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

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 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.On 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 the 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 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 platform 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（1984），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，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，DDS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，生成安全输入数据供主机单元处理；同时，主机输出安全数据，并且执行单元CPUA和CPUB通过相互订阅输出信号主题来验证数据的有效性。3.2安全管理域安全管理域如图4所示，其主要实现安全计算机平台主机单元对执行单元的控制功能。系统上电自检完成后，两系主机单元确认主备关系，并接收执行单元表决后的输入采集数据进行独立计算并输出结果。在此过程中，主系主机单元负责控制执行单元的输出和状态迁移。为了确保安全计算机内部各个单元之间能够安全高效协作并保持安全性，两系主机单元需要在时间上实现同步。除了周期同步外，还需交换关键信息，如待表决数据、平台工作状态以及应用同步数据等。在主系主机单元出现故障时，备系主机单元会自动升级为主系，以确保系统的连续运行。当两系主机单元都发生故障时，则导向安全侧。3.3逻辑计算域主机单元内部的CPU接收执行单元采集的数据以及外部设备通信数据和主机应用业务数据，并对这些数据进行计算和交换，最终通过CPUA和CPUB表决出运算结果。同样，CPUA和CPUB也会对输出数据进行交换表决。此外，通过IT硬件信号和以太网实现时间同步。逻辑计算域如图5所示。3.4非安全数据域安全计算机平台作为封闭系统，其通信单元充当平台与外部系统或设备交换数据的接口。主机单元定期发送维护数据（如运行时间、软件版本、各单元状态等），通信单元将其转发至外部维修机，以便进行系统维护。在某个单元发生故障时，主机单元会发送故障信息，并由通信单元将其转发至远程维护终端，从而实现远程故障诊断。非安全数据域如图6所示。4通信性能验证在安全计算机平台中，通信性能是至关重要的，其图 3 安全输入输出域Fig.3Safety input and output domain图 4 安全管理域Fig.4Safety management domain图 6 非安全数据域Fig.6Non-safety data domain图 5 逻辑计算域Fig.5Logical calculation domain872023 年第 4 期中2个关键的性能指标是延迟和吞吐量7-8。延迟指数据从发送端到接收端所需的时间，较低的延迟意味着更高的实时性。吞吐量指单位时间内传输的数据量，较高的吞吐量意味着能够在较短时间内处理更多的数据量。在本研究中，对安全计算机平台基于传统的CAN总线9、套接字Socket10以及数据分发服务DDS113种通信方式的延迟和吞吐量进行了测试，具体测试环境配置如表1所示。根据表1中的配置，在相同的处理器和操作系统下，对以上3种通信方式进行不同消息长度的性能测试。测试结果如下：（1）在不同消息长度（64 字节、128 字节、256 字节、512字节和1 024字节）下，对3种通信方式（DDS、Socket和CAN）的延迟进行了测试，结果如图7所示。可以看出，相较Socket通信，DDS会产生一些额外的开销，从而导致稍微的延迟。然而，CAN总线的传输延迟最为显著。随着消息长度的增加，3种通信方式的延迟均有所增加，其中CAN总线的延迟增长最为明显。（2）在不同消息长度（64 字节、128 字节、256 字节、512字节和1 024字节）下，对3种通信方式（DDS、Socket和CAN）的吞吐量进行了测试，结果如图8所示。从图中可以看出，相较Socket通信，DDS会产生一些额外的开销，从而导致微小的吞吐量降低；然而，CAN总线的吞吐量最低。随着消息长度的增加，Socket和DDS的吞吐量均有所增加，而CAN总线的吞吐量基本保持稳定。随着消息长度的增大，CAN 总线与Socket和DDS的吞吐量差距更为显著。综上所述，与传统的CAN总线相比，基于Socket和DDS的通信方式具有显著的性能优势，包括更低的延迟和更高的吞吐量。然而，DDS相较Socket通信会引入一些额外的开销，稍微增加了延迟并略微降低了吞吐量。5结束语本文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。该平台采用双网冗余架构，提高了网络通信的可靠性；并采用数据分发服务DDS，以数据为核心的发布订阅消息机制支持松散耦合，从而降低了软件开发的复杂性，这使得用户可以专注应用程序的逻辑功能处理，显著提高了开发效率。通信性能测试结果表明，以数据为中心的安全计算机平台具有低延迟、高吞吐量的性能特点，能够满足轨道交通信号系统当前应用需求。虽然该平台已经具有较高的吞吐量和低延迟，但随着轨道交通系统的复杂性增加，对性能的需求也会持续增长。因此，数据处理速度、网络带宽利用率、系统响应时间等性能优化将是一个持续的研究方向。参考文献：1申竹林,代飞.轨道交通安全计算机可靠性分析J.机车电传动,2021(1):151-157.SHEN Z L,DAI F.Reliability analysis of vital computer in railwayJ.Electric Drive for Locomotives,2021(1):151-157.2颜光,沈运强,昝壮.轨道交通信号系统通用安全计算机内部时间同步的实现J.机车电传动,2018(2):53-56.YAN G,SHEN Y Q,ZAN Z.Realization of internal time synchronization of general vital computer in railway signaling systemJ.Electric Drive for Locomotives,2018(2):53-56.3刘义山.城轨列车以太网控车技术J.机车电传动,2020(3):图 7 延迟测试Fig.7Latency test图 8 吞吐量测试Fig.8Throughput test表 1测试环境配置Tab.1Configuration of test environment测试项CANSocketDDS速率500 Kibit/s100 Mibit/s100 Mibit/sCPUMPC5125MPC5125MPC5125操作系统Vxworks6.6Vxworks6.6Vxworks6.6882023 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85-88.LIU Y S.Research on Ethernet-based train control technology for urban railway systemJ.Electric Drive for Locomotives,2020(3):85-88.4马特乌斯,柯尼希斯埃德.汽车以太网M.李巍,周轩羽,译.北京:机械工业出版社,2018.MATHEUS K,KNIGSEDER T.Automotive ethernetM.LI W,ZHOU X Y,translated.Beijing:China Machine Press,2018.5 Object Management Group.Data distribution serviceS/OL.2022-12-10.https:/www.omg.org/spec/DDS/1.4.6 Object Management Group.The real-time publish-subscribe protocol(RTPS)DDS interoperability wire protocol specificationS/OL.2022-12-01.https:/www.omg.org/spec/DDSI-RTPS/2.2/PDF/.7史蒂文斯.TCP/IP详解,卷1:协议M.范建华,胥光辉,张涛,等译.北京:机械工业出版社,2013.STEVENS W R.TCP/IP illustrated,volume 1:agreementM.FAN J H,XU G H,ZHANG T,et al translated.Beijing:China Machine Press,2013.8库罗斯,罗斯.计算机网络:自顶向下方法M.陈鸣,译.6版.北京:机械工业出版社,2014.KUROSE J F,ROSS K W.Computer networking:a top-down approachM.CHEN M,translated.6th ed.Beijing:China Machine 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