M2M和嵌入式處理在列車控制中挽救生命

PTC 系統(tǒng)包含大量集成組件，包括數(shù)據(jù)庫服務器、有線和無線通信網(wǎng)絡、鐵路信號系統(tǒng)接口和機車控制系統(tǒng)，以執(zhí)行列車安全功能。完全解決 PTC 的復雜性超出了本文的范圍，但在最高級別上，PTC 系統(tǒng)是基于計算機的系統(tǒng)，用于最大限度地減少駕駛員分心時發(fā)生的人為錯誤。

PTC 是一個總稱，用于在列車開始超出安全運行限制的情況下在沒有人為干預的情況下停止或減速列車的技術(shù)。PTC 系統(tǒng)主要專注于貨運鐵路，但也包括在貨運軌道上運行的客運列車的規(guī)定，并且在 2008 年的鐵路安全改進法案 （RSIA） 中首次規(guī)定，當時正在發(fā)短信的通勤列車操作員遇到紅色信號并撞到頭部-乘坐貨運列車。RSIA 2008 規(guī)定客運和 I 級鐵路必須在 2015 年底之前部署 PTC，并且系統(tǒng)必須包括針對多種不同情況的規(guī)定，包括避免碰撞、執(zhí)行限速以防止脫軌以及維護和維護期間的工人安全措施。修理。

過去，火車運營商讀取交通信號的方式與汽車司機相同：看窗外。后來，一些機車配備了基于計算機的儀表板，可在駕駛室內(nèi)顯示信號狀態(tài)信息。如今，有了 PTC，機車上的計算機能夠使用 M2M 與路邊計算機進行通信，最重要的是，它們實際上能夠進行控制。盡管當今 PTC 系統(tǒng)中的 M2M 實例（尚未）完全自動化列車運行，但它們確實為操作員不知何故喪失能力的情況提供了安全網(wǎng)。

下面重點介紹 PTC 最近在基礎（路邊）和移動（機車駕駛室）通信管理器開發(fā)領域所做的努力。使用由 AMTRAK 鐵路在東北走廊部署的時分多址 （TDMA） 通信技術(shù)，PTC 通信管理器分配和管理這些 TDMA 時隙，以控制路邊網(wǎng)絡和機車之間的無線電通信。系統(tǒng)級模塊 （SoM） 滿足了通信管理器的要求。

PTC 通信經(jīng)理：需要什么

高級民用速度執(zhí)行系統(tǒng) （ACSES） 是 PTC 的一種實施，如果操作員未能保持安全運行速度，它會根據(jù)永久和臨時速度限制確定安全制動曲線，然后自動減速列車。ACSES 通信管理器的關鍵要求是它們通過無線電鏈路一致且可靠地傳輸 ACSES 格式的數(shù)據(jù)包，從而在火車和路邊網(wǎng)絡之間保持一致的通信心跳。如果通信失敗和/或列車操作員未在安全運行速度內(nèi)運行列車，ACSES PTC 系統(tǒng)將控制機車并施加制動。

在 PTC 的 ACSES 實施中，涉及許多高級元素以使遠程管理成為可能，包括機車的車載計算機系統(tǒng)、路邊信號系統(tǒng)、存儲臨時速度限制和其他信息的中央辦公室（運營中心），以及連接各個組件的通信網(wǎng)絡（圖 1）。因此，符合 ACSES 標準的基地和移動通信管理器需要執(zhí)行和管理幾個主要功能，包括：

訪問和打包數(shù)據(jù)以傳輸?shù)?從路邊 PTC 網(wǎng)絡傳輸

控制 TDMA 列車/路邊無線電通信時間線

在適當?shù)臅r間為每個火車到路邊和路邊到火車的通信時隙將數(shù)據(jù)包發(fā)送到無線電

處理從無線電接收到的數(shù)據(jù)包

驗證接收數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)完整性并丟棄錯誤傳輸

將接收到的傳輸傳遞到火車的車載計算機（與機車的通信）或路邊通信網(wǎng)絡（來自機車的通信）

圖 1：高級民用速度執(zhí)行系統(tǒng) （ACSES） 架構(gòu)需要通信管理器來促進跨正向列車控制 （PTC） 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸。

這些功能需要一個高度可靠的通用微處理器解決方案，該解決方案具有足夠的馬力來組織和控制 TDMA 通信，同時保持與有線路邊網(wǎng)絡和機車車載 PTC 計算機的同步通信。

為 ACSES 基地和移動通信管理器選擇解決方案

為滿足上述 ACSES 要求，Critical Link 采用了基于德州儀器 （TI） OMAP-L138 雙核 ARM-DSP 處理器的 MityDSP-L138F 系統(tǒng)級模塊 （SoM），因為它具有良好的通用計算能力；支持以太網(wǎng)和串行接口；不依賴主動冷卻；以及經(jīng)過驗證的具有類似通信要求的跟蹤記錄應用程序，從而顯著減少了開發(fā)時間和風險。

為了滿足 ACSES 系統(tǒng)的 TDMA 連接要求，MityDSP-L138F 配備了 Xilinx Spartan-6 FPGA，可實現(xiàn)高級數(shù)據(jù)鏈路控制 （HDLC） 串行通信，這是一種用于確保設備到設備同步的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議連接（圖2）。結(jié)合 ARM 處理器，這為 ACSES 通信管理器提供了強大的處理組合，包括：

列車與路邊 PTC 系統(tǒng)之間無線電鏈路的 TDMA 時間線控制

與列車上和路邊網(wǎng)絡中的 PTC 設備進行以太網(wǎng)和串行通信

有線和無線 PTC 網(wǎng)絡上的鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層通信功能

通信管理器硬件的實時診斷

數(shù)據(jù)記錄

ACSES 通信管理器的另一個重要元素是一種設計，該設計包含了可在未來很多年使用的部件。PTC 系統(tǒng)價格昂貴且生命周期長，需要可以制造多年的技術(shù)。因此，可以確保 SoM 的關鍵組件（例如 TI OMAP-L138F）在很長一段時間內(nèi)都可以從制造商處獲得。

Critical Link 還為 AMTRAK 部署開發(fā)了一個 ACSES 模擬器，用于模擬 PTC 系統(tǒng)內(nèi)多列火車之間的數(shù)據(jù)移動。該模擬器用于分析整個系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)流，突出系統(tǒng)瓶頸和整體吞吐量。該模擬器還支持對來自多個供應商的組件進行互操作性測試，而無需在現(xiàn)場進行測試。

M2M 通信產(chǎn)生影響

PTC 是 M2M 的一個實例，它有可能直接影響數(shù)百萬依賴火車運輸?shù)娜说纳?。我們大多?shù)人在很大程度上看不到它，但它可以而且確實帶來了挽救生命的前景。數(shù)以千計的 PTC 基地和移動通信單元，每個都包含一個關鍵鏈路 SoM，正在被部署在東北鐵路走廊。

審核編輯：郭婷