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鐵路信號計算機聯(lián)鎖控制系統容錯技術(shù)探究的論文
在鐵路信號系統中，計算機得到越來(lái)越廣泛的應用，作為組織列車(chē)行車(chē)管理和保證行車(chē)安全的鐵路信號系統，其自動(dòng)化水平不斷提高，規模日益擴大，復雜性也迅速提高，因此，對系統的安全性和可靠性就提出了很高的要求。用計算機技術(shù)可以提高聯(lián)鎖系統的安全性和可靠性，并不是說(shuō)計算機自身固有這些優(yōu)點(diǎn)，而是說(shuō)以計算機為核心，綜合利用有關(guān)容錯技術(shù)可以達到這些目的。因此，計算機化的鐵路信號設備依據容錯計算技術(shù)，通過(guò)軟、硬件的容錯設計，可以非常有效地提高鐵路信號設備的可靠性，進(jìn)而提高設備的安全性。!
容錯技術(shù)在鐵路信號系統中的應用容錯技術(shù)的實(shí)現方法主要是冗余，所采取的主要手段就是投入更多的超常設計所需的資源、即外加資源，來(lái)?yè)Q取更高的非常規設計所能達到的超高可靠性。外加資源是多種多樣的，概括起來(lái)有硬件冗余、信息冗余、時(shí)間冗余和軟件冗余，它們最終在計算機系統中體現為硬件冗余和軟件冗余。各種冗余要有機地相互配合使用才能達到超高可靠性目標。目前在計算機聯(lián)鎖領(lǐng)域常用的有三摸冗余、雙機熱備。
(!)三模冗余三模冗余簡(jiǎn)稱(chēng) "，圖 !所示為三模冗余系統的原理結構。#!、#3、#4 是三個(gè)相同的模塊，可以是三臺相同的計算機，也可以是三個(gè)相同的部件。三個(gè)模塊同時(shí)執行一樣的操作，其輸出送到“表決器”5 的輸入瑞，然后把 5 的輸出作為系統輸出。三模冗余的基本原理是：首先以承認“多數模塊的輸出是正確的”為基本出發(fā)點(diǎn)，實(shí)行“少數服從多數”的糾錯原理，用三取二的多數判決作為系統的正確輸出。在一般的使用中，只注意正確的輸出而并不關(guān)心各個(gè)模塊的誰(shuí)對誰(shuí)錯。在正常情況下，三個(gè)模塊同時(shí)給出三個(gè)相同的輸出，表決器輸出一個(gè)結果作為三個(gè)模塊的正確輸出。如果任一模塊出錯，其輸出不同于其它兩個(gè)模塊，表決器仍然輸出正確結果。若兩個(gè)模塊同時(shí)錯成相同的狀態(tài)，表決器的輸出被誤認為是正確的;若兩個(gè)模塊同時(shí)錯成不同的狀態(tài)，則此系統無(wú)法工作。這些情況的出現雖然是可能的，但概率非常低。三模表決系統可以明顯提高系統的可靠性，使行車(chē)更為安全。不過(guò)，這一系統結構復雜，實(shí)現技術(shù)要求相當高，實(shí)現三重模塊的軟、硬件同步頗具難度，該系統目前均為國外產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。
(3)雙機熱備雙機熱備是動(dòng)態(tài)冗余中常用的一種，也叫待命儲備系統。其系統原理結構如圖 3 所示。它由(67!)個(gè)模塊、故障檢查器和切換開(kāi)關(guān)組成。其中只有—個(gè)模塊%如 #!2 處于工作狀態(tài)而其余 6個(gè)模塊%#3，#4，…#67!2處于待命接替狀態(tài)。通常將正在工作的模塊稱(chēng)為基本模塊，待命接替模塊稱(chēng)為儲備模塊。運行中當故障檢測器發(fā)現處于工作狀態(tài)的基本模塊發(fā)生故障后，立即通過(guò)切換開(kāi)關(guān)切除故障模塊，代之以?xún)淠K。如果接替工作的模塊接續后又發(fā)生故障，則再將其切除，用另一個(gè)儲備模塊來(lái)代替。如此“切除—替代”，一直進(jìn)行到將 6個(gè)儲備模塊全部耗盡為止。在實(shí)際的應用中，綜合考慮性能、經(jīng)濟等因素，二模冗余系統具有結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現、糾錯率較高等許多優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了比較廣泛的應用。二模冗余熱備方式的最大特點(diǎn)是雙模并行工作，具有快速切換和連續工作的特點(diǎn)，非常適合于鐵路信號設備對于控制連續性、瞬時(shí)控制能力的要求，因此，我們的系統在硬件結構上選定為二模熱備，即所謂的雙機熱備。" 基于 #$%&’() 的容錯計算機聯(lián)鎖控制系統38! 系統結構圖該系統硬件結構圖如圖 4 所示。由圖可以看出，該系統從邏輯上可以分為三層：人機會(huì )話(huà)、維修管理和通信接口層、聯(lián)鎖邏輯運算層、數據采集、命令驅動(dòng)層。各部分的功能如下：(!)人機會(huì )話(huà)、維修管理和通信接口層人機會(huì )話(huà)機除主機外，還配有備機，采用熱備方式。雙機同鐵路信號計算機聯(lián)鎖控制系統容錯技術(shù)研究!鄭麗英 董 昱 李敬文 蘭州交通大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院本文介紹了鐵路信號系統中常用的容錯技術(shù)及其原理，然后介紹了自行研制開(kāi)發(fā)的基于 $"L’/-M 的容錯計算機聯(lián)鎖控制系統，并且詳細討論了系統的容錯技術(shù)實(shí)現方法。關(guān)鍵詞：鐵路信號，實(shí)時(shí)，計算機聯(lián)鎖，容錯，$"L’/-M圖 ! 三模冗余原理圖在鐵路信號系統中，計算機得到越來(lái)越廣泛的應用，作為組織列車(chē)行車(chē)管理和保證行車(chē)安全的鐵路信號系統，其自動(dòng)化水平不斷提高，規模日益擴大，復雜性也迅速提高，因此，對系統的安全性和可靠性就提出了很高的要求。用計算機技術(shù)可以提高聯(lián)鎖系統的安全性和可靠性，并不是說(shuō)計算機自身固有這些優(yōu)點(diǎn)，而是說(shuō)以計算機為核心，綜合利用有關(guān)容錯技術(shù)可以達到這些目的。
因此，計算機化的鐵路信號設備依據容錯計算技術(shù)，通過(guò)軟、硬件的容錯設計，可以非常有效地提高鐵路信號設備的可靠性，進(jìn)而提高設備的安全性。
! 容錯技術(shù)在鐵路信號系統中的應用容錯技術(shù)的實(shí)現方法主要是冗余，所采取的主要手段就是投入更多的超常設計所需的資源、即外加資源，來(lái)?yè)Q取更高的非常規設計所能達到的超高可靠性。外加資源是多種多樣的，概括起來(lái)有硬件冗余、信息冗余、時(shí)間冗余和軟件冗余，它們最終在計算機系統中體現為硬件冗余和軟件冗余。各種冗余要有機地相互配合使用才能達到超高可靠性目標。目前在計算機聯(lián)鎖領(lǐng)域常用的有三摸冗余、雙機熱備。(!)三模冗余三模冗余簡(jiǎn)稱(chēng) "#$ %"&’()* #+,-).& $*,-/,./012，圖 !所示為三模冗余系統的原理結構。#!、#3、#4 是三個(gè)相同的模塊，可以是三臺相同的計算機，也可以是三個(gè)相同的部件。三個(gè)模塊同時(shí)執行一樣的操作，其輸出送到“表決器”5 的輸入瑞，然后把 5 的輸出作為系統輸出。三模冗余的基本原理是：首先以承認“多數模塊的輸出是正確的”為基本出發(fā)點(diǎn)，實(shí)行“少數服從多數”的糾錯原理，用三取二的多數判決作為系統的正確輸出。在一般的使用中，只注意正確的輸出而并不關(guān)心各個(gè)模塊的誰(shuí)對誰(shuí)錯。在正常情況下，三個(gè)模塊同時(shí)給出三個(gè)相同的輸出，表決器輸出一個(gè)結果作為三個(gè)模塊的正確輸出。如果任一模塊出錯，其輸出不同于其它兩個(gè)模塊，表決器仍然輸出正確結果。
若兩個(gè)模塊同時(shí)錯成相同的狀態(tài)，表決器的輸出被誤認為是正確的;若兩個(gè)模塊同時(shí)錯成不同的狀態(tài)，則此系統無(wú)法工作。這些情況的出現雖然是可能的，但概率非常低。三模表決系統可以明顯提高系統的可靠性，使行車(chē)更為安全。不過(guò)，這一系統結構復雜，實(shí)現技術(shù)要求相當高，實(shí)現三重模塊的軟、硬件同步頗具難度，該系統目前均為國外產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。(3)雙機熱備雙機熱備是動(dòng)態(tài)冗余中常用的一種，也叫待命儲備系統。其系統原理結構如圖 3 所示。它由(67!)個(gè)模塊、故障檢查器和切換開(kāi)關(guān)組成。其中只有—個(gè)模塊%如 #!2 處于工作狀態(tài)而其余 6個(gè)模塊%#3，#4，…#67!2處于待命接替狀態(tài)。通常將正在工作的模塊稱(chēng)為基本模塊，待命接替模塊稱(chēng)為儲備模塊。運行中當故障檢測器發(fā)現處于工作狀態(tài)的基本模塊發(fā)生故障后，立即通過(guò)切換開(kāi)關(guān)切除故障模塊，代之以?xún)淠K。如果接替工作的模塊接續后又發(fā)生故障，則再將其切除，用另一個(gè)儲備模塊來(lái)代替。如此“切除—替代”，一直進(jìn)行到將 6個(gè)儲備模塊全部耗盡為止。
在實(shí)際的應用中，綜合考慮性能、經(jīng)濟等因素，二模冗余系統具有結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現、糾錯率較高等許多優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了比較廣泛的應用。二模冗余熱備方式的最大特點(diǎn)是雙模并行工作，具有快速切換和連續工作的特點(diǎn)，非常適合于鐵路信號設備對于控制連續性、瞬時(shí)控制能力的要求，因此，我們的系統在硬件結構上選定為二模熱備，即所謂的雙機熱備。 " 基于的容錯計算機聯(lián)鎖控制系統38! 系統結構圖該系統硬件結構圖如圖 4 所示。由圖可以看出，該系統從邏輯上可以分為三層：人機會(huì )話(huà)、維修管理和通信接口層、聯(lián)鎖邏輯運算層、數據采集、命令驅動(dòng)層。各部分的功能如下：(!)人機會(huì )話(huà)、維修管理和通信接口層人機會(huì )話(huà)機除主機外，還配有備機，采用熱備方式。雙機同鐵路信號計算機聯(lián)鎖控制系統容錯技術(shù)研究!鄭麗英 董 昱 李敬文 蘭州交通大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院(94::9:)本文介紹了鐵路信號系統中常用的容錯技術(shù)及其原理，然后介紹了自行研制開(kāi)發(fā)的基于 $"L’/-M 的容錯計算機聯(lián)鎖控制系統，并且詳細討論了系統的容錯技術(shù)實(shí)現方法。關(guān)鍵詞：鐵路信號，實(shí)時(shí)，計算機聯(lián)鎖，容錯，圖 ! 三模冗余原理圖!基金項目：甘肅省自然科學(xué)基金項目，編號 O6::4=P4Q=:3R=02圖 3 動(dòng)態(tài)冗余原理圖維修管理機它不向聯(lián)鎖機發(fā)送任何信息，僅通過(guò)車(chē)站控制局域網(wǎng)從人機會(huì )話(huà)機接受操作員的操作命令、聯(lián)鎖機的命令執行情況以及站場(chǎng)中各信號設備的表示信息，以便記錄值班員操作命令、站場(chǎng)變化信息、系統錯誤、與微機監測接口，同時(shí)實(shí)現記錄的存儲、打印、再現等功能，為電務(wù)維修提供方便。
另外，本系統還在該機上配置了全站場(chǎng)室外信號設備狀態(tài)監視窗口，以方便操作員及時(shí)了解和維護。通訊前置機提供與車(chē)站綜合局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的通信接口，連接 )*) 系統、+,-. 系統、車(chē)次號輸入系統、旅客向導系統等輔助行車(chē)系統，此外，還包括聯(lián)鎖測試及其他與聯(lián)鎖相關(guān)功能的通信接口。(!)聯(lián)鎖邏輯運算層聯(lián)鎖邏輯運算層包括兩臺互為熱備的聯(lián)鎖 /、0 機，負責接收人機會(huì )話(huà)機下達的聯(lián)鎖命令，根據從采集驅動(dòng)層采集來(lái)的現場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數據進(jìn)行聯(lián)鎖運算，同時(shí)將運算結果發(fā)送到采集驅動(dòng)層和人機會(huì )話(huà)層。聯(lián)鎖邏輯運算層是計算機聯(lián)鎖控制系統的核心1其是否安全可靠將直接決定整個(gè)系統是否安全可靠。(()數據采集、命令驅動(dòng)層采集驅動(dòng)層負責執行人機會(huì )話(huà)機下發(fā)的控制命令，同時(shí)向人機會(huì )話(huà)機和維管機傳送現場(chǎng)信號設備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。它由全電子化的無(wú)觸點(diǎn)電子模塊完成對現場(chǎng)信號設備數據的數據采集和驅動(dòng)功能。
!2! 系統容錯機制該系統容錯機制表現在三個(gè)方面：硬件冗余、軟件冗余和智能自測。硬件冗余：此系統可以看作是雙模容錯結構。因為兩聯(lián)鎖機在硬件上說(shuō)是雙模塊，并且考慮到鐵路信號系統的實(shí)時(shí)性，采用熱備份。聯(lián)鎖機、人機對話(huà)機和維管機之間用兩個(gè)集線(xiàn)器(340)相互連接，構成相互冗余的兩個(gè)局域網(wǎng)。人機對話(huà)機和兩聯(lián)鎖機之間及兩聯(lián)鎖機之間都可以相互傳遞數據和控制信息，采用的通信協(xié)議是 *)56-5。采用局部網(wǎng)絡(luò )的方式，既可以保證相互通信的速率，又可以方便與外部網(wǎng)絡(luò )相連接(如 +-,. 系統)�？紤]到局部網(wǎng)絡(luò )在網(wǎng)絡(luò )通信的過(guò)程中可能發(fā)生故障從而對整個(gè)系統容錯性能造成致命影響，因此采用了局部網(wǎng)絡(luò )冗余結構，在人機對話(huà)機和兩聯(lián)鎖機上各配備了雙網(wǎng)絡(luò )接口板，用兩套網(wǎng)線(xiàn)進(jìn)行連接，構成兩套局部網(wǎng)絡(luò )，這樣就保證了整個(gè)系統容錯功能的實(shí)現。軟件冗余：聯(lián)鎖模塊采取雙份編碼，每份編碼所使用的編程語(yǔ)言和編程結構均不同，所使用的數據均來(lái)自物理地址完全不同的內存空間，仿作工作模式。
為了減小故障潛伏期，在數據采集后和聯(lián)鎖運算結果輸出前由同步控制器和軟件比較器監控比較，實(shí)時(shí)地檢測故障，如圖 7 所示。兩個(gè)程序的相互同步采用8*9:;<= 0="">! 結果后(單機雙版本)，最終結果一致的 ! 結果送往聯(lián)鎖執行主機進(jìn)行比較，若一致，則再次向 , 機&人機交互機’發(fā)送確認命令，, 機接受確認信息后與命令動(dòng)態(tài)表中的原始命令比較，如一致，則向聯(lián)鎖執行主機發(fā)送允許發(fā)送信號，由聯(lián)鎖執行主機把結果命令發(fā)送到命令驅動(dòng)層。若不一致，則發(fā)重復運算信號給機，并修改本機動(dòng)態(tài)結果數據表的響應標示位，/、0 機進(jìn)行重復運算再進(jìn)行比較，如果超過(guò)約定次數結果還不一致，則判斷 /、0 機可能發(fā)生故障，啟動(dòng) /、0機自檢程序進(jìn)行故障測試，找出故障機，進(jìn)行切換。切換的具體過(guò)程就是 , 機發(fā)允許信號 ?讓哪臺機器發(fā)送命令，可設置一全局變量 CDEFGHI<，每次比較成功后都要讀此變量，若為 /，則 , 向 / 傳遞允許 / 發(fā)送運算結果命令，同時(shí)把 0 發(fā)送進(jìn)程封住。這樣利用信號在網(wǎng)絡(luò )中的傳遞來(lái)控制切換，可以做到“無(wú)縫切換”，即幾乎沒(méi)有延遲。
圖 7 單機雙版本聯(lián)鎖程序的容錯機制智能自測：為了進(jìn)一步實(shí)現系統容錯功能，系統提供了自檢功能，可保證系統出現故障時(shí)，不用人工干預，可迅速定位、排除故障。自檢主要由守護進(jìn)程進(jìn)行控制，通過(guò)運行一個(gè)守護進(jìn)程，周期性的進(jìn)行系統自我檢查，及時(shí)發(fā)現系統故障;在出現問(wèn)題時(shí)，可以產(chǎn)生中斷自檢，找出故障模塊，迅速切換，保證整個(gè)系統的正常運行。自檢由兩部分組成：!人機交互機(, 機)上的對 ,機的檢查程序———通過(guò)對系統配置文件的讀取來(lái)判斷自身工作是否正常;", 機和 /60 機上的通過(guò)套接字(JHDFKL)進(jìn)行通信的檢測系統。
機按時(shí)通過(guò)套接字向 / 6 0 機發(fā)送聯(lián)鎖運算命令，根據/ 6 0 機返回狀態(tài)設定 / 6 0 哪臺是主機哪臺是從機，如果一臺聯(lián)鎖機出現問(wèn)題，系統立刻切換到另一臺進(jìn)行數據采集并重新啟動(dòng)這臺機器，如果兩臺機器都出了問(wèn)題，系統切換 340(等同切換新的工作網(wǎng)絡(luò ))。/60 通過(guò)運算進(jìn)行自判斷并把結果返回 ,，而且寫(xiě)入系統日志文件便于今后查詢(xún)。出于系統的特殊要求，自檢系統具有以下特點(diǎn)：$)由于鐵路的特殊工作要求，故障必須及時(shí)解決，否則就會(huì )出現危及生命財產(chǎn)的事故，所以系統應具有良好的實(shí)時(shí)性和及時(shí)地發(fā)現故障處理故障的能力，聯(lián)鎖機實(shí)時(shí)地從配置文件中讀取 " 機發(fā)送的命令并隨時(shí)準備執行這些命令，一旦出現問(wèn)題立刻切換聯(lián)鎖機并重啟故障機。#)出于安全性，健壯性的考慮，自檢系統進(jìn)行檢查的對象應該是整個(gè)計算機聯(lián)鎖系統，包括人機交互界面，聯(lián)鎖機，信號采集，網(wǎng)絡(luò )傳輸還有系統的軟件包括自檢系統自身，更全面的檢測能讓系統工作的更穩定更安全。
$)智能，為了使此系統的使用者能更方便更有效地使用，自檢系統要求一旦運行就完全自動(dòng)控制，不用人工干預，守護進(jìn)程很好的實(shí)現了自檢系統對整個(gè)系統的檢測和對自身對系統發(fā)生故障后的自動(dòng)處理。! 結束語(yǔ)該計算機聯(lián)鎖控制系統從硬件、軟件方面采用多級混合容錯技術(shù)，從系統級、單機級、任務(wù)級、進(jìn)程級、到程序塊級來(lái)考慮系統的容錯能力，保證系統具有較高的可靠度。由于鐵路計算機應用的飛速發(fā)展及其計算機網(wǎng)絡(luò )應用的普及，未來(lái)的聯(lián)鎖系統應該是高可靠、強容錯、網(wǎng)絡(luò )化、分布式和高度可裁減的，本系統是朝著(zhù)這個(gè)方向的一個(gè)嘗試。目前，該系統已通過(guò)實(shí)驗室測試，各項指標符合鐵道部規定的要求，即將投入現場(chǎng)實(shí)際使用
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