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      CTCS-4級列控車載設(shè)備電子地圖FLASH存取管理方案

      2022-03-24 01:53:44王飛岳林趙曉宇楊森王斐武
      中國鐵路 2022年1期
      關(guān)鍵詞:存儲空間電子地圖列表

      王飛, 岳林, 趙曉宇, 楊森, 王斐武

      (中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所,北京 100081)

      0 引言

      列車運(yùn)行控制系統(tǒng)依據(jù)線路客觀條件和實(shí)際狀況,對列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,是保障列車安全高效運(yùn)行的核心技術(shù)裝備[1-2]。目前,我國鐵路最成熟的列控技術(shù)是CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng),但為了進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度、縮短追蹤間隔、減少建設(shè)運(yùn)營維護(hù)成本,提出下一代列控系統(tǒng)——CTCS-4 級列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括移動閉塞、基于衛(wèi)星列車精確定位、基于衛(wèi)星列車完整性檢查、高速鐵路車地雙向傳輸?shù)燃夹g(shù)[3-4]。在基于衛(wèi)星列車精確定位技術(shù)中,CTCS-4級列控系統(tǒng)移除了大量地面設(shè)備,包括采用傳統(tǒng)軌道電路來實(shí)現(xiàn)列車占用檢查及定位等設(shè)備,而采用衛(wèi)星定位、速度傳感器以及定位實(shí)體應(yīng)答器結(jié)合數(shù)字電子地圖,以實(shí)現(xiàn)列車多源融合定位[5-6]。

      針對基于衛(wèi)星列車精確定位技術(shù),車載設(shè)備通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)與地面臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)建立通信,實(shí)現(xiàn)電子地圖及衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線請求、接收、拼接、使用和存儲等功能[5]。在接收到TSRS 發(fā)送的電子地圖文件時(shí),需要對其進(jìn)行校驗(yàn),若校驗(yàn)通過后才能保存接收的電子地圖文件;在需要使用地圖文件時(shí)可以快速找到相應(yīng)的文件數(shù)據(jù)。

      FLASH 存儲器(簡稱FLASH)是一種常用的嵌入式系統(tǒng)存儲器,具有防振、不容易丟失、節(jié)電存儲等特點(diǎn)[7]。目前具備成熟技術(shù)的車載設(shè)備主處理平臺通常選用FLASH 來存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)。因此,考慮將接收到的電子地圖存于FLASH 中,并對電子地圖的存取問題展開探討,給出一種高效且適用于車載設(shè)備的存取方案。

      1 電子地圖

      一般意義上,所謂電子地圖是指將地圖用數(shù)字形式表示,而軌道地圖是將整個(gè)軌道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用數(shù)字形式表示,主要包含地圖索引文件、軌道地理信息文件、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件[8]。其中,地圖索引文件包含TSRS管轄的每個(gè)車站的信息及前后車站的鏈接關(guān)系;軌道地理信息文件涵蓋了衛(wèi)星定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)與軌道位置數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系;固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件包含區(qū)間和站內(nèi)的應(yīng)答器(包含實(shí)體應(yīng)答器和虛擬應(yīng)答器)、車站內(nèi)道岔、管轄邊界。固定應(yīng)用數(shù)據(jù)是車載設(shè)備在區(qū)間和站內(nèi)定位判斷所處軌道,以及觸發(fā)虛擬應(yīng)答器報(bào)文的依據(jù)。同時(shí),應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)是車載設(shè)備運(yùn)行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

      電子地圖主要作用是輔助衛(wèi)星確定列車在軌道上的精確位置,即衛(wèi)星定位獲得的列車位置與車載設(shè)備存儲的電子地圖中的位置進(jìn)行匹配,確保列車定位精度和列控系統(tǒng)實(shí)時(shí)精確控制[9]。電子地圖輔助定位示意見圖1。

      圖1 電子地圖輔助定位示意圖

      2 FLASH管理機(jī)制

      通常FLASH 由若干塊單元組成,每個(gè)塊單元又由若干Page 頁組成,且以塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除操作,以Page 頁的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。FLASH 的寫操作很特殊,必須是先擦除,然后才能寫入數(shù)據(jù),這是由于FLASH執(zhí)行寫編程指令時(shí),只有數(shù)據(jù)為“1”時(shí)才能寫入,為“0”時(shí)無法寫入,而擦除指令只有數(shù)據(jù)為“0”時(shí)才能擦除,為“1”時(shí)不執(zhí)行。而且,擦除操作是以塊單元進(jìn)行操作,因此對指定位置寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除操作時(shí),只能對整個(gè)塊單元數(shù)據(jù)擦除[10]。

      在此探討的列控車載設(shè)備中用于電子地圖儲存的FLASH大小為3.6 GB,按塊(Block)為最小操作單位,大小為512 Byte,擦除僅支持最小2 MB數(shù)據(jù)擦除。依據(jù)FLASH 的存儲特點(diǎn),讀、寫、擦操作單位最好是1 個(gè)Block大小的整數(shù)倍,可以保障在更新或刪除某些數(shù)據(jù)時(shí)不會導(dǎo)致其他數(shù)據(jù)被修改。但針對小于1個(gè)Block空間的文件,會造成FLASH存儲空間的浪費(fèi)。為簡化文件管理方案和避免因共享1個(gè)Block而導(dǎo)致操作不同文件時(shí)相互影響,在方案設(shè)計(jì)時(shí)將不同文件存儲在不同的Block空間內(nèi)。同時(shí),對該FLASH的讀、寫、擦操作時(shí)間進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)(見圖2、圖3),為存取方案設(shè)計(jì)提供參考。

      圖2 FLASH操作的總耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

      圖3 單個(gè)Block操作的耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

      圖2 為隨著1 次讀、寫、擦Block 個(gè)數(shù)增多時(shí),讀、寫、擦總耗時(shí)的統(tǒng)計(jì),其中擦除是按2 MB的整數(shù)倍來統(tǒng)計(jì)總耗時(shí)。圖3為隨著1次讀、寫、擦Block個(gè)數(shù)增多時(shí),單個(gè)Block讀、寫、擦耗時(shí)的統(tǒng)計(jì),其中擦除是按2 MB的整數(shù)倍來統(tǒng)計(jì)單個(gè)Block耗時(shí)。由圖2和圖3可以看出,1次讀、寫、擦操作的Block是按整數(shù)倍增長的。同時(shí),對比圖2和圖3可知,對多個(gè)Block的讀、寫操作時(shí)間并不是對單個(gè)Block操作時(shí)間的疊加,同時(shí)對多個(gè)Block進(jìn)行讀、寫時(shí)間要比同樣數(shù)量單獨(dú)操作的時(shí)間少很多。擦除操作不管是總耗時(shí)還是單個(gè)Block耗時(shí)變化都不大,這是由于擦除最小單位是2 MB,擦除1 個(gè)Block 時(shí),是對2 MB數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,而不是對512 Byte數(shù)據(jù)處理,也就表現(xiàn)為不管是總耗時(shí)還是單個(gè)Block耗時(shí)變化都不大。而對于單個(gè)Block擦除時(shí)間出現(xiàn)急劇下降的情況,是由于同時(shí)擦除16 384 個(gè)Block,數(shù)據(jù)量為8 MB,總的擦除時(shí)間約為12 ms,則2 MB的擦除時(shí)間約為3 ms。

      3 電子地圖FLASH存取方案設(shè)計(jì)

      通常FLASH 芯片管理根據(jù)FLASH 容量、文件數(shù)目和大小,將FLASH固定劃分為幾個(gè)存儲區(qū)域,再對每個(gè)文件對應(yīng)的起始地址加以記錄,當(dāng)需要對某文件進(jìn)行讀、寫、擦等操作時(shí),先查到其對應(yīng)的起始地址和區(qū)域大小,然后到該地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫、擦等操作。該方案簡單、容易實(shí)現(xiàn),但要預(yù)估文件的大小進(jìn)行分配,如果預(yù)估不準(zhǔn)確,將導(dǎo)致無法正確存儲或者浪費(fèi)空間資源。

      3.1 電子地圖數(shù)據(jù)分析

      以實(shí)際情況考慮,鐵路線上的TSRS 及車站個(gè)數(shù)是一定的,可以假設(shè)某條線路上有3個(gè)TSRS、50個(gè)車站、10 個(gè)中繼站。其中,地圖索引文件描述的是1 個(gè)TSRS管轄范圍內(nèi)每個(gè)車站的信息及前后車站的鏈接關(guān)系,文件大小不超過10 kB。軌道地理信息文件和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件描述的是1 個(gè)車站內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)(如應(yīng)答器、道岔、信號機(jī)等)的精確衛(wèi)星數(shù)據(jù),這2個(gè)文件相對索引文件較大,其中最大文件估計(jì)為64 kB。按最大文件數(shù)據(jù)計(jì)算,估算該鐵路電子地圖數(shù)據(jù)總量為3×10 kB+60×(64 kB×2)=7.53 MB,取整為8 MB。因此,即使將整條線路數(shù)據(jù)全部存儲,都用不完FLASH 的3.6 GB 存儲空間,必然會有很多空間剩余。

      因此,對于FLASH 可以不用考慮存儲空間是否浪費(fèi),著重考慮如何快速存儲讀取數(shù)據(jù),滿足車載設(shè)備在線實(shí)時(shí)操作的需求。目前考慮電子地圖存儲任務(wù)在100 ms內(nèi)完成,并且不影響其他任務(wù)的執(zhí)行。

      3.2 方案總體設(shè)計(jì)

      根據(jù)FLASH管理機(jī)制以及電子地圖不同文件特點(diǎn),同時(shí)考慮地圖儲存過程耗時(shí)情況來設(shè)計(jì)存取方案,F(xiàn)LASH 存儲器框架結(jié)構(gòu)見圖4。(1)針對地圖索引文件、軌道地理信息文件和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件大小,將FLASH存儲區(qū)劃分為3個(gè)存儲空間;(2)每個(gè)存儲空間劃分為文件索引區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū),其中,文件索引區(qū)存放文件在存儲區(qū)的位置以及各存儲塊的使用情況;數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放接收的電子地圖二進(jìn)制文件;(3)將數(shù)據(jù)存儲區(qū)再進(jìn)行劃分,將N個(gè)小塊聚集為1個(gè)大塊(大小為512 Byte×N)視為1 個(gè)管理單元,該N個(gè)小塊應(yīng)滿足足夠存儲1個(gè)文件,且在該文件發(fā)生改變時(shí)也能滿足覆蓋存儲需求,而不需要再找其他空閑存儲空間。

      圖4 FLASH存儲器框架結(jié)構(gòu)

      該方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

      (1)針對不同文件劃分不同存儲空間,有利于針對不同文件快速查找相應(yīng)的存儲空間,有效減少查找遍歷文件次數(shù)。

      (2)數(shù)據(jù)存儲區(qū)劃分大塊存儲區(qū),不僅能減少文件索引區(qū)對數(shù)據(jù)儲存區(qū)存儲狀態(tài)的描述,還可有效規(guī)避數(shù)據(jù)刪除造成的碎片以及碎片回收機(jī)制的考量,簡化了管理策略。

      (3)該方案的不足之處在于:需要提前預(yù)估每個(gè)文件的大小,以便準(zhǔn)確劃分各存儲區(qū)大小,不利于靈活存儲數(shù)據(jù)。

      3.3 實(shí)現(xiàn)過程

      根據(jù)以上文件管理方案,F(xiàn)LASH 文件索引區(qū)組織結(jié)構(gòu)見表1,其中,F(xiàn)LASH塊列表描述數(shù)據(jù)存儲區(qū)根據(jù)實(shí)際文件大小劃分的大塊分區(qū)的占用情況,“1”表示該大區(qū)已占用,“0”表示該大區(qū)未占用,0xFF 表示該大區(qū)壞死,不能使用。

      表1 文件索引組織結(jié)構(gòu)

      表1中的文件描述根據(jù)文件描述結(jié)構(gòu)進(jìn)行文件大小配置,并依次排列存放。任何一個(gè)數(shù)據(jù)文件更新之前,都要更新對應(yīng)的文件描述字段信息,確定該文件描述狀態(tài)、文件類型和存儲起始位置。對應(yīng)的文件描述結(jié)構(gòu)見表2。

      表2 文件描述結(jié)構(gòu)

      確定了索引結(jié)構(gòu)后,車載設(shè)備從FLASH 中讀、寫電子地圖文件的具體流程見圖5。車載設(shè)備上電啟機(jī)后,首先從FLASH存儲器劃分的地圖索引文件存儲區(qū)、軌道地理信息文件存儲區(qū)、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件存儲區(qū)中讀取文件索引區(qū),獲得存儲占用情況列表和文件描述列表,然后進(jìn)入等待讀、寫命令流程。

      圖5 FLASH中文件讀寫流程

      由于車載設(shè)備發(fā)送給FLASH 存儲器的讀、寫命令中包含文件類型,因此在收到讀、寫命令時(shí)可直接定位到不同文件存儲區(qū),獲得不同文件存儲占用情況列表和文件描述列表,在內(nèi)存中對2 個(gè)列表遍歷搜索操作,獲得存儲區(qū)占用情況以及文件存儲起始塊編號信息,從而完成讀、寫操作。

      地圖索引文件、軌道地理信息文件、固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件的讀、寫操作基本相同,以下讀、寫步驟適用于任意一種文件。

      (1)寫操作命令步驟如下:

      步驟1:判斷寫命令是否結(jié)束,該步驟主要考慮到如果電子地圖文件數(shù)據(jù)量較大,操作時(shí)間超過100 ms時(shí),意味著1個(gè)周期處理不完該寫命令操作,需要下個(gè)周期繼續(xù)處理。

      步驟2:根據(jù)待寫入的文件信息,掃描文件描述列表判斷是否有重命名文件,該步驟的實(shí)現(xiàn)主要通過文件類型、所屬TSRS 設(shè)備編號和車站編號統(tǒng)一判斷;如果找到重命名文件,則覆蓋原有數(shù)據(jù),更新文件描述列表以及存儲占用情況列表。

      步驟3:待寫入的文件信息是一個(gè)新的文件,由于存放文件信息描述區(qū)的空間是一定的,則需要判斷該文件描述列表是否有足夠空間存放該文件的文件描述;如果文件描述列表沒有足夠存儲空間去描述新的文件信息,需要刪除無效的文件描述信息,更新文件描述列表。

      步驟4:文件描述列表有足夠空間存放該文件的文件描述,但是數(shù)據(jù)存儲區(qū)的空間也是一定的,同樣需要確定數(shù)據(jù)存儲區(qū)是否有足夠空間寫該文件;如果數(shù)據(jù)儲存區(qū)沒有足夠存儲空間去存儲新的文件數(shù)據(jù),需要刪除列車已通過的TSRS 區(qū)域的地圖文件,更新文件描述列表及存儲占用情況列表。盡管該方案中FLASH有足夠空間存放電子地圖,但出于對程序的靈活性及全面性考慮仍需進(jìn)行該邏輯的判斷。

      步驟5:數(shù)據(jù)存儲區(qū)有足夠空間寫該文件,則搜索存儲占用情況列表中第1個(gè)未占用的大區(qū)號,同時(shí)更新文件描述列表,從文件描述起始塊號寫入數(shù)據(jù),最后更新存儲占用情況列表。

      (2)讀操作命令步驟如下:

      步驟1:判斷讀命令是否結(jié)束,該步驟主要考慮到如果電子地圖文件數(shù)據(jù)量較大,操作時(shí)間超過100 ms時(shí),意味著1個(gè)周期處理不完該讀命令操作,需要下個(gè)周期繼續(xù)處理。

      步驟2:根據(jù)待讀取的文件信息,掃描文件描述列表判斷是否有該文件,如果沒有該文件返回失?。蝗绻业皆撐募?,同時(shí)在該文件的描述列表中找到文件占用的起始塊號和文件大小,然后從該起始塊號讀取相應(yīng)大小的文件數(shù)據(jù)。

      4 結(jié)束語

      對CTCS-4級列控系統(tǒng)的研究目前處于鐵路信號領(lǐng)域的前沿,很多新提出的關(guān)鍵技術(shù)在世界范圍內(nèi)還沒有成熟應(yīng)用,例如基于電子地圖輔助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)列車精確定位技術(shù)中,電子地圖如何生成以及如何存取等相關(guān)技術(shù)沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,仍需開展大量研究工作。針對電子地圖存取問題,結(jié)合FLASH操作方法及電子地圖特點(diǎn),設(shè)計(jì)一套有效的文件存取方案,為車載設(shè)備運(yùn)行期間高效存儲和讀取電子地圖提供一種可執(zhí)行的解決方案。

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