集中控制形式的計算機聯鎖系統冗余和切換技術研究

徐德龍 逄增文 梁志國 劉 鵬

集中控制形式的計算機聯鎖系統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可靠性設計中常采用的一種技術。在區域集中控制方面，計算機聯鎖系統的典型應用包括區域聯鎖和遠程控顯。在基本計算機聯鎖系統的基礎上，開發這兩種典型的應用，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型計算機聯鎖為例，分析了2種應用的系統架構、硬件冗余設計，以及新增子系統的切換方式、故障情況下的切換設計和系統處理。

關鍵詞：計算機聯鎖系統;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、電子技術的快速發展，各種區域集中控制形式的計算機聯鎖系統逐漸地被推廣應用。集中控制形式的計算機聯鎖系統是在基本計算機聯鎖基礎上結合了網絡安全傳輸技術，向網絡化、集成化方向發展的產物。根據計算機聯鎖系統組網方式的不同，區域集中控制形式的計算機聯鎖系統主要有2種應用：一種是區域聯鎖形式，另一種是遠程控顯形式。

冗余技術是計算機系統可靠性設計中常采用的一種技術，是提高計算機系統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一的目的，通常會在控制系統的設計和應用中采用冗余技術，即重復配置系統的一些部件。切換和冗余密不可分，即當系統發生故障時，用冗余配置的部件替代故障部件工作。現以采用安全冗余結構的TYJLADX型二乘二取二計算機聯鎖為例，針對區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 區域聯鎖形式

區域聯鎖形式是指在區域中的一個大站 (即主站)對本站及管轄范圍內的其他車站 (即子站)通過聯鎖總線統一控制。區域聯鎖形式的計算機聯鎖基本結構具有以下主要特性：①只在主站設置聯鎖邏輯子系統;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和執行表示子系統，執行表示子系統與安全繼電器連接，實現對現場信號設備的狀態采集和控制。

1.1 系統架構

區域聯鎖形式的TYJL-ADX型計算機聯鎖系統基本結構示意圖如圖1所示。其中，聯鎖邏輯子系統下發控制命令給各中繼子系統，中繼子系統實時返回采集信息和系統工作狀態信息。聯鎖邏輯子系統和中繼子系統時鐘同步。其各部分功能如下。

圖1 區域聯鎖形式的TYJL-ADX型計算機聯鎖基本結構示意圖

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

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

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

4．輸入輸出子系統。每個站都設置輸入輸出子系統。輸入輸出子系統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。主站設置電務維修機，用于存儲區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信息、報警信息、繼電接口信息、通信接口信息等，并監測安全環網的工作狀態，同時用于向集中監測系統提供接口。

6．安全環網。區域聯鎖的核心技術是采用安全局域網實現主站聯鎖邏輯子系統與中繼子系統之間的安全信息傳輸。安全環網采用2芯單模光纖和NEF交換機構成環狀。

7．電源子系統。主站和子站分別設置電源子系統。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電源給計算機聯鎖系統的Ⅰ系供電，包括操作顯示子系統的A機、聯鎖邏輯子系統的Ⅰ系、中繼子系統的Ⅰ系;B路電源給計算機聯鎖系統的Ⅱ系供電，包括操作顯示子系統的B機、聯鎖邏輯子系統的Ⅱ系、中繼子系統的Ⅱ系、維修終端子系統。輸入輸出子系統有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．中繼子系統的冗余設計。中繼子系統由冗余的雙機組成，采用與聯鎖邏輯子系統相同的硬件平臺，雙機機籠獨立設置。

2．安全環網構成及冗余設計。安全環網由冗余的雙環網組成 (1網和2網)，為封閉式網絡。環網設備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。安全環網組網示意圖如圖2所示。

3．聯鎖邏輯子系統接入安全環網的冗余設計。聯鎖邏輯子系統每系提供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。中繼子系統接入安全環網的方式與聯鎖邏輯子系統相同。

圖2 安全環網組網示意圖

圖3 聯鎖邏輯子系統和中繼子系統接入安全環網的連接圖

1.3 切換設計

基本形式的TYJL-ADX型計算機聯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，系統除具有故障切換方式之外還具有定時自動切換方式。區域聯鎖方式的TYJL-ADX型計算機聯鎖切換設計如下。

1.3.1 中繼子系統切換

中繼子系統的雙系與聯鎖邏輯子系統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。中繼子系統兩系與輸入輸出子系統兩系為綁定關系。中繼子系統每天定時切換，與聯鎖邏輯子系統的定時切換采取錯時切換的原則。聯鎖邏輯子系統或中繼子系統主備切換時，安全環網不切換。

1.3.2 安全環網的切換

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

1.3.3 故障切換

故障切換主要考慮聯鎖邏輯子系統故障、中繼子系統故障和安全環網故障。

1．聯鎖邏輯子系統單系故障時，不影響使用。聯鎖邏輯子系統為單系工作狀態，中繼子系統為雙系工作狀態。

聯鎖邏輯子系統雙系故障時，系統不能使用。中繼子系統將停止命令輸出。

2．中繼子系統單系故障時，不影響使用。中繼子系統為單系工作狀態，聯鎖邏輯子系統為雙系工作狀態。中繼子系統雙系故障時，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，不影響系統使用，聯鎖邏輯子系統和中繼子系統均為雙系工作狀態，系統提示環網故障報警。

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

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鎖設備。遠程控顯形式的計算機聯鎖基本結構具有的主要特性是：①本地信號樓設置1套基本的計算機聯鎖系統;②遠端信號樓設置操作顯示子系統終端;③本地信號樓和遠端信號樓使用單模光纖通信。

2.1 系統架構

遠程控顯方式的計算機聯鎖系統結構可分為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計算機聯鎖系統基本結構如圖4所示。

圖4 遠程控顯方式的TYJL-ADX計算機聯鎖系統基本結構圖

在遠端信號樓需設置一套綜合控制柜，用于放置遠端監控機、交換機設備、不間斷電源UPS等。在遠端機械室設遠端監控機，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和聯鎖邏輯子系統的通信。在本地設操作顯示層，向CTC系統提供通信接口;在本地設置維修終端子系統，向集中監測系統提供通信接口。

遠端操作顯示子系統的操作命令經過本地操作顯示子系統發送給聯鎖邏輯子系統，聯鎖邏輯子系統將室外設備的表示信息發送給遠端操作顯示子系統。

2.2 硬件冗余設計

遠端操作顯示層由雙套遠端監控機和控制臺組成，主要由兩套構成互備關系的監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型計算機聯鎖系統的監控機由2臺高可靠工業控制機構成，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。遠端監控機和本地監控機通過以

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控A網交換機、監控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為工作狀態，本地操作顯示子系統為熱備狀態。遠程操作顯示子系統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故障和網絡設備故障。

1．操作顯示子系統故障。①遠端操作顯示子系統單機故障時，不影響系統正常功能;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個監控機或顯示器故障時，可以選擇“縮屏”或“切屏”繼續使用。②本地操作顯示子系統單機故障時，不影響系統正常功能;當本地監控機主機與遠端2臺監控機中斷時，且本地監控機備機與遠端任1臺監控機通信正常，本地監控機主備切換。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。④本地雙機故障時，系統不能使用。

2．網絡設備故障。①網絡設備單網故障時，不影響系統正常的功能，情況同遠端操作顯示子系統單系故障。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。

3 結束語

在基本計算機聯鎖的基礎上，結合網絡通信技術開發區域集中控制形式的計算機聯鎖，實現了對區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種應用的關鍵環節，冗余和切換技術的研究，對于提高系統的可靠性、減少系統故障、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型計算機聯鎖系統研究報告［S］．2006．

［3］趙志熙．車站信號控制系統［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)