徐德龍 逄增文 梁志國 劉 鵬

集中控制形式的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)冗余和切換技術研究

徐德龍 逄增文 梁志國 劉 鵬

摘 要：冗余和切換技術是計算機系統(tǒng)可靠性設計中常采用的一種技術。在區(qū)域集中控制方面，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的典型應用包括區(qū)域聯(lián)鎖和遠程控顯。在基本計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)這兩種典型的應用，重點是要設計好新增部分的冗余和切換。以采用高安全性和高可靠性的二乘二取二安全冗余結構的TYJL-ADX型計算機聯(lián)鎖為例，分析了2種應用的系統(tǒng)架構、硬件冗余設計，以及新增子系統(tǒng)的切換方式、故障情況下的切換設計和系統(tǒng)處理。

關鍵詞：計算機聯(lián)鎖系統(tǒng);集中控制;冗余技術;切換技術

徐德龍：中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員100081 北京

逄增文：中國鐵道科學研究院通信信號研究所 副研究員100081 北京

梁志國：中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員100081 北京

劉 鵬：中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員100081 北京

隨著通信技術、控制技術、電子技術的快速發(fā)展，各種區(qū)域集中控制形式的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)逐漸地被推廣應用。集中控制形式的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是在基本計算機聯(lián)鎖基礎上結合了網絡安全傳輸技術，向網絡化、集成化方向發(fā)展的產物。根據計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)組網方式的不同，區(qū)域集中控制形式的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)主要有2種應用：一種是區(qū)域聯(lián)鎖形式，另一種是遠程控顯形式。

冗余技術是計算機系統(tǒng)可靠性設計中常采用的一種技術，是提高計算機系統(tǒng)可靠性的最有效方法之一。為了達到高可靠性和低失效率相統(tǒng)一的目的，通常會在控制系統(tǒng)的設計和應用中采用冗余技術，即重復配置系統(tǒng)的一些部件。切換和冗余密不可分，即當系統(tǒng)發(fā)生故障時，用冗余配置的部件替代故障部件工作?，F以采用安全冗余結構的TYJLADX型二乘二取二計算機聯(lián)鎖為例，針對區(qū)域集中控制形式的應用，分析新增部分冗余和切換方面的設計。

1 區(qū)域聯(lián)鎖形式

區(qū)域聯(lián)鎖形式是指在區(qū)域中的一個大站 (即主站)對本站及管轄范圍內的其他車站 (即子站)通過聯(lián)鎖總線統(tǒng)一控制。區(qū)域聯(lián)鎖形式的計算機聯(lián)鎖基本結構具有以下主要特性：①只在主站設置聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng);②只在主站設置操作控制臺;③安全局域網使用單模光纖構成環(huán)狀冗余連接，實現主站與子站之間的安全信息傳輸;④各車站設中繼子系統(tǒng)和執(zhí)行表示子系統(tǒng)，執(zhí)行表示子系統(tǒng)與安全繼電器連接，實現對現場信號設備的狀態(tài)采集和控制。

1.1 系統(tǒng)架構

區(qū)域聯(lián)鎖形式的TYJL-ADX型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)基本結構示意圖如圖1所示。其中，聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)下發(fā)控制命令給各中繼子系統(tǒng)，中繼子系統(tǒng)實時返回采集信息和系統(tǒng)工作狀態(tài)信息。聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)和中繼子系統(tǒng)時鐘同步。其各部分功能如下。

圖1 區(qū)域聯(lián)鎖形式的TYJL-ADX型計算機聯(lián)鎖基本結構示意圖

1．操作顯示子系統(tǒng)。主站設置監(jiān)控機和控制臺，子站不設置監(jiān)控機和控制臺。監(jiān)控機和控制臺完成操作命令的處理、站場狀態(tài)的顯示，以及關鍵設備狀態(tài)的顯示，同時向CTC或TDCS提供接口。

2．聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)。主站設置聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)，完成主站和所有子站的聯(lián)鎖邏輯運算處理。聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)主要功能包括：系統(tǒng)調度管理，對中繼、通信光纖環(huán)網的管理;聯(lián)鎖邏輯運算;與操作顯示子系統(tǒng)的通信;與維護終端子系統(tǒng)的通信;與列控中心等其他信號系統(tǒng)的通信;雙CPU的同步和比較;雙系同步和狀態(tài)處理等。

3．中繼子系統(tǒng)。每個站都設置中繼子系統(tǒng)。中繼子系統(tǒng)不含聯(lián)鎖邏輯運算，其主要功能：接收聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)的控制命令，控制驅動板的輸出，實時采集表示信息，以及向聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)發(fā)送表示信息。

4．輸入輸出子系統(tǒng)。每個站都設置輸入輸出子系統(tǒng)。輸入輸出子系統(tǒng)主要由驅動板和采集板組成，驅動板和采集板配置的數量取決于室外信號設備的數量。

5．維修終端子系統(tǒng)。主站設置電務維修機，用于存儲區(qū)域范圍內所有車站的站場相關操作信息、相關站場設備的狀態(tài)信息、報警信息、繼電接口信息、通信接口信息等，并監(jiān)測安全環(huán)網的工作狀態(tài)，同時用于向集中監(jiān)測系統(tǒng)提供接口。

6．安全環(huán)網。區(qū)域聯(lián)鎖的核心技術是采用安全局域網實現主站聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)與中繼子系統(tǒng)之間的安全信息傳輸。安全環(huán)網采用2芯單模光纖和NEF交換機構成環(huán)狀。

7．電源子系統(tǒng)。主站和子站分別設置電源子系統(tǒng)。每個車站均按A、B兩系獨立供電設計，避免電源共因故障造成整體性影響。電源屏提供A路220V電源和B路220V電源，A路220V電源給計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的Ⅰ系供電，包括操作顯示子系統(tǒng)的A機、聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)的Ⅰ系、中繼子系統(tǒng)的Ⅰ系;B路電源給計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的Ⅱ系供電，包括操作顯示子系統(tǒng)的B機、聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)的Ⅱ系、中繼子系統(tǒng)的Ⅱ系、維修終端子系統(tǒng)。輸入輸出子系統(tǒng)有2套直流電源，2套電源電流均衡后并行工作，為采集和驅動提供24V直流電源。

1.2 硬件冗余設計

1．中繼子系統(tǒng)的冗余設計。中繼子系統(tǒng)由冗余的雙機組成，采用與聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)相同的硬件平臺，雙機機籠獨立設置。

2．安全環(huán)網構成及冗余設計。安全環(huán)網由冗余的雙環(huán)網組成 (1網和2網)，為封閉式網絡。環(huán)網設備NEF支持的最遠傳輸距離為20 km，超過20 km時可增加NEF作為中繼器，使用的光纜是SC型單模光纖。安全環(huán)網組網示意圖如圖2所示。

3．聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)接入安全環(huán)網的冗余設計。聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)每系提供2個串口，兩系共4個串口，通過4根串口線連接到1網和2網的NEF交換機，如圖3所示。中繼子系統(tǒng)接入安全環(huán)網的方式與聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)相同。

圖2 安全環(huán)網組網示意圖

圖3 聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)和中繼子系統(tǒng)接入安全環(huán)網的連接圖

1.3 切換設計

基本形式的TYJL-ADX型計算機聯(lián)鎖在正常工作情況下雙系同步運行，一系主用工作，另一系同步備用。當主系故障時可自動進行無擾切換，系統(tǒng)除具有故障切換方式之外還具有定時自動切換方式。區(qū)域聯(lián)鎖方式的TYJL-ADX型計算機聯(lián)鎖切換設計如下。

1.3.1 中繼子系統(tǒng)切換

中繼子系統(tǒng)的雙系與聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)的雙系采用分層的運行方式，沒有綁定關系，雙系切換相互獨立。中繼子系統(tǒng)兩系與輸入輸出子系統(tǒng)兩系為綁定關系。中繼子系統(tǒng)每天定時切換，與聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)的定時切換采取錯時切換的原則。聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)或中繼子系統(tǒng)主備切換時，安全環(huán)網不切換。

1.3.2 安全環(huán)網的切換

正常工作時，雙環(huán)網只有一個處于工作狀態(tài)，另一環(huán)網處于備用狀態(tài)。當處于工作狀態(tài)的環(huán)網故障時，原備用環(huán)網升為工作環(huán)網，此時聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)主備不切換。

1.3.3 故障切換

故障切換主要考慮聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)故障、中繼子系統(tǒng)故障和安全環(huán)網故障。

1．聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)單系故障時，不影響使用。聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)為單系工作狀態(tài)，中繼子系統(tǒng)為雙系工作狀態(tài)。

聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)雙系故障時，系統(tǒng)不能使用。中繼子系統(tǒng)將停止命令輸出。

2．中繼子系統(tǒng)單系故障時，不影響使用。中繼子系統(tǒng)為單系工作狀態(tài)，聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)為雙系工作狀態(tài)。中繼子系統(tǒng)雙系故障時，影響設備所在中繼車站的使用，其他車站能正常使用。

3．單網故障時，不影響系統(tǒng)使用，聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)和中繼子系統(tǒng)均為雙系工作狀態(tài)，系統(tǒng)提示環(huán)網故障報警。

當在某點發(fā)生雙網故障時，系統(tǒng)會重構安全環(huán)網，雙網在故障點兩側車站分別將2個環(huán)網合成1個 (回環(huán))繼續(xù)工作。當2個環(huán)網的故障都恢復后，系統(tǒng)會自動取消回環(huán)狀態(tài)，雙環(huán)網繼續(xù)工作。

2 遠程控顯形式

遠程控顯形式，即把多個車站的控顯設備集中到一個車站，車務人員集中辦公，在一個車站控制各子站聯(lián)鎖設備。遠程控顯形式的計算機聯(lián)鎖基本結構具有的主要特性是：①本地信號樓設置1套基本的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng);②遠端信號樓設置操作顯示子系統(tǒng)終端;③本地信號樓和遠端信號樓使用單模光纖通信。

2.1 系統(tǒng)架構

遠程控顯方式的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構可分為4層：邏輯運算層、輸入輸出層、操作顯示層、遠端操作顯示層。遠程控顯方式的TYJL-ADX計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)基本結構如圖4所示。

圖4 遠程控顯方式的TYJL-ADX計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)基本結構圖

在遠端信號樓需設置一套綜合控制柜，用于放置遠端監(jiān)控機、交換機設備、不間斷電源UPS等。在遠端機械室設遠端監(jiān)控機，在遠端運轉室內設操作顯示終端，通過以太網實現與本地的操作顯示子系統(tǒng)和聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)的通信。在本地設操作顯示層，向CTC系統(tǒng)提供通信接口;在本地設置維修終端子系統(tǒng)，向集中監(jiān)測系統(tǒng)提供通信接口。

遠端操作顯示子系統(tǒng)的操作命令經過本地操作顯示子系統(tǒng)發(fā)送給聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)，聯(lián)鎖邏輯子系統(tǒng)將室外設備的表示信息發(fā)送給遠端操作顯示子系統(tǒng)。

2.2 硬件冗余設計

遠端操作顯示層由雙套遠端監(jiān)控機和控制臺組成，主要由兩套構成互備關系的監(jiān)控機和與其通過電纜連接的、在車務操作值班室內的顯示器、鼠標、音箱以及相應的車務控制臺構成。TYJL-ADX型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的監(jiān)控機由2臺高可靠工業(yè)控制機構成，采用雙機并用的工作方式，值班員可同時在兩個鼠標控制臺上操作。遠端操作顯示層車務控制臺設計如下：

1．控制臺上擺放顯示器2個。

2．當車站規(guī)模較小時，單屏顯示整個站場圖像，雙屏顯示相同圖像，使用時在單屏上操作即可，另一屏備用。3．當車站規(guī)模較大時，每個屏各顯示一部分車站圖像，雙屏合在一起顯示全部車站圖像，使用時在雙屏上操作。遠端監(jiān)控機和本地監(jiān)控機通過以

太網方式通信。遠端信號樓設置2臺交換機，遠端的2臺交換機分別與本地的監(jiān)控A網交換機、監(jiān)控B網交換機連接，站間通過光纜進行通信，光纖采用SC型單模光纖，其設備的連接方式如圖5所示。

2.3 切換設計

2.3.1 本地和遠端控制權的切換正常使用時，遠端操作顯示子系統(tǒng)為工作狀態(tài)，本地操作顯示子系統(tǒng)為熱備狀態(tài)。遠程操作顯示子系統(tǒng)與本地的操作權可以切換。遠端控制臺和本地控制臺均設有“本臺操作”按鈕，“本臺操作”按鈕按下時為取得控制權，彈出時為交出控制權。需要取得控制權時在控制臺上按下“本臺操作”按鈕，輸入密碼，取得控制權。

圖5 本地和遠端的連接圖

2.3.2 故障切換

故障切換主要是考慮操作顯示子系統(tǒng)故障和網絡設備故障。

1．操作顯示子系統(tǒng)故障。①遠端操作顯示子系統(tǒng)單機故障時，不影響系統(tǒng)正常功能;對于一個屏幕的車站，一屏故障時，可以使用另一屏;對于2個屏幕的車站，當1個監(jiān)控機或顯示器故障時，可以選擇“縮屏”或“切屏”繼續(xù)使用。②本地操作顯示子系統(tǒng)單機故障時，不影響系統(tǒng)正常功能;當本地監(jiān)控機主機與遠端2臺監(jiān)控機中斷時，且本地監(jiān)控機備機與遠端任1臺監(jiān)控機通信正常，本地監(jiān)控機主備切換。③遠端雙機故障時，本地可按下“本臺操作”按鈕取得控制權，在本地辦理行車作業(yè)。④本地雙機故障時，系統(tǒng)不能使用。

2．網絡設備故障。①網絡設備單網故障時，不影響系統(tǒng)正常的功能，情況同遠端操作顯示子系統(tǒng)單系故障。②網絡設備雙網故障時，遠端與本地失去通信，遠端的站場信息顯示無表示，本地可按下“本臺操作”按鈕取得控制權，在本地辦理行車作業(yè)。

3 結束語

在基本計算機聯(lián)鎖的基礎上，結合網絡通信技術開發(fā)區(qū)域集中控制形式的計算機聯(lián)鎖，實現了對區(qū)域范圍內的若干個車站的集中控制，解決了邊遠車站、線路所、以及客運專線車站與既有線車站集中辦公等運營需求。冗余和切換設計是2種應用的關鍵環(huán)節(jié)，冗余和切換技術的研究，對于提高系統(tǒng)的可靠性、減少系統(tǒng)故障、保證行車安全非常重要。

［1］中華人民共和國鐵道部.計算機聯(lián)鎖技術條件［S］．2002．

［2］中國鐵道科學研究院通信信號研究所．TYJL－ADX型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)研究報告［S］．2006．

［3］趙志熙．車站信號控制系統(tǒng)［M］．北京：中國鐵道出版社，1995．

［4］中華人民共和國鐵道部．信號維護規(guī)則［S］．北京：中國鐵道出版社，2006．

Abstract:Redundancy and switching technique is often used in the reliability design of computer systems．The typical applications of computer interlocking system in centralized control include regional interlocking and remote control and display．On the basic of fundamental computer interlocking system，it is critical to design the newly added part of the redundancy and switching in the development of the two typical applications．Taking the TYJL-ADX type computer interlocking system as an example，whith is high safety and high reliability of two out of two multiply two safety redundancy structure，we analyze the system architecture and hardware redundancy design of the two kinds of applications as well as the switching manner of the newly added part and switching design and system disposal under the condition of failure．

Key words:Computer interlocking system;Centralized control;Redundant technique;Switching technology

2013-04-21

(責任編輯：張 利)