高速道岔监测系统监测主机设计研究资料.doc

铁道部科技研究开发计划重点课题 铁道部科技研究开发计划重点课题 2011G0092011G009 高速铁路道岔监测技术研究之分报告二高速铁路道岔监测技术研究之分报告二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 西南交通大学土木工程学院西南交通大学土木工程学院 西南交通大学铁路发展有限公司西南交通大学铁路发展有限公司 二二 0 一二年九月一二年九月 目目 录录 1引言引言 1 1 1 研究目的 1 1 2 背景 1 2软件设计软件设计 1 2 1 软件总体结构 1 2 2 开发工具 2 2 3 处理流程 3 2 3 1 接收下端数据处理流程 3 2 3 2 接收上端指令处理流程 3 2 4 软件结构 4 2 4 1 软件模块划分 4 2 4 2 各程序模块说明 5 3接口设计接口设计 6 3 1 外部接口 6 3 2 内部接口 7 4数据结构和算法设计数据结构和算法设计 7 4 1 数据结构描述 7 4 2 主要算法设计 8 5运行设计运行设计 8 6出错处理设计出错处理设计 8 7安全保密设计安全保密设计 8 7 1 安全设计 8 7 2 系统日志 8 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 1 页 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 1 1引言引言 1 1 研究目的 高速道岔监测系统监测主机设计研究详细介绍了高速道岔监测系统监测 主机的接口设计 运行设计 系统数据结构设计 系统出错处理设计 开发 人员可以通过该说明书大概了解系统设计的整体功能 总体设计概括以及运 行的流程 为详细设计奠定了基础 1 2 背景 高速道岔是高速铁路基础设施中十分重要 影响行车安全的关键设施 要求具有高速度 高安全性 高平稳性 高可靠性 能长期保持良好的工作 状态 能确保高速列车安全 平稳 不间断地运行 高速道岔监测系统正是针对我国高速铁路建设的现实需要研发的 以安 全性监测为主 以状态监测为辅 与国外高速道岔监测系统的功能不同 我 国高速道岔应重点监测断轨等安全性项目 而辅以转换力等状态监测 搭建 起高速道岔系统 全面的监测系统技术框架 预留后期其他监测项目的融合 能适应中国 德国 法国技术的道岔结构 监测主机是高速道岔监测系统中的重要一环 起着承上启下的作用 监 测主机安装于车站 收集该车站所有监测分的数据 将其发送到铁路局平台 并进行原始数据存储 2 2软件设计软件设计 2 1 软件总体结构 高速道岔监测系统监测主机软件是网络通信模块 协议栈模块 状态处 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 2 页 理模块 消息转发模块组成 主机软件通过网络通信模块从各监测分机 第三方服务器处接收数据 然后将数据交由协议栈模块进行数据的解析 数据模块模块根据数据包中的 地址域 及数据类型 将数据转发到铁路局平台的不同数据容器中 同时 主机软件还有状态处理模块 定时检测其下各监测分机 第三方服务器的工 作状态 并通过数据转发模块将状态信息转发到铁路局平台 软件结构如图 2 1 所示 下端通讯模块 数据转发模块 下端通讯模块 数据转发模块 监测 分机1 监测 分机1 协议栈模块 协议栈模块 状态处理模块 状态处理模块 监测 分机n 监测 分机n 第三方 主机1 第三方 主机1 第三方 主机n 第三方 主机n 上端通讯模块 数据转发模块 上端通讯模块 数据转发模块 铁路局平台 铁路局平台 图 2 1 高速道岔监测系统主机软件结构图 2 2 开发工具 高速道岔监测系统主机软件的运行环境为 linux 采用的开发语言为 C 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 3 页 2 3 处理流程 2 3 12 3 1接收下端数据处理流程接收下端数据处理流程 网络通信模 块获取数据 是否超时 状态处理模块 生成状态报文 N 协议栈程序解 析收到数据报 文 消息转发模块 将数据报文发 送到铁路局 Y 图 2 2 接收下端数据处理流程图 2 3 22 3 2接收上端指令处理流程接收上端指令处理流程 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 4 页 网络通信模块 获取指令 数据转发模块将指令转发到目 标机器 协议栈程序解析收到的指令 根据指令中的地址域 找到 指令的目标机器 图 2 3 接收上端信息处理流程图 2 4 软件结构 2 4 12 4 1软件模块划分软件模块划分 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 5 页 高速铁路道岔监测系统主机软件 网 络 通 信 模 块 协 议 栈 模 块 状 态 处 理 模 块 消 息 封 装 模 块 图 2 4 主机软件平台模块划分 2 4 22 4 2各程序模块说明各程序模块说明 1 1 网络通信模块网络通信模块 网络通信模块分为两部份 下端通信模块和上端通信模块 下端通信模块主要负责从各监测分机及第三方主机处采集数据 同时 负责将从铁路局平台下发的指令发送到相应的监测分机及第三方主机 主机将处理好的监测分机及第三方主机数据交由上端通信模块发送到铁 路局平台 同时 上端通信程序还负责从铁路局平台接收指令 交由数据处 理模块处理 2 2 协议栈模块协议栈模块 协议栈模块负责从下端通信模块接收到的数据包中解析出数据来源主机 的地址域 数据类型等协议格式 根据不能的数据类型进行相应的处理 同 时 协议栈模块还要从上端通信程序接收到的指令包中解析出目标机器的地 址域等操作 3 3 状态处理模块状态处理模块 状态处理模块根据设定的数据周期 检测各数据单位是否有数据上传 据此判断各数据单位是否连接在线 生成状态数据包 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 6 页 4 4 消息转发模块消息转发模块 消息转发模块根据要发送的数据的地址域 查询出目标机器的网络地址 也即网络寻址 然后网络通信程序根据目标机器的网络地址 将相应的数据 发送到目标机器 完成数据的转发 3 3接口设计接口设计 3 1 外部接口 1 1 传输方式 传输方式 本规范中车站主机与各监测分机 第三方服务器处在同一局域网中 通 信协议采用 TCP IP 协议 数据交换的通道为 10 100M 内网 数据传输方式为二进制码流的方式 2 2 传输格式 传输格式 车站主机通信的数据采用如下组包格式 表 3 1 主机通信数据组包格式 长度 字节 Socket 数据定义 1 起始字符 68H 2 长度 L的报文头 1 起始字符 68H 2 控制域 C控制域 8 地址域 A地址域 2 应用功能码 AFN应用功能码 AFN 业务数据业务数据 用户 数据区 暂定为 0消息认证码 PW消息认证码 PW 1 结束字符 16H 3 3 传输内容 传输内容 主机与各监测分机 第三方主机之间的传输内容包括心跳数据 设备状 态数据 采集的原始数据 报警信息等 不同的目标机器 其传输的内容和 格式有所不同 详见通信协议文档 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 7 页 3 2 内部接口 内部模块之间的划分考虑了高内聚 低耦合 所有有联系的模块之间的 接口基本上是在模块之间共享某些数据库中的数据 4 4数据结构和算法设计数据结构和算法设计 4 1 数据结构描述 1 1 地址映射表 地址映射表 数据转发模块所采用到的地址域 网络地址映射表 是进行目标机器寻 址的关键数据 其结构为 表 4 1 地址映射表 铁路局编码 铁路局编码 车站主机编码 车站主机编码 监测项编码 监测项编码 网络地址 网络地址 2 2 协议数据包 协议数据包 struct switch packet struct 包的长度 不包括 HEADER 也不包括 mqid 和 mqflag size t len 包内数据 data 段长度 size t data len unsigned char control zone CONTROL ZONE LEN unsigned char address zone ADDRESS ZONE LEN struct afn struct afn unsigned char data unsigned char pw unsigned char raw data apr pool t mp struct control zone struct czone 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 8 页 struct address zone struct azone char debug id 37 configuration cfg unsigned char mqid MQID LEN unsigned char mqflag 4 2 主要算法设计 5 5运行设计运行设计 高速道岔监测系统车站主机运行于 linux 系统之上 因在车站无人值守 所以车站主机软件设计成开机自启动 6 6出错处理设计出错处理设计 表 6 1 出错处理机制 序号出错情况补救措施 1 通信服务失败 1 检查网络是否连通运行 2 查看主机服务器是否正常运行 3 查看主机程序是否正常运行 7 7安全保密设计安全保密设计 7 1 安全设计 在网络数据传输中 发送端对数据进行加密 接收端再进行数据解密 可以防止数据被窃取 7 2 系统日志 记录系统所产生的每一次事件 包括设备连接 设备断开 自动时间同 步等信息 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 9 页 8 8设备构成及组装设备构成及组装 防雷单元 交换机 配线单元 服务器单元 存储单元 UPS单元 图 8 1 监测主机设备构成 如图 8 1 所示 整个主机在功能上主要有服务器单元 存储单元 其中 服务器单元用于对下辖各个监测点的数据进行处理 作出相应的业务逻辑判 断 并将数据分析结果和判断提供给上端各级平台使用 存储单元 是将下 辖监测点上传的有效原始数据以及主机分析结果 判断结果进行存储备份 为实现以上功能主机端需要配置的设备还有 防雷单元 对进出主机的信号 机供电进行雷电防护以提高设备的可靠性稳定性 UPS 电源 为系统提供 2 小时的不间断供电 并提高供电的电能质量 交换机 用于增强最下扩展 并提高系统的兼容性 配线单元 用于规范主机内的走线 使系统更加规范 并减少供电 信号 通信等的相互干扰 主机的内部组装采用全导轨式完成 整个安装过程至于一把十字螺丝刀即可 具体过程如下所示 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 10 页 图 8 2 将锁钉从导轨安装凸缘滑开 按住侧面导轨释放滑锁 1 的后部 并将释放滑锁抓住以防导轨滑回来 按下卡口 2 使它脱离导轨 往回按卡口 3 并把后部的机架支架锁钉从导 轨安装凸缘 4 滑开 往回滑动锁钉直到支架处于打开的位置 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 11 页 图 8 3 将后部的导轨调整支架连接到机架 将机架安装凸缘 1 放在导轨安装凸缘和机架支架锁钉的中间 按下卡 口 2 机架支架锁钉会滑过机架安装凸缘 1 和导轨安装凸缘 然后咬合 到相应的位置 抬起侧面导轨释放滑锁 3 然后将前部的导轨滑向机架的 前部 高速道岔监测系统研究分报告之二高速道岔监测系统研究分报告之二 高速道岔监测系统监测主机设计研究高速道岔监测系统监测主机设计研究 第 12 页 图 8 4 将前部的导轨支架连接到机架 按下卡口 2 使它脱离导轨 将前部的机架支架锁钉 1