以数据为中心的轨道交通安全计算机平台通信管理机制研究.pdf
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1、总第 484 期2023 年第 4 期以数据为中心的轨道交通安全计算机平台通信管理机制研究陶源,代飞,颜光,戴熙昌(湖南中车时代通信信号有限公司,湖南 长沙 410005)摘要:在传统的轨道交通信号系统中,关键子系统都是基于总线通信的安全计算机平台实现的。该平台中,所有设备共享同一总线,通常需要实施多种措施并设计复杂的通信机制,不仅严重影响软件开发的效率和质量,同时,随着业务需求的增加,总线通信的性能瓶颈也日益显现。为此,文章提出一种以数据为中心的轨道交通安全计算机平台通信管理机制方案。该平台采用双网冗余架构,所有设备均通过以太网进行数据交换,采用发布订阅的消息机制,实现了松散耦合,降低了系统
2、开发的复杂度,显著提高了开发效率,改进了产品质量,并具有更高的带宽和更好的通信性能。试验表明,以数据为中心的安全计算机平台具有高吞吐量、低时延的特点,能够满足轨道交通信号系统应用对实时性和高性能的要求。关键词:安全计算机平台;发布-订阅机制;通信性能;轨道交通信号系统中图分类号:TN919.3;TP393.1 文献标识码:A 文章编号:20965427(2023)04008505doi:10.13889/j.issn.20965427.2023.04.013Research on the Communication Management Mechanism of a Data-centric
3、Vital Computer Platform for Rail TransitTAO Yuan,DAI Fei,YAN Guang,DAI Xichang(Hunan CRRC Times Signal&Communication Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410005,China)Abstract:In the traditional rail transit signal system,the key subsystems are realized by the vital computer platform based on bus communication.O
4、n this platform,all devices share the same bus,so usually a variety of measures and a complex communication mechanism need to be implemented and designed.This not only seriously affects the efficiency and quality of software development,but also restricts the performance of bus communication with th
5、e increase of operation demand.Therefore,this paper proposes a data-centric communication management mechanism of vital computer platform for rail transit.The platform uses dual-network redundancy architecture,and all devices exchange data through Ethernet.With the application of a publish-subscribe
6、 message mechanism,the platform achieves loose coupling,greatly reduces the complexity of system development,significantly improves development efficiency and product quality,and realizes higher bandwidth and better communication performance.Experiments show that the data-centric vital computer plat
7、form features high throughput and low latency,which can meet the requirements of real-time and high-performance applications of rail transit signal systems.Keywords:vital computer platform;publish-subscribe mechanism;communication performance;rail transit signal system信息技术与系统收稿日期:20230209作者简介:陶源(198
8、4),男,硕士,主要从事轨道交通安全计算机平台嵌入式软件研发工作。基金项目:湖南省创新平台与人才计划项目(2022TP2003)852023 年第 4 期0引言在轨道交通信号系统中,关键子系统,如列车防护(ATP)、计算机联锁(CBI)、无线闭塞中心(RBC)和区域控制器(ZC)等,都是基于冗余架构的安全计算机平台来实现的1-2。这些子系统的设计和实现都严格遵循了安全性和可靠性的要求,以确保轨道交通的顺畅和安全运行。传统基于总线通信的安全计算机平台通过设计复杂的通信协议来保证数据安全性和可靠性,这往往会导致设备间数据交互过程非常复杂,软件实现时需考虑消息缓存、状态管理、协议解析、拆解、过滤等,
9、导致系统开发难度大、效率低、质量无法保证。随着业务数据量不断增加,总线通信已不能满足日益增长的数据传输需求 3。本研究将数据分发服务(data distribution service,DDS)应用于安全计算机平台,突出数据的重要性和中心地位。这种以数据为中心的安全计算机平台提供了高效、可扩展、安全的数据处理和管理方式,极大降低了软件复杂度,提升了软件开发的效率及质量,同时满足实时和高性能要求。1安全计算机平台架构典型的安全计算机平台冗余架构有1oo1、1oo2、2oo2、2oo3和22oo2。本文描述的安全计算机平台采用基于以太网通信的22oo2安全-冗余架构 4,由2套冗余的系统以双机热备
10、方式构成主、备系。当任意一系发生故障,系统会迅速切换到另一系继续工作,从而保证系统可靠工作。主、备系都采用2个CPU工作,在逻辑上构成二取二关系,两系安全计算机之间构成二乘关系,并采用双网(红、蓝以太网)冗余方式进行通信。安全计算机平台由主机单元、通信单元、执行单元组成,其架构如图1所示。2数据分发服务DDS根据以数据为中心的发布-订阅模型,对象管理组织(object management group,OMG)制定了 DDS 数据分发服务规范5,并将负责创建和发送数据的软件(发布者)与负责接收和使用数据的软件(订阅者)进行了分离。发布者声明其发送和发布数据的意图,而订阅者则声明其接收意向,DD
11、S会自动完成数据分发工作。DDS软件架构如图2所示。在分布式系统中,应用程序利用DDS提供的API(application programming interface)接口实现各节点间的通信。DDS基于实时发布订阅协议(RTPS)6,并采用发布-订阅模式,从而使得DDS能够在各种物理设备和网络环境中进行可扩展、实时和可靠的数据通信。DDS的主要组件包括:(1)域(Domain5),其代表一个单独通信平面,连接同一域上的应用程序;(2)域参与者(DomainParticipant5),其为参与域内通信的应用程序;(3)数据发布者(Publisher5),其负责创建和配置DataWriter,设置
12、发布主题;(4)数据写入者(DataWriter5),其是主题下发布数据的实体;(5)数据订阅者(Subscriber5),其创建和配置DataReader,订阅感兴趣主题;(6)数据读取者(DataReader5),其是主题下订阅数据的实体。3通信管理机制设计安全计算机平台的执行单元负责采集外部信号,图 2 DDS 软件架构Fig.2Architecture of DDS software图 1 安全计算机平台架构Fig.1Architecture of vital computer platform862023 年第 4 期陶源 等:以数据为中心的轨道交通安全计算机平台通信管理机制研究经内
13、部CPUA和CPUB表决后将数据发送给主机单元;同时接收主机单元输出的控制命令,控制外部执行机构。通信单元负责安全计算机平台与外部设备之间的通信。主机单元则负责对采集数据和外部通信数据进行校验,然后主、备系交换输入数据并进行逻辑/算术运算,最终输出经过表决后的安全数据。安全计算机平台内部通信被划分为4个域:安全输入输出域、安全管理域、逻辑计算域及非安全数据域。3.1安全输入输出域在执行单元内部,CPU之间进行通信以形成安全的输入输出域(如图3所示)。CPUA订阅CPUB发布的采集信号主题,而CPUB则订阅CPUA发布的采集信号主题,从而实现数据交换。经过CPUA和CPUB表决后,生成安全输入数
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