鄭文宇,朱娜敏,陳雁冰

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽淮南 232001；3.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(簡稱TDCS)是實現(xiàn)鐵路各級運輸調(diào)度對列車進(jìn)行透明指揮、實時調(diào)整、集中控制的現(xiàn)代化信息系統(tǒng),它由鐵道部TDCS中心、鐵路局調(diào)度所TDCS中心及車站基層網(wǎng)三層組成。TDCS車站分機(jī)是車站基層網(wǎng)的設(shè)備,起到信息的采集、上傳及下發(fā)的作用,在整個系統(tǒng)中占有非常重要的地位。

TDCS車站分機(jī)雙機(jī)熱備系統(tǒng)是一種雙機(jī)互備系統(tǒng)。2臺車站分機(jī)同時工作,并互為熱備。工作期間,主、備機(jī)之間的區(qū)別：主機(jī)通過串口線接收計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備、無線車次號設(shè)備、無線調(diào)度命令等設(shè)備信息,同時通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到鐵路局調(diào)度中心和本站車務(wù)終端；備機(jī)只監(jiān)聽主機(jī),而不上傳和接收數(shù)據(jù),當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時,備機(jī)自動切換為主機(jī)工作。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 包西鐵路內(nèi)蒙古段概況

包西鐵路內(nèi)蒙古段指包頭南至新街段,時速160 km預(yù)留200 km、開行萬t列車的重載快速鐵路,是我國南北鐵路大通道之一的包柳通道中的一部分,起到內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯煤炭外運的重要通路作用。其運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 包西鐵路內(nèi)蒙古段運輸調(diào)度指揮系統(tǒng)框圖

包西鐵路主要通道采用CTC(調(diào)度集中)系統(tǒng),納入包西調(diào)度臺指揮。專用線銅匠川站和王家塔站采用TDCS系統(tǒng),車站分機(jī)為雙機(jī)熱備,通過雙機(jī)熱備切換板實現(xiàn)主備機(jī)間故障切換。

2.2 TDCS車站分機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)由2套TDCS車站分機(jī)、1塊雙機(jī)熱備切換板(STBY)及通信網(wǎng)絡(luò)組成(圖2)。

圖2 TDCS車站分機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)開關(guān)至為A或B時,則強(qiáng)制A或B機(jī)為主機(jī)。

當(dāng)開關(guān)至為AUTO時,STBY通過A、B機(jī)熱備口的數(shù)據(jù)來自動裁決哪一個為主機(jī)及何時發(fā)生主備機(jī)的熱備切換。主機(jī)向STBY連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù),STBY總會保持其主機(jī)狀態(tài)不變；備機(jī)在接收主機(jī)數(shù)據(jù)的同時,一直向STBY發(fā)送主、備機(jī)熱備切換的請求；只有當(dāng)主機(jī)不向STBY發(fā)送狀態(tài)保持?jǐn)?shù)據(jù),并且備機(jī)一直向STBY請求主、備切換時,主、備機(jī)才會發(fā)生熱備切換。

3 主備機(jī)間新的軟件切換方式

以上是現(xiàn)有TDCS車站分機(jī)主備機(jī)切換所采用的方式,通過軟件取代雙機(jī)熱備切換板,可大大減少工程投資。在軟件編制過程中重點解決了以下幾點難題:(1)通過2條通信路徑的心跳故障檢測，解決因通信路徑故障而導(dǎo)致的不必要系統(tǒng)切換；(2)在監(jiān)控數(shù)據(jù)上加蓋時間戳，來確保通信實時性與安全性；(3)軟件中加入看門狗設(shè)計,防止MCU死機(jī)。

3.1 2條通信路徑的心跳故障檢測

雙機(jī)備份軟件在主備機(jī)節(jié)點間保持著間歇的通信信號,也叫做心跳信號,如果連續(xù)沒有收到的心跳信號到了一定的數(shù)目,軟件就把這條路徑標(biāo)示為失效。

在TDCS車站分機(jī)雙機(jī)熱備系統(tǒng)中,為了避免由于潛在的通信路徑故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)切換,采用了不同介質(zhì)的2條通信路徑,即Socket(套接字)和串行口。

3.2 主機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計

該備份軟件系統(tǒng)分為主機(jī)監(jiān)控部分和數(shù)據(jù)通訊部分。主機(jī)監(jiān)控部分主要實現(xiàn)的是監(jiān)控TDCS車站分機(jī)主機(jī)是否在正常工作,即與其他各個設(shè)備的通信功能是否正常。

3.2.1 監(jiān)控功能設(shè)計

根據(jù)TDCS車站分機(jī)的功能,來設(shè)計監(jiān)控數(shù)據(jù)基本部分的格式。如表1所示。

表1 監(jiān)控數(shù)據(jù)基本部分格式

表1中，從第1位到第8位表示的意義依次為：接收到的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)正常否、接收到的無線車次號設(shè)備的數(shù)據(jù)正常否、接收到無線調(diào)度命令設(shè)備的回執(zhí)信息正常否、發(fā)送到無線調(diào)度命令設(shè)備的調(diào)度命令正常否、接收鐵路局的調(diào)度命令正常否、發(fā)送到鐵路局的數(shù)據(jù)正常否、接收到車務(wù)終端的調(diào)度命令正常否、發(fā)送到車站終端的數(shù)據(jù)正常否。在分級軟件實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的時候,如果正常則返回標(biāo)記為“1”,否則返回標(biāo)記為“0”。

3.2.2 時間戳應(yīng)用

該熱備系統(tǒng)對實時性有特殊要求,因此要在監(jiān)控數(shù)據(jù)上加蓋時間戳來確保其實時性與安全性,加蓋時間戳方式如下：

string time(“車站分機(jī)標(biāo)準(zhǔn)時間Y-M-D-H-S”,$time)；

其返回值為字符串,由此得出監(jiān)控數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式如表2所示。

表2 監(jiān)控數(shù)據(jù)格式

此外,考慮到備機(jī)讀取的是蓋有時間戳標(biāo)記的監(jiān)控數(shù)據(jù),因此要將主機(jī)與備機(jī)的時間同步。

3.2.3 看門狗(watchdog)設(shè)計

硬件看門狗是一個定時器電路,主要用來監(jiān)控主程序的運行。MCU正常工作的時候,每隔一段時間輸出一個信號喂狗,給WDT清零,如果超過規(guī)定的時間不喂狗(一般在程序跑飛時),就會給一個復(fù)位信號到MCU,使MCU復(fù)位,防止MCU死機(jī)。

軟件看門狗技術(shù)的原理和硬件看門狗相似,在該系統(tǒng)軟件中,數(shù)據(jù)監(jiān)控程序與車站分機(jī)工作程序進(jìn)行定時通信,亦即每隔一段時間監(jiān)控程序會讀取車站分機(jī)有關(guān)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)；如果超過時間限制,而監(jiān)控程序沒有讀到數(shù)據(jù),則可認(rèn)為被監(jiān)控的程序已經(jīng)停止響應(yīng),準(zhǔn)備主備機(jī)切換。

3.2.4 算法設(shè)計

根據(jù)以上監(jiān)控數(shù)據(jù)生成,時間戳與看門狗應(yīng)用,監(jiān)控軟件算法如下：

moniter( )

{

if(Connect(計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)))

監(jiān)控數(shù)據(jù)第1位為1；

else

監(jiān)控數(shù)據(jù)第1位為0；

……

if(Connect(車務(wù)終端))

監(jiān)控數(shù)據(jù)第8位為1；

else

監(jiān)控數(shù)據(jù)第8位為0；

String time(“車站分機(jī)標(biāo)準(zhǔn)時間Y-M-D-H-S”,$time)；

}

OnTimer(UINT nIDEvent)

{

case 1：//時間調(diào)整計時器(保證各機(jī)時間同步)

讀定時調(diào)整參數(shù)值；

ActiveWatchdog( )； //激活Watchdog

設(shè)置定時器時間1；

Break；

case 2：//讀取數(shù)據(jù)計時器(隔段時間讀取數(shù)據(jù))

ActiveWatchdog( )； //激活Watchdog

讀監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)；

設(shè)置定時器時間2；

break；

default：

break；

}

3.3 數(shù)據(jù)通訊軟件的設(shè)計

數(shù)據(jù)通訊部分的功能是主機(jī)將監(jiān)控其狀態(tài)的數(shù)據(jù)發(fā)送給備機(jī),供備機(jī)判定主機(jī)是否正常。因為在該部分設(shè)計中有2條通信路徑,所以數(shù)據(jù)通訊部分的設(shè)計方案也考慮到該情況。限于篇幅,文中只給出了主機(jī)與備機(jī)的通信流程圖,如圖3、圖4所示。

圖3 主機(jī)通訊流程

圖4 備機(jī)通信流程

3.4 設(shè)備造價及維護(hù)分析

STBY價格是7 000元左右,采用軟件實現(xiàn)TDCS車站分機(jī)的熱備切換,按一條線10個車站,可節(jié)省70 000元,同時取消SRBY后,還可以縮小TDCS車站分機(jī)機(jī)柜,進(jìn)而進(jìn)一步較少設(shè)備造價及運輸?shù)瘸杀尽?/p>

硬件越多,故障點越多,采用高可靠軟件取代部分硬件,可減少工程維護(hù)的工作量。

4 總結(jié)

由于TDCS車站分機(jī)在整個系統(tǒng)中占有極其重要的地位,要求其傳輸數(shù)據(jù)的可靠性及實時性很高,所以對其采用了雙機(jī)熱備。現(xiàn)場TDCS車站分機(jī)采用的硬件切換方式在實踐中很成熟,但費用也相對較高；軟件方式比較經(jīng)濟(jì),并且實現(xiàn)了對系統(tǒng)狀態(tài)和特定應(yīng)用的監(jiān)測,數(shù)據(jù)通信軟件完成了主備機(jī)間的互檢和對通信通道的檢測,整個系統(tǒng)實現(xiàn)了雙機(jī)快速、無抖動的故障切換,在以后的應(yīng)用中,會逐漸成為主體。

[1] 鐵道部運輸局.鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[2] 何福忠.TDCS車站分機(jī)雙機(jī)熱備系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵道通信信號,2007(1):11-13.

[3] 呂永宏,劉紅燕.客運專線信號系統(tǒng)組成[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(12):87-90.

[4] 鄭文宇.基于Windows XP Embedded的TDCS車站分機(jī)研究與設(shè)計[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2009.

[5] 尹錦平.數(shù)字調(diào)度系統(tǒng)在鐵路通信中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(11):88-91.

[6] 李佳祎,喻志宏,林雙杰.無線網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)[J].鐵道勘察,2009(2):104-107.

[7] 張 銳.國內(nèi)外鐵路信號現(xiàn)狀、差距對比和我國鐵路信號發(fā)展方向的思考[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2004(7):117-120.

[8] 張 浩.高速鐵路維修網(wǎng)分析[J].鐵道勘察,2009(3):97-100.