基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统设计.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言多数城市的轨道交通建设12较复杂，所采用的监控设备存在寿命短、监控效率差的问题。针对监控设备的不 足，西 班 牙 早 已 采 用 综 合 监 控 系 统（Integrated Supervisory Control System,ISCS）对城市轨道交通进行实时监控。为了解决轨道交通监控中的问题，需要对城市轨道交通综合监控系统进行设计。汤石男等提出一种基于云平台的城市轨道交通综合监控系统设计方案3，该方法根据云平台机制简化应用软件，同时优化监控系统的总体构架。通过云平台的特点，将轨道交通控制中心及其数据库引入到云平台中，以此降低数据不能同步的风险；再根据降低结果实时监控轨道交通的运行状态。但是，该方法引入的数据DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.012引用格式：黄周彬.基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统设计J.现代电子技术，2023，46（18）：6165.基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统设计黄周彬（天津大学，天津 300072）摘 要：城市轨道交通监控涉及车内监控分站和人员跟踪分站等多个方面，其数据采集和处理的实时性、准确性会影响监控系统的运行性能。为提高监控系统 CPU利用率和安全性，文中基于 CAN总线技术设计一种城市轨道交通综合监控系统。基于CAN总线设置城市轨道交通综合监控框架，硬件部分选择DSP数字信号处理器实现多节点数字信号处理；采用dasRdb 系统数据库，利用实时数据服务器的空间分配技术处理数据。软件设计方面，在 IndasMake 开发环境中分析IndasIBNS组态软件，分别设计城市轨道交通综合监控模块、系统权限与安全管理模块、网络监控功能模块、监控报警模块。为验证基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统的整体有效性，设计实验进行对比测试。实验结果表明，所设计系统延时保持在2 s以下，系统CPU利用率高于89%，系统安全性高于91.5%，说明该系统监测效果较好，安全性高。关键词：城市轨道交通监控系统；CAN总线；DSP数字信号处理器；dasRdb实时数据库；IndasIBNS组态软件；网络监控；CPU利用率中图分类号：TN945.2334 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18006105Design of urban rail transit integrated supervisory control system based on CAN busHUANG Zhoubin(Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract：Urban rail transit monitoring involves many aspects,such as in vehicle monitoring substation and personnel tracking substation.The realtime and accuracy of data acquisition and processing can affect the operation performance of the supervisory control system.In order to improve the CPU utilization and safety of the supervisory control system,an urban rail transit integrated supervisory control system is designed based on CAN bus technology.The integrated supervisory control framework of urban rail transit is set based on CAN bus.In the hardware part,DSP digital signal processor is selected to realize multinode digital signal processing,and the space allocation technology of realtime data server in the dasRdb system database is used to process data.In the software design,the IndisIBNS configuration software in the IndisMake development environment is analyzed,and the urban rail transit integrated supervisory control module,system authority and safety management module,network supervisory control function module,and supervisory control alarm module is designed respectively.The overall effectiveness of the urban rail transit integrated supervisory control system based on CAN bus is verified,experiments were designed for comparative testing.The experimental results show that the designed system has a delay of less than 2 s,a CPU utilization rate of more than 89%and a system security of more than 91.5%,which verify that the supervisory control effect of the system is good and the security is high.Keywords：urban rail transit supervisory control system;CAN bus;DSP digital signal processor;dasRdb real time database;IndisIBNS configuration software;network supervisory control;CPU utilization收稿日期：20230107 修回日期：202302236161现代电子技术2023年第46卷不够完善，存在系统延时较长的问题。谢博才等设计了一种铁路车站调车作业综合监控系统4。该方法在设计监控系统软件与硬件的基础上，在系统内展示出监控状况，并将作业监控过程输入到系统平台中，便于人们分析监控信息。但是该方法的展示效果不理想，存在系统CPU利用率低的问题。华路捷等提出一种城市轨道交通车辆实时监测与分析系统5。该方法采用轨道交通在驾驶过程中的实时状态数据，通过监控处理中心对其进行跟踪，并对跟踪数据进行分析和指挥；同时实时传输轨道交通正在运行的数据，采用监测分析系统对其进行处理分析，以此完成监控。但是该方法的跟踪效果不稳定，存在系统安全性差的问题。为了降低系统延时，提高系统 CPU 利用率和安全性，本文提出一种基于 CAN 总线的城市轨道交通综合监控系统设计方法。1 总体框架设计为了使城市轨道交通能够得到有效监控，需要基于CAN 总线优化现有的城市轨道交通综合监控框架。CAN总线由多个部分组成，其整体结构如图1所示。图1 CAN总线结构图CAN 总线与各种传感器和外控设备相互连接，可以显示监控信息。将监控系统内的模块与 CAN 相连，CAN 总线扩展出多输入多输出接口，将其与液晶显示屏连接，能够实时显示监控数据。2 系统硬件设计2.1 CAN控制器城市轨道交通监控系统需要在上下分别连接两个CAN 通信网络，一般采用单独 CAN 控制器芯片的情况下，需要一个 MPU 同时对两个 CAN 控制器芯片进行控制；缺点是无法保证城市轨道交通监控系统运行的稳定性，一旦出现故障，维修过程也较为复杂。为了避免上述情况发生，本文在城市轨道交通监控系统的设计中，选择内置 CAN 控制器模块的单片机 STM32，单片机STM32只需连接一个CAN控制器即可完成对CAN通信网络的控制，相比于以往的电路设计更加简单。单片机STM32外扩CAN控制器电路如图2所示。图2 单片机STM32外扩CAN控制器电路城市轨道交通监控系统需要实时上传监控单元采集到的城市交通轨道的环境参数信息，上位机一旦监测到采集信息中可能会出现影响城市轨道交通的情况，就会触发监控系统报警模块，监控的情况不同，报警方式也不同。当管理人员接收到不同报警后，采用相对应的处理方法对城市轨道交通出现的状况进行相应处理。2.2 数字信号处理器本文设计的城市轨道交通综合监控系统选择 DSP数字信号处理器6实现多节点数字信号处理。设计系统的硬件框图如图3所示。图3 系统硬件框图为了满足系统通信效率和通信稳定性的需求，并实现更多信号量的处理，本文系统硬件中设计两个通道，分别为 DSP 和 FPGA 半定制电路。在 FPGA7两个通道间设置 EMIF 总线、高速 LVDS 数据线、离散线等，并在两个通道之间设置多节点数字信号交换与通信的电路；其次，将SRIO设置在通道口，以实现多节点数字信号的快速处理。本 文 系 统 的 模 拟 开 关 选 择 单 路 集 成 CMOS 的62第18期ADG407 模拟开关；将 AD1674 型 A/D 转换器作为内部转化工具使用，用以采集多节点数字信号。在节点数字信号储存位置选择 PLX接口芯片，可启动串行 E2PROM只读存储器与双端口RAM，实现节点信号快速存储。2.3 dasRdb实时数据服务器在城市轨道交通监控系统中，实时数据库89占据着重要位置，它可以对城市轨道交通数据进行监督和控制。dasRdb实时数据服务器的整体示意图如图4所示。图4 实时数据服务器示意图dasRdb 实时数据库具有处理数据的功能，它可以处理50万点的数据。在dasRdb数据库对数据进行处理前，会优先利用空间分配技术对待处理数据进行存储，同时用户在搜索历史数据时也会自动提供TCP端口，以此加快检索速度，便于用户快速查询。系统在运行期间若有数据产生变化，该实时数据库就会自动将其保存。3 系统软件设计3.1 系统开发环境与组态软件3.1.1 IndasMake开发环境城市轨道交通综合监控系统软件设计中必不可少的一部分就是开发环境，IndasMake开发环境的功能较多，有助于对获取的信息进行实时处理。IndasMake开发环境的主要功能包括：对动态事件及脚本的编写、生成 Web发布文件、对画面的编辑和工程编译等。在工程变量中，可以将所有用户数据看作一个整体，即数据结构，它可以利用设备直接对数据进行 处 理，以 此 提 升 数 据 分 类 及 数 据 处 理 的 效 率。IndasMake开发环境为系统管理人员带来了诸多便利，减轻了管理员的工作。3.1.2 系统IndasIBNS组态软件城市轨道交通综合监控系统主要由 IndasIBNS 组态软件及实时数据库组成，其中 IndasIBNS 组件可以及时监控城市轨道交通的运行，软件的示意图如图 5所示。如图 5 所示，IndasIBNS 组件是一个可以二次开发事件和驱动程序的软件平台，它可以将实时数据传输到系统管理处，使系统管理员能够及时对数据进行分析和查询。该组件本身具有强大的功能和独特的优点，例如可以对数据进行同步更新，有内存较大的实时数据库等，属于一个集成平台。图5 IndasIBNS组件通过图 5 可以看出，IndasIBNS 组件的内部是一种分布式结构，这种结构可以对网络负载容量进行有效扩充，以此达到负载容量高的目的。3.2 系统软件模块设计3.2.1 城市轨道交通综合监控模块城市轨道交通综合监控模块对城市轨道交通进行实时监控时，系统会根据轨道交通的不同，设置出不同的监控周期及监控数据。该模块可以在线上对城市轨道交通进行监控，也可以在线下依据不同设备的传感器对监控信息和设备状态进行管理、查看；还可以通过获取实时的轨道监控数据对数据进行分析处理，并对相关数据进行展示。3.2.2 系统权限与安全管理模块为了确保城市轨道交通综合监控系统的整体有效性，需要进行系统权限及安全管理模块设计。使用该系统前，应优先对用户进行集中权限管理，以此达到用户权限一致性的目的。用户在登录时具有一定的权限10，在系统后台，操作人员将用户密码进行二次加密，任何人都无法查看其他人的密码，具有一定的保密性。系统管理员登录系统后，可以对整个系统进行管理和控制的同时，还可以对现场设备进行控制，表现为：1）禁止设备遥控，允许设备监视；2）对设备遥控和监视共同禁止；3）允许设备进行遥控和监视。在该模块中，具有安全控制权限的人可以对系统执行相应的控制，即可以对用户设置的 PTW、屏蔽、强制等功能进行解除。如果用户存在操作异常行为，拥有该权限的人员就可以将用户账号清除，不再允许此用户进入系统内。3.2.3 网络监控功能模块网络监控11功能模块主要表现在对系统网络及监控设备运行情况的实时检查，若系统或设备出现故障，黄周彬：基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统设计63现代电子技术2023年第46卷网络监控模块将自动报警，并对故障情况进行相应处理。网络监控功能模块如图6所示。图6 网络监控功能模块网络监控功能模块主要对上述 5 种系统状态进行监控，它对系统、设备的检查方式具有两种：1）扫描方式。首先对网络监控模块的扫描周期进行设置，设置时间为60 s，当扫描时间响应时，网络监控模块就会对所有设备及系统进行扫描。若扫描正常，就会在下个周期继续进行扫描；若发现异常，该模块就会对异常情况做出相应处理，并报警。2）陷阱方式。将陷阱方式建立在该模块中，依据系统网络将具有故障的信息传输到服务器中，服务器收到信息数据后就会自动报警。3.2.4 监控报警模块城市轨道交通综合监控系统对交通情况进行监控时，若监控期间发生故障，需要通过监控报警模块进行报警，管理人员根据报警信息对故障数据12进行处理。报警功能主要通过实时服务器进行维护，由于监控的数据不同，致使发出报警的方式也大不相同，具体为：1）单位开关变位报警。在监控报警模块中设立固定的报警值，当开关量达到报警值时，系统就会自动发出报警，直到恢复正常值后结束报警。2）双位开关量报警。双位开关量一直处于报警状态时，一定时间段后系统会生成报警。3）模拟量越限报警。首先对模拟量值的上下限进行设置，当模拟量值超过上限时，就会生成模拟量上限报警；当模拟量超出下限时，系统就会发出模拟量下限报警。4）设备故障报警13。当监控设备出现故障后，该系统会自动启动报警诊断功能对故障数据进行诊断，根据诊断结果对其进行处理。5）网络通信故障报警14。若系统通信网络出现异常情况，系统就会发出通信故障报警。根据上述报警功能的分类，当管理人员接收到报警信息后，需要对报警信息进行确认，确认完成后采取相应措施，直至报警结束。通过以上对系统软件及硬件的设计，实现城市轨道交通综合监控系统的整体设计。4 实验与分析为了验证基于 CAN总线的城市轨道交通综合监控系统设计方法的整体有效性，进行对比测试。采用基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统设计方法与基于云平台的城市轨道交通综合监控系统方案方法（方法 1）、铁路车站调车作业综合监控系统设计研究方法（方法2）进行测试。4.1 实验设置调取某市某快车道近 15天内的行车数据作为测试数据，将样本数据进行归一化处理后，输入至搭载 i7处理器的 WIN10 系统中的 Matlab 2016a 测试平台。图 7所示为监控位置布设图。图7 监控位置布设图4.2 延时测试结果分析采用设计方法、方法 1和方法 2对监控系统延迟时间进行测试。在测试数据中随机抽取 1 200 GB 的数据进行系统延时测试，具体测试结果如图8所示。图8 监控系统延时测试根据图 8可知，不同方法的系统延时都会随着数据量的增加而增加。方法 1的系统延时时间从 3.6 s增长至 4.4 s，增长幅度较为稳定；方法 2的系统延时时间从2.5 s增长至 4.1 s，增长幅度较大；而本文设计方法的系统延时时间从 1.2 s开始始终保持在 2 s以下，说明设计方法的系统延时时间最短，系统监控实时性高。这是因为设计方法采用了 IndasIBNS组件，它可以将实时数据快速传输到系统管理处，降低了系统的延时效果，提升了监控系统的实时性。64第18期4.3 CPU利用率测试结果分析利用设计方法、方法 1 和方法 2 分别对监控系统CPU利用率进行有效测试，利用率越高，说明系统监控效果越好，测试结果如图9所示。图9 监控系统CPU利用率根据图 9中的数据发现，随着数据量的增加，不同方法的 CPU 利用率均产生不同程度的波动。方法 1的利用率为75%83%，方法2的利用率为62%71%，并且CPU利用率的波动较大；而本文设计方法的CPU利用率为89%96%，始终保持最高，并且波动较小，较为稳定，可见设计方法的系统监控效果好。4.4 安全性测试结果分析选取监控系统中的系统权限与安全管理模块，利用设计方法、方法 1 和方法 2 对其进行系统安全性测试。选取100名不同的用户对系统进行登录，测试登录是否安全，测试结果如表1所示。表1 不同方法的系统安全性测试结果%用户个数/个102030405060708090100设计方法98.798.597.697.899.597.896.897.896.591.5方法190.890.990.589.788.587.685.684.383.282.1方法290.586.989.889.683.684.987.882.384.782.3分析表 1中的数据发现，设计方法的总体系统安全性高于 91.5%，相较于方法 1 和方法 2 的最高安全性90.8%和90.5%更高。由此说明基于CAN总线的城市轨道交通综合监控系统在不同数量访问用户登录时具有更高的安全性，并发处理性能较好。原因在于设计系统设计了系统权限与安全管理模块，对访问用户进行了划分和权限设置，优化了整体系统的安全性。5 结 语针对城市轨道交通综合监控系统存在的延时较高等问题，本文设计一种基于 CAN 总线的城市轨道交通综合监控系统。首先对系统硬件进行设计，并将 CAN总线与系统模块进行连接，以达到实时显示监控数据的目的；再通过分模块设计方式完成系统软件设计，将系统软件与硬件相结合，实现监控系统总体设计。测试结果表明，设计系统优化了城市轨道交通综合监控性能。参考文献1 胡林，兰涛.人脸识别系统在重庆轨道交通公安系统中的应用J.城市轨道交通研究，2021，24（10）：154156.2 李清嘉，彭建东，杨红.武汉市不同站域建成环境与轨道交通站点客流特征关系分析J.地球信息科学学报，2021，23（7）：12461258.3 汤石男，李冰.基于云平台的城市轨道交通综合监控系统方案J.城市轨道交通研究，2020，23（5）：7681.4 谢博才，杨华昌，冯军.铁路车站调车作业综合监控系统设计研究J.铁道运输与经济，2020，42（11）：8691.5 华路捷，谢谦，刘宠，等.城市轨道交通车辆实时监测与分析系统研究J.都市快轨交通，2020，33（1）：134138.6 薛海卫，沈婧，王进祥，等.一种数字信号处理器的单粒子翻转加固设计J.固体电子学研究与进展，2021，41（4）：299303.7 吴婷，黄超，朱怀宇.软件辅助 FPGA 实现安全监控系统的方法研究J.自动化仪表，2021，42（10）：9497.8 丁煦航，奚维斌，谢杰，等.基于 TDengine的 EAST工程数据监控系统J.自动化与仪表，2022，37（7）：1619.9 曹岚，沈银钢，施春燕，等.户用光伏组件远程监控Web端设计J.制造业自动化，2023，45（2）：111113.10 王扬，方晖，蒋坚迪，等.地铁综合监控系统信息安全角色分配权限控制模型J.科技通报，2022，38（5）：5760.11 NELSON F E,SHIKLOMANOV N I,NYLAND K E.Cool,CALM,collected:the circumpolar active layer monitoring program and network J.Polar geography,2021,44(3):155166.12 刘文雅，徐永能.基于改进 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