地铁列车车载监控系统实时调度模型研究

1、 地铁列车车载监控系统实时调度模型研究*张立鹏 周雄军 周庭梁(卡斯柯信号有限公司,200071,上海 第一作者,工程师摘 要 车载监控系统应实时周期性获取列车数据,并处理与列车数据采集系统通信过程中的异常情况。通信异常需要车载实时监控系统立即响应,以免造成列车数据丢失。提出了一种多任务的调度模型:周期性任务采用RM S(优先级随速率单调调度算法调度模型,非周期性任务采用高优先级处理。讨论了该多任务调度模型的可调度性,并将该调度模型应用于车载实时监控系统。实际运行结果证明,该多任务调度模型是可行的。关键词 地铁列车;车载监控系统;实时调度模型;多任务调度中图分类号 U 231+.6*国家 八六

2、三!高技术研究发展计划项目(2007AA11Z247R eal ti m e Sch edu lingM odel of Subw ay Trai n on board M o n itor i ng SystemZ hang L i peng,Z hou X iong j un ,Z ho u T i ng liang Abstrac tSub w ay tra i n on boa rd m on ito ri ng sy ste m acquirestra i n data per i o dicall y i n rea l ti m e ,it a ls o needs to han

3、d le t he a nom a l y during comm unicati o n ,because this k i nd o f ex ceptiona l ci m m unicati on needs t o be pro cessed i m m ed i a tely ,t o avo id any lo ss o f trai n da ta .A cco rd i ng to t he spec ific situa tion ,a m ode l o f m u lti pro gra mm i ng schedule ,w hich is call ed RM S

4、m o de ,l is propo sed fo r pe ri o dic tas k s w it h h i gher prio rity fo r real ti m e handli ng ta s ks .A lso t he ability o f schedu li ng t he RM S m ode l is d iscussed i n th is paper ,and t he applica tion o f RM S m odel t o v eh icle real ti m e m onit o r i ng s y ste m prov es t o be

5、fea si bil e .K ey word s subw ay tra i n ;o n board m onit o r i ng sy ste m;rea l ti m e scheduli ng m ode;l m ulti prog ra mm i ng schedu l eF i r st au thor s address CA SCO Signal L t d .,200071,Shang ha,i Ch i na1 项目背景随着城市轨道交通的建设,城市轨道交通网络化运营的趋势日益明显。然而,地铁列车的车辆维护支持信息仍处于信息孤岛状态,采用传统的定期检修运营列车的方式对地铁

6、列车进行维护,已越来越不适应城市轨道交通发展的要求。无线网络技术的发展,使得车地间大规模数据量的交换成为可能。地铁列车车载实时监控系统利用车地间无线网络,将大量的列车数据实时发送至地面支持维护系统,地面支持维护系统根据日常的列车支持维护规程,处理接收的列车数据,从而对列车的支持维护进行准确管理。地铁列车车载监控系统通过车载智能控制器和车载ATO 系统实时采集列车数据,并实时将接收的列车数据发送至地面系统,同时它需要实时响应列车车载智能控制器异常和车载监控系统自身任务异常等紧急情况。地铁列车车载实时监控系统中,既包括了周期性的任务,如实时采集列车数据,实时发送列车数据等,又包括了非周期性任务,如

7、车载监控系统自身任务异常和车载智能控制器异常等。车载监控系统的异常处理牵涉到车载监控系统的正常运行,需要高实时地处理车载系统接收的异常。采用合理的多任务实时调度模型,为每个任务赋予相当的优先级,保证车载监控系统实时性是系统的关键。2 实时调度模型的研究现状一般来说,实时系统中的任务可以分成周期任务和非周期任务两种类型。周期性任务是系统需要处理的主要任务,占用CPU 时间较多;非周期性任务是处理意外情况或紧急事件所需执行的任务,占用CPU 时间较少。周期任务的特点为:#周期执行,每个周期内执行一次,本周期内运行完成后,任务将挂起,等待下一周期再运行;周期任务在规定周期内必须执行完毕,若不能运行完

8、,将产生周期任务超时,并导致系统不可预知的行为。目前周期任务管理的最经典算法包括两种1:优先级随速率单调调度算法(Rate M onotonic Scheduli n g ,简为RM S,最早截止时间优先调度算 本调度模型的任务优先级分配原则为:周期任务周期越短,任务的优先级越高;若周期相同,则任务执行时间越短,任务优先级越高;紧急非周期性任务的优先级要高于所有的周期性任务,任务执行时间越短,优先级越高。4 实时调度模型在轨道交通车载信号监控设备的应用4.1 车载实时监控系统功能车载实时监控系统结构图如图1所示。图1 车载实时监控系统结构图车载监控系统从车载ATO系统获取地铁列车的信号数据,并

9、将接收的信号数据实时转发到地面网关计算机;实时接收车载智能控制器的车辆数据,实时处理车辆数据并对发送该数据的车载智能控制器做出应答;实时转发接收的车辆数据到地面系统;实时监控车载系统中各设备的运行状态,并实时将设备状态值发送至地面系统,实时处理车载系统设备状态的异常;实时监控系统自身任务状态,并实时处理监控系统自身任务状态的异常。根据车载监控系统的功能要求,对系统的任务进行细分。周期性任务为:#接收车载ATO信号数据任务,包括车载监控系统发送信号数据获取命令给车载ATO系统,车载ATO系统将列车当前的信号状态发送至车载监控系统;车载系统通信任务,包括车载监控系统实时将接收的车载ATO信号数据转

10、发至车载智能控制器,实时接收来自车载智能控制器的车辆数据;&车地通信任务,车载监控系统实时将车辆数据发送至地面系统;车载设备状态实时监控,实时采集车载系统各设备的状态信息。非周期性紧急任务为:#车载智能控制器异常处理任务,当车载智能控制器发生异常,车载监控系统应在规定时限内完成其异常处理;车载监控系统自身任务异常处理,当车载监控系统内部的某周期任务因异常而挂起时,实时重启该任务。4.2 任务优先级分配根据vx W orks任务优先级分配的规则(应用程序分配优先级最好大于100和本文的实时调度模型,任务优先级分配如表1。表1 任务优先级分配表任务名称任务属性T i,L i/m s C i

11、,R i/m s优先级接收ATO信号数据任务周期性100 5.2135车载发送任务周期性100.2120车载接收任务周期性100.3125车地发送任务周期性100.5130车载设备状态监控任务周期性20010140车载智能控制器异常处理任务非周期性101115车载监控系统自身任务异常处理任务非周期性50.21104.3 任务可调度性分析4.3.1 任务可调度性计算计算得到各任务的极限响应时间见表2。表2 任务的极限响应时间m s任务名称任务属性Ti,L i式(8计算结果式(7计算结果接收ATO信号数据任务周期性10029.2 6.4车载发送任务周期性101.6 1.4车载接收任务周期性101.

12、9 1.5车地发送任务周期性102.4 1.7车载设备状态监控任务周期性20068.411.2车载智能控制器异常处理任务非周期性101.4车载监控系统自身任务异常处理任务非周期性50.2CPU利用率的计算式为:U=(m i=1(C i/T i(9 R M S的CPU利用率理论最大值为U= m(21/m-1ln2。本系统的CPU极限利用率为0. 342,系统正常运行时的CP U利用率为0.202,均小于R M S的CPU利用率理论最大值。4.3.2 任务可调度性性能比较根据文献2,运用数值理论将车载控制器异常处理任务和车载监控系统自身任务异常处理任务进行抽样,估计最小临时周期分别为60s和90s

13、。本文的调度模型和文献2的调度模型的任务可调度性比较见表3。表3 任务可调度性性能比较表任务名称任务属性本文调度模型分配的优先级文献2调度模型分配的优先级最大响应时间/m s式(8计算结果式(4计算结果接收ATO信号数据任务周期性13513529.215.2车载发送任务周期性1201201.60.2车载接收任务周期性1251251.90.5车地发送任务周期性1301302.4 1.0车载设备状态监控任务周期性14014068.440.4车载智能控制器异常处理任务非周期性1151501.412121.0车载监控系统自身任务异常处理任务非周期性1101600.218181.7从表3可以看出,采用文

14、献2的调度模型(式(4,车载智能控制器异常处理任务的最大响应时间为12121.0m s,远远大于其10m s的最大响应时间;车载监控系统自身任务异常处理任务的最大响应时间为18181.7m s,远远大于其5m s的最大响应时间,不能满足两个异常处理任务的实时性要求。本文提出的调度模型的计算结果(式(8计算结果,虽然延长了周期性任务的最大响应时间,但却很好地满足了非周期性紧急任务的时限要求,满足了系统实时调度的要求。5 试验验证本方法已应用于国家八六三!高技术研究发展计划项目轨道交通运营安全的关键装备监控预警及应急技术+。该项目以上海轨道交通1号线为实地验证对象,在试验列车和1号线三站两区间(锦

15、江乐园站至上海南站安装无线传输设备,构建车 地间试验的无线网络通信环境。车载实时监控系统对车载信号ATO/ATP设备进行实时监控。在车载实时监控系统中,利用辅助定时器,周期性开启周期任务,若某周期性任务在周期时限到达时还没有完成,则强制关闭该任务,并将此记录入日志文件;随机启动异常处理程序,其异常处理的间隔时间分布在1100s。通过spy(0,0命令查看CP U的利用率。CP U 利用率保持在21%左右,运行6h后日志文件中没有强制关闭任务的相关记录,说明系统能够较好地实现周期任务的实时调度。通过获取CP U的机器周期得到纳秒级的精确时间。表4记录了本文调度模式下和文献2提出的调度模式下各任务

16、的最大响应时间。表4 两种调度模式下任务的实际响应时间比较表任务名称任务属性本文调度模型分配的优先级文献2调度模型分配的优先级最大响应时间/m s本文调度模式文献2调度模式接收ATO信号数据任务周期性135135 3.21.8车载发送任务周期性120120 1.40.1车载接收任务周期性125125 1.60.4车地发送任务周期性130130 2.10.8车载设备状态监控任务周期性1401409.69.4车载智能控制器异常处理任务非周期性115150 1.218.6车载监控系统自身任务异常处理任务非周期性1101600.119.9(下转第34页 种和优惠措施,具有强大的客流吸引力。轨道交通运营

17、初期一般不采用计时票制。计时票制用于高峰期显著时的客流调节。4.2 轨道交通运营发展期的票制选择在轨道交通运营发展期,轨道交通线网的规模不断扩大,以占领客运市场作为运营目标。单一票制不具有长久的客流吸引力,不能满足轨道交通可持续发展的需要。灵活票制是轨道交通发展期的最佳选择,通过票价、票种及票卡产品的合理配置,有利于进一步拓展市场。4.3 轨道交通运营成熟期的票制选择在轨道交通运营的成熟期,轨道交通以维持市场占有率最大化、引导城市公共交通发展为运营目标。单一票制不能适应市场变化,无法合理引导轨道交通的发展,因此灵活票制是轨道交通成熟期的必然选择。若初期采用单一票制,后期更换成其他票制,需要重新

18、建设AFC系统,所需投资大大超过初期采用单一票制所节省的投资;此外,更换票制所造成的社会影响也是不容忽视的。个人出行一般趋向效益最大化,一旦习惯了低票价的单一票制,将很难接受根据服务水平的定价,导致今后灵活票务政策的开展困难重重。因此,在票制的合理选择方面,应根据实际情况,综合考虑各种因素,选定合理票制。5 结语本文在阐明票制重要性的基础上,对比各种票制优缺点,分析了影响票制选择的因素,并根据轨道交通发展的不同时期,阐述票制对城市轨道交通的收入成本影响,给出合理的票制选择策略。灵活的票制策略能使企业利用市场经济规律达到降低运营成本、增加运营收入和减少政府补贴的目标,实现轨道交通的可持续发展。参

19、考文献1 王宇露,李斐.我国城市轨道交通票价体系改革探讨J.城市轨道交通研究,2005,27(11:35.2 唐敏.基于自动售检票系统的城市轨道交通票价政策J.都市快轨交通,2006,19(6:27.3 王明生,刘江鸿.城市轨道交通联合票制体系的研究J.铁道运输与经济,2007,29(12:54.4 朱效洁.上海城市轨道交通的票价票制探讨J.城市轨道交通研究,2003,6(4:23.5 梁娜.国内外部分城市轨道交通票制票价研究及对北京的启示D.北京:北京交通大学,2007.6 贺崇明,马小毅.广州市票务政策对轨道交通客运量的影响J.城市轨道交通研究,2008,11(8:5.7 蒋惠园,王燕妮.

20、城市轨道交通的票制模式分析与启示J.铁道运输与经济,2008,30(10:59.8 周明保,张宁,杨利强,等.城市轨道交通线网的收费策略J.城市轨道交通研究,2008,11(11:1.9 张宁,何铁军,王健,等.城市轨道交通系统票种设置及票务规则研究J.武汉理工大学学报,2008,3(1:78.10 K idokoro Yuk i h i ro.Regu l atory refor m and the congesti on of u rbanrail waysJ.T ransportati on R esearch PartA:Poli cy and Practice,2006,40(1:52.11 Y ao Li ya,Guan H ongzh,i Y an H a.i E ffects of fare on trafficstruct u re and mode s p lit m odelJ.Beiji ng Gongye DaxueXu ebao,2