选用某公司生产4590中央处理器。4590中央处理器作为应用率较高的四内核处理器，拥有超高的解码速度和安全性。通信主站模块利用TMS570LS平台实现4590中央处理器的完美锁步，在一定程度上杜绝了铁路大型电子DCS通信系统的运行故障。TMS570LS平台还提供给系统管理人员多种运算程序，为铁路大型电子DCS通信系统的后期完善工作提供了技术支持。图3为TMS570LS平台工作原理图。
由图3可知，TMS570LS平台的工作流程为：TMS570LS平台先对中央处理器进行锁步处理，随后初始化中央处理器。通信主站模块使用两个中央处理器共同工作，以避免外界干扰电压频率对铁路大型电子DCS通信系统电路的运行产生不利影响。中央处理器2受中央处理器1管控，二者工作的初始数据均由中央处理器1统一传送，以同时进行通信控制和优化。通信控制操作能够及时检查出中央处理器的故障数据，保障了铁路大型电子DCS通信系统的正常运行。TMS570LS平台也可对通信主站模块电路中两个中央处理器的延迟类型进行控制，并将二者延迟的循环周期输出进行通信控制。
通信控制操作先進行两个中央处理器延迟循环周期的对比。若对比结果显示两个中央处理器中的延迟循环周期数据相同，通信主站模块则可进行铁路车站联锁管理命令的获取工作；若不同，TMS570LS平台将会对查询出的不正常数据进行误差分析，并及时传输给系统管理人员进行预警，同时将中央处理器中的数据重置，重新进行延迟循环周期的对比分析。
1.3 通信从站模块设计
通信从站模块根据通信主站模块传输来的管理命令进行铁路车站联锁的管理操作，并利用驱动平台进行信号采集模块的驱动。通信从站模块被安装在铁路轨道的两侧，方便其管理铁路车站联锁。
通信从站模块先进行管理命令的识别工作，按照管理命令所对应的铁路车站联锁的位置，将管理命令由远及近地进行分类。分类后的管理命令通信效率更高，且不容易发生管理命令分配错误的情况。当驱动平台接收到管理命令，会先与通信主站模块进行管理命令的对比工作，确定其准确无误后，再进行信号采集模块的驱动工作。驱动平台与通信主站模块两者直接相连，其连接示意图如图4所示。
由图4可知，通信从站模块采用多个驱动平台并联的方式，有效增强了铁路大型电子DCS通信系统的安全性与稳定性。高端定时器对两模块的对比工作进行计时，所获取的计时数据将存储于驱动平台。管理命令经由通用输入/输出接口进行传输。通信从站模块中的工作数据也将经由模数转换后传输到通信主站模块中进行通信控制和优化。在此过程中，若通信主站模块检查出通信从站模块的故障数据，将直接给予系统管理人员预警信号。
通信从站模块根据对比无误的管理命令，进行铁路车站联锁操作，并同时利用驱动平台进行信号采集模块的驱动工作。
1.4 信号采集模块
信号采集模块经通信从站模块中的驱动平台驱动后，开始进行铁路车站联锁信号采集工作。铁路车站联锁信号是铁路通信的重要内容，经由对该信号进行分析和优化，可使铁路车辆的运行更加安全稳定，并有效提升铁路车站的通车量。
信号采集模块由采集器和存储器组成。采集器可同时进行铁路车站联锁10路信号的采集工作，存储器将所采集到的信号存储为标准格式，并传输到通信主站模块进行分析和预警。
2 铁路大型电子DCS通信系统软件设计
2.1 信号传输损耗函数设计
为获取铁路大型电子DCS通信系统的信号传输损耗值，假设信号传输损耗为（是信号传输损耗总功率，是信号传输总距离），信号输入功率为，信号输出的平均功率为，三者在前向链路中的函数关系如下：
（1）
则大尺度路径损耗平均值的函数表达式为：
（2）
式中：是铁路车站联锁输入设备和输出设备间的距离；是地平线标准距离；是信号传输损耗参数；是铁路车站联锁输入设备到地平线的平均信号传输损耗。通常，的取值范围是[100 m，1 000 m] 。假设是常数，则有：
（3）
由式（3）可进一步得到大尺度路径损耗平均值，如下：
（4）
在铁路运行中，山丘、高楼、隧道等影响因素非常常见，为铁路通信带来了较多不便，现给出这些影响因素输出信号功率概率密度的表达式，以提升铁路大型电子DCS通信系统的通信准确率，如下：
（5）
式中：代表影响因素与铁路车站联锁输出设备的距离；代表密度参数，取值为4.343；代表影响因素的概率标准差，单位为；代表初始信号的平均输出功率，与存在函数关系如下：
（6）
因此，可获取影响因素输入信号功率概率密度的表达式如下：
（7）
式中：代表影响因素与铁路车站联锁输入设备的距离；是初始信号的平均输入功率；是影响因素通信参数；是欧拉第二积分。
由以上各式可得信号传输损耗的最终函数为：
（8）
2.2 系统存储器的实现
铁路大型电子DCS通信系统信号采集模块中存储器的性能直接决定了通信效率，利用软件对该存储器进行优化，其优化语言为：
DOMAIN
{
checkout：assignments=READ?ONLY_RECALL；
MERGE OPERATOR：working=RANDOM_ACCESS_RECALL；
{
business1：{archive1.int（business）}；
business2：{archive2.int（business）}；
}
business3：working= RANDOM_ACCESS_RECALL {target.int（business）}；
}
inn0x300 /*the_dimension_of_inn_part */
heap0x5xx /*the_dimension_of_sys_part */
textra.contrast
RECALL
{
PAGINATION 0： /*PLCRandom_Access_Recall recall*/
PLC_RANDOM_ACCESS_RECALL（READ/WRITE/EXECUTE）：
init=0x0100，size=0x55x；
PLC_EXTRA（READ/WRITE/EXECUTE）：init=0x8000，size=0x6FF；
/* Interrupt the operation of the acquisition of the signal*/
CARRIER（READ/WRITE/EXECUTE）： init=0x0080，size =0x80；
PAGINATION1： /*txt_recall，Reserved_Address*/
/*a_lot_of_insideDARANDOM_ACCESS_RECALL */
TXT_RANDOM_ACCESS_RECALL1 （READ/WRITE）：init=0x2800，size=0x200；
TXT_RANDOM_ACCESS_RECALL （READ/WRITE）：init=0x100，size=0x2800；
TXT_EXTRA（READ/WRITE）：init=0x4000，size=0x4000；
}
3 实 验
铁路车站的通车量和铁路运输的安全性能息息相关，铁路运输的安全性能越高，列车在行驶过程中所遇到的阻碍就越小，运行效率就越高，铁路车站的通车量就越多。为了验证本文设计的铁路大型电子DCS通信系统能够有效提升铁路运输安全性能，进行实验。实验利用基于SIMIS的铁路大型电子通信系统和本文系统，分别对反向链路和前向链路的安全性能提升效果进行验证。
3.1 反向链路的安全性能验证
实验在铁路通信反向链路的不同通信通道上，进行基于SIMIS的铁路大型电子通信系统和本文系统对铁路运输安全性能提升效果的验证，记录下实验结果，并将其绘制成曲线图。图5是基于SIMIS的铁路大型电子通信系统对反向链路安全性能提升效果曲线图，图6是本文系统对反向链路安全性能提升效果曲线图。
由图5、图6可知，在反向链路中，铁路大型电子通信系统对不同的通信通道的安全性能提升效果也不同，这是由于不同的通信通道，其节点中所涵盖的影响因素也不同。基于SIMIS的铁路大型电子通信系统对反向链路安全性能的提升效果集中在[36%，55%]，且安全性能提升效果曲线存在明显的下降趋势，证明该系统对铁路运输安全性能的影响比较不稳定，无法有效增加铁路车站的通车量；而本文系统对反向链路安全性能的提升效果集中在[48%，59%]，且安全性能提升效果曲线整体较为平稳，验证了本文系统能够有效提升铁路运输安全性能，增加铁路车站的通车量。
3.2 前向链路的安全性能验证
为了排除实验的偶然结论，进行前向链路的安全性能验证实验。实验在铁路通信前向链路的不同通信通道上，进行基于SIMIS的铁路大型电子通信系统和本文系统对铁路运输安全性能提升效果的验证，其结果分别如图7和图8所示。
在图7和图8中，由于前向链路的安全性能受使用者终端的传输速率影响较大，因而铁路大型电子通信系统对前向链路安全性能提升效果曲线的波动较大。易看出，基于SIMIS的铁路大型电子通信系统安全性能提升效果曲线比本文系统的安全性能提升效果曲线的波动大，且其安全性能的整体提升率低于本文系统安全性能的整体提升率。验证了本文系统能够有效提升铁路运输安全性能，增加铁路车站的通车量。
4 结 论
本文构建能够有效提升铁路运输安全性能的铁路大型电子DCS通信系统，该系统由通信主站模块、通信从站模块和信号采集模块组成。通信主站模块利用TMS570LS技术获取对铁路车站联锁的管理命令，并将其传输到通信从站模块。通信从站模块根据管理命令管理铁路车站联锁，并进行信号采集模块的驱动工作。信号采集模块被驱动后，开始采集铁路车站联锁信号。通信从站模块和信号采集模块中的信号，均传输到通信主站模块进行统一的分析、优化和预警。软件部分设计了信号传输损耗函数，以及系统存储器优化语言。实验结果表明，所设计的系统能够有效提升铁路运输安全性能，增加铁路车站通车量。
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随便看

　

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更新时间：2024/12/22 21:27:54