基于ADS的鐵路信號監控系統集成方案與設計

孔青寧 ，樊 超

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，碩士研究生，甘肅 蘭州 730070）

鐵路信號設備是鐵路運輸的基礎設施，是保證行車安全，提高運輸效率和改善勞動條件的安全關鍵設備。鐵路信號監控系統作為鐵路信息化的組成部分，可以為行車調度、救援指揮、防災安全、客運服務調度等提供直觀先進的輔助決策手段，對于保障線路的安全運營，提升服務質量具有重要作用。

目前，在國內鐵路信號控制系統之間，信號控制網絡和鐵路基礎信息網絡之間都還是彼此孤立的。為了適應鐵路信息化的要求，根據信號系統的實際需求，應當建立起能夠與其他鐵路系統集成的監控系統，基于ADS的鐵路信號監控系統集成，是可供選擇的理想方案。

1 自律分散系統理論

自律分散系統ADS（Autonomous Decentralized System）是近年由日本東京工業大學Mori實驗室的Kinji Mori教授首先提出的一個基于系統模型的概念。自律分散的思想是向生物學習而提出來的。在生物體中，每個細胞具有相同的遺傳信息。據此，在ADS中構成系統的各個節點具有相同的潛在能力，任何一個節點可從其它節點接收信息，然后選擇必要的信息加以自律地處理〔1〕。

1.1 ADS的基本構成 最基本的ADS由原子節點（atom）和數據域（data field）組成。其基本結構及信息形式，如圖1所示。

圖1 ADS體系結構示意圖

1.2 節點 節點（atom）是ADS構成的最基本的自律單元。在物理網絡中，它對應于計算機、智能設備或其他硬件。每個節點都能獨立地從數據域中提取信息并進行內部處理，同時又主動以廣播方式向數據域發送處理結果及其他內部信息，發出的信息在數據域中循環。節點之間沒有直接耦合關系，因而降低了系統的整體復雜性。

1.3 數據域 數據域（Data Field）是ADS中信息傳播的空間。物理概念上，它相當于網絡或存儲器。一方面所有節點主動地向數據域發送信息，同時各個節點又根據自己所需從數據域中取走信息，以完成內部模塊的功能〔2〕。

1.4 組廣播 在自律分散系統中，最基本的通信方式是廣播。基于它的通信方式可以把同一數據域中關系相近的多個節點劃分為1個組播組（Mutli?cast Group），這樣便于信息發送管理。節點可以根據本身需求加入1個或多個組播組。組播組不能跨越數據域，其最大等于數據域。

數據域和廣播的通信方式是實現ADS系統模型的關鍵。定義自律分散系統有2個前提：一是系統中有故障是正常現象；二是系統是由子系統組成。首先必須存在子系統，整體系統是不能事先定義的，只能定義為子系統的集成。其中某些子系統可能處于故障狀態、正在進行改進或維修。

自律分散系統有兩大特性：自律可控性和自律可協調性。利用這種系統特性構建的系統較好地保證了在線擴展、在線維護及容錯，這些特點與不斷發展變化的監控要求非常吻合。

2 鐵路信號監控系統模式設計

鐵路信號監控系統集成化設計應遵循如下原則：

1）系統應具有高適應力，能滿足無法估計的需求，允許系統在線進化生長。鐵路提速推動了信號技術的跨越式發展，提速道岔分動、多點牽引、外鎖閉轉換設備全面上道，對于信號監控系統而言，監測和控制對象的更新和增加，系統的規模逐漸擴大，監控系統只有具備良好的在線生長和擴展功能才能滿足發展的要求。

2）系統應具有容錯能力，故障修復時不影響系統穩定性。鐵路信號設備種類多，當某一個設備或者子系統出現故障時，應不影響整個系統和其它的設備正常運行；系統的設備故障不能影響其他設備的工作，同時不能影響行車。

3）系統應具有快速反應力，能快速感應系統需求，并做出反應。信號監控子系統或者信號設備出現故障，監控系統應具備快速的反應力及識別能力。發生故障后能及時地將信息傳送到控制中心。例如，在信號設備被盜或遭到破壞時，應能向車站值班人員報警。

4）系統應能快速重構，對于功能增減和故障恢復，能快速地恢復模塊或子系統運行。根據信號微機監測系統收集的監測信息和故障信息，應用智能軟件對發生的故障進行實時分析和判斷，并提出正確有效的恢復對策，幫助工作人員準確確定故障位置，隔離故障區域，盡量恢復非故障區域和子系統的正常運行，將故障損失降到最低。

3 鐵路信號監控系統集成方案

3.1 數據類型及處理方式 鐵路信號監控系統是一個復雜的綜合系統，既是一個控制系統，又是一個監測系統。在這個系統中存在著不同的數據流，不同的數據流在數據處理的驅動機制、方式及傳輸等方面有著諸多不同。因此，鐵路信號監控系統數據流可以劃分為信息數據流和控制數據流。

3.2 系統方案的集成 鐵路信號監控系統集成模型是基于對其數據流的劃分，其主要是將控制數據流和信息數據流分別發布到不同數據域中，數據異構問題由此轉變為ADS中的數據域異構問題，對于數據域異構問題在此采用網關集成，其模型如圖2。

圖2 集成系統模型示意圖

3.2.1 信息數據域 由鐵路信號微機監測系統，與鐵路行車有關的基礎設備的狀態信息、信號設備的信息等組成信息數據域。監測系統中有關信息系統的數據都將被發送到信息數據域。當某一子系統接收到滿足觸發應用模塊的數據，觸發該模塊，執行結果發送到數據域，供其它信息子系統或者控制數據域中需要相關信息的子系統接受使用。這些系統可以是連接內外設備的計算機單機，也可以是信號微機監測系統中電源屏、轉轍機、軌道電路、電纜絕緣、移頻電碼化等項目的監測信息。

3.2.2 控制數據域 由鐵路信號控制系統的各個控制數據域組成，所有相關控制系統的數據都被發送到控制數據域。當某一子系統接收符合條件的數據后，觸發應用模塊，執行結果發布到控制數據域，供其他子系統或者信息數據域中子系統接收使用。在鐵路信號監控系統中表現為鐵路信號控制系統、微機聯鎖系統、進路辦理等指令的控制子系統。

3.2.3 網關 網關是整個系統集成中的關鍵部分。網關作為一個自律子系統存在，負責對數據域需求的數據進行傳送并注冊。

4 網關子系統的設計

網關可以是單網關也可以是多網關組成的網關系統〔3〕。系統級上的可擴展性由它來實現。

網關子系統的設計，在此采用3網關組成的雙環結構，如圖3所示。圖中所示網絡中有3個網關，組成6個不同的網段，每個網關節點有4個網絡接口。各個網段連接各個異構系統，通過這樣的連接就實現了異構系統的集成。

圖3 網關子系統拓撲結構示意圖

采用3網關能夠很好地解決單網關引起的網絡流量瓶頸及單一故障點問題，同時還可以解決由于系統復雜度增加引起節點判斷數據而帶來的實時性和穩定性問題。多節點網關子系統，易于實現復雜系統在線功能擴展、規模擴展以及在線維護和容錯。

5 結束語

隨著鐵路信息化的建設，實現控制系統和信息系統的統一成為鐵路信號監控系統發展的必然趨勢，而基于ADS通過多網關集成為此提供了極為可行的方案。它可有效地解決目前我國鐵路信號控制系統之間，信號控制網絡和鐵路基礎信息網絡之間彼此孤立等問題，實現鐵路信號監控系統的可擴展性、可維護性和容錯性，適應鐵路信息化的要求。

〔1〕劉志剛，譚永東，錢清泉，等.自律分散系統在電氣化鐵路監控系統中應用研究〔J〕.電力自動化設備，2001，21（10）：18-20.

〔2〕趙順玲，于勝龍，吳德昌，譚永東.傳統監控系統的不足及 ADS 解決方案〔J〕.電力自動化設備，2003，23（4）：81-84.

〔3〕KinjiMori.Applicationin Rapidly Changing Environments〔J〕.IEEE Computer，1998，31（4）：42-43.