計算機聯鎖自動切換操作控制權算法設計

摘" 要：為聯鎖下位機自動重啟后盡快恢復自動化運行，研究現有系統架構下的操作控制權自動切換方法。對鐵路車站操作控制權的功能現狀，和聯鎖操作機與外部控制系統有關控制權交互的接口協議細節進行分析研究。通過對自動切換操作控制權算法的關鍵問題進行分解，提出先由聯鎖操作機偵測自動切換條件，再由主操作機執行自動切換邏輯的設計方案，并描述具體算法流程圖和應用示例，總結該方案的優點。

關鍵詞：聯鎖；操作控制權；操作機；外部控制系統；自動切換

中圖分類號：U284.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0053-04

Abstract： In order to resume the automatic operation as soon as possible after the automatic restart of the interlocking lower computer， the automatic switching method of operation control under the existing system architecture is studied. The functional status of the operation control of the railway station and the interface protocol details of the control interaction between the interlocking operating machine and the external control system are analyzed and studied. By decomposing the key problems of the automatic switching operation control algorithm， this paper puts forward a design scheme that the automatic switching condition is detected by the interlocking operating machine， and then the automatic switching logic is executed by the main operating machine. The specific algorithm flow chart and application examples are described， and the advantages of the scheme are summarized.

Keywords： interlock; operation control right; operating machine; external control system; automatic switching

在鐵路車站，計算機聯鎖系統的操作機設備和其他外部控制系統具有操作控制權交接接口。該接口用于限制用戶在本地聯鎖操作機上執行聯鎖操作有效，還是在外部控制系統終端上執行聯鎖操作有效。為了提高運營效率，在現有聯鎖系統中，當聯鎖下位機、聯鎖操作機、外部控制系統三者之間通信中斷恢復后，會自動切換為原操作控制權模式。但當聯鎖下位機由于停電恢復、設備故障等原因自動重啟時，聯鎖系統會將操作控制權復位為非常站控模式。而在非常站控模式下，用戶必須在聯鎖操作機上執行控制權切換操作才有效，該設計會導致自動化運營中斷后不能自動恢復。此時用戶需要安排操作員在聯鎖操作機上人工執行切換操作，這增加了中心用戶和車站用戶的溝通成本。如該車站是無人值守車站，用戶需要較長時間才能恢復自動化運營，嚴重影響運營效率。本文通過研究既有聯鎖操作機與下位機、聯鎖操作機與外部控制系統接口的通信接口，提出一種聯鎖下位機自動重啟后自動復位為原操作控制權模式的方法，不改變既有系統的接口協議，也不影響系統的功能兼容性。

1" 操作控制權的現狀和接口分析

1.1" 操作控制權的現狀分析

在普速和高速鐵路車站，通常在信號樓車控室設置2臺聯鎖操作機。根據實際需要，還可以在遠程額外設置一至多臺遠程操作機。當本地操作機和遠程操作機同時工作時，需要提供控制權切換功能。此時存在本地控制和遠端控制2種操作控制權模式。聯鎖操作機與調度集中系統（CTC）、編組站綜合自動化系統等帶聯鎖控制功能的外部系統接口時，有非常站控和分散自律2種操作控制權模式。在非常站控模式下，外部系統的控制指令無效。在分散自律模式下，聯鎖操作機的控制按鈕（除非常站控按鈕外）無效。

在城市軌道交通車站，聯鎖操作機與列車自動監控系統（ATS）接口時，有非常站控、車站控制、中心控制等3種操作控制權模式。對于受控制權限限定的操作功能，當系統處于車站控制或非常站控時，僅車站有權執行；當系統處于中心控制時，僅控制中心有權執行。在特定城軌項目，聯鎖操作機除與ATS接口外，同時還與單元控制臺、車輛基地綜合自動化管理系統（MDIAS）等外部控制系統接口，此時會存在額外的操作控制權切換功能。通過切換操作，聯鎖可將操作控制權區分為非常站控、ATS車站控制、ATS中心控制、單元控制臺控制和MDIAS控制等控制權模式。

1.2" 操作控制權的接口分析

深入分析聯鎖操作機與外部控制系統的接口協議，可分為2類：CTC接口方式和ATS接口方式。

1.2.1" CTC接口方式

聯鎖和CTC接口使用2個標準接口協議文件，運基信號[2006]312號《調度集中自律機與計算機聯鎖接口通信協議V1.1》（以下簡稱312號文）和TB/T 3496—2017《調度集中與計算機聯鎖接口規范》（以下簡稱TB3496）。這2個文件內容相似，TB3496是312號文的擴展替代文件。協議規定接口連接方式應使用RS422標準串行接口，由2套聯鎖操作機與外部系統的聯鎖接口設備交叉互聯。操作機向CTC自律機發送運行狀態報告幀（RSR），幀內容應包含主備信息和當前控制權模式信息，應在通信剛剛建立時和運行狀態發生變化時主動向CTC報告。

聯鎖和編組站綜合自動化系統沒有另外制定接口協議，直接沿用既有聯鎖和CTC標準協議。聯鎖和單元控制臺、MDIAS接口時，以312號文為基礎，經過裁剪和修訂制定了新的接口協議。新的接口協議保留了運行狀態報告幀的相關要求。

故聯鎖與CTC、編組站綜合自動化系統、單元控制臺、MDIAS接口時，聯鎖操作機僅需在通信剛剛建立時向外部系統報告包含新控制權模式的RSR消息，即可實現自動切換操作控制權。

1.2.2" ATS接口方式

目前，聯鎖和ATS缺少行業通行的接口規范，一般由聯鎖廠家和ATS廠家協商制定特定項目的接口協議。實際使用的接口方式較多，有RS422標準串行接口方式，有RJ45網口接口方式，還有通過中間設備轉接的接口方式。深入研究其具體接口協議的信息傳遞過程，不論消息幀結構如何變化，其操作顯示信息都采用接口表示碼位和控制碼位來實現。每個控制權模式分別有一個接口表示碼位編號，聯鎖操作機通過設置某個控制權模式接口表示碼位為真，其他控制權模式接口碼位均為假，來表達當前控制權模式信息。故聯鎖與ATS接口時，聯鎖操作機可向ATS報告控制權模式表示碼位變化信息來實現自動切換操作控制權。

2" 自動切換操作控制權算法設計

2.1" 算法的關鍵問題

通過對操作控制權現狀和接口分析得知，只要聯鎖內部自動切換操作控制權后，將新的操作控制權信息通過既有接口報告給外部控制系統，就可實現整體信號系統操作控制權的自動切換。故自動切換操作控制權算法的核心是解決以下4個關鍵子問題。

問題1：聯鎖操作機如何記錄原操作控制權模式？

問題2：聯鎖操作機如何偵測到聯鎖下位機重啟？

問題3：車站存在多臺聯鎖操作機，應由哪臺聯鎖操作機發起自動切換請求？

問題4：在自動切換完成前，操作機以何狀態與外部控制系統通信？

下面針對每個關鍵子問題分別進行分析和解決。

1）操作機存儲信息的方式有3種：內存、本地硬盤、外部設備（如聯鎖維修機）。如下位機重啟的原因是停電恢復，操作機也會隨之重啟，此時內存存儲的信息會丟失，故不能采用內存方式來記錄原操作控制權模式。如采用外部設備存儲方式，需要制定新的通信接口，且需要保證自動切換時該外部設備處于正常運行狀態。本地硬盤存儲的信息在設備重啟后不丟失，也不需要制定新通信接口，故自動切換算法里應采用本地硬盤來存儲原操作控制權模式。即每當操作機切換操作控制權成功后，將當前的操作控制權記錄到本地硬盤上。當需要進入自動切換算法時，可從本地硬盤實時讀取該信息。

2）按計算機聯鎖技術條件要求，計算機聯鎖上電時應采取安全鎖閉處理措施。從操作機角度分析下位機重啟的關鍵特征有2點：通信中斷恢復和重新形成上電鎖閉。與下位機通信中斷恢復屬于操作機的既有偵測信息。重新形成上電鎖閉可通過操作機比較下位機周期性發送的前后兩包站場表示狀態消息判斷得知。故當操作機先偵測到與下位機通信中斷恢復，后偵測到重新形成上電鎖閉時，可認定聯鎖下位機重啟。

3）現有系統采用熱備方式來管理多臺操作機。多臺操作機通過分區域方式或并行方式同時向用戶提供操作顯示功能。為了防止多臺操作機對相同設備同時下發有沖突的操作命令，每臺操作機需區分顯示為主機或備機。聯鎖系統在同一時刻僅有一臺主操作機，可由主操作機發起自動切換操作控制權請求。

4）在與聯鎖下位機通信中斷恢復，至自動切換完成期間，操作機內部的操作控制權狀態是未知狀態。此期間耗時約3 s，操作機無法執行控制操作，與外部系統接口的通信有2種實現策略。策略一，操作機不與外部系統建立正常通信。策略二，操作機可與外部系統建立通信，可傳遞站場表示信息，但不報告控制權模式信息，且不執行外部系統下達的控制命令。本算法使用策略一，實現更簡單，接口交互消息更明確。

2.2" 算法的具體設計

根據算法關鍵問題的分析結論，設計自動切換操作控制權模式的具體算法，描述如下。

首先，所有聯鎖操作機與聯鎖下位機的通信處于中斷狀態，其操作控制權狀態為未知狀態。操作機與外部系統未建立正常通信。

其次，操作機偵測是否符合自動切換控制權的條件：當操作機偵測到與下位機通信中斷恢復，在本地硬盤上讀取最近一次保存的原控制權模式。判斷原控制權模式是否為非常站控，如不為非常站控，操作機需繼續偵測是否重新形成上電鎖閉。如下位機發送的表示信息存在上電鎖閉信息，則操作機認為符合自動切換控制權條件，需執行自動切換控制權邏輯。如操作機偵測到不符合自動切換控制權的條件（原控制權模式為非常站控，或不存在上電鎖閉），則不執行自動切換控制權邏輯，直接按原有方式正常與下位機交互，并與外部系統建立正常通信。

再次，操作機執行自動切換控制權邏輯：操作機根據下位機報告的主操作機信息，判斷當前的主備狀態。如為主操作機，則下發請求控制權切換消息至聯鎖下位機。收到切換成功消息后，根據內容設置操作控制權狀態（應為下位機重啟前的原控制權模式），并發送控制權切換結束消息至備操作機。備操作機等待一定時間，收到主操作機發送的控制權切換結束消息后，根據下位機報告的控制權模式消息內容，設置當前的控制權模式。至此，自動切換邏輯完成。

最后，主備操作機均以當前的控制權模式與外部系統建立正常通信。

算法的流程圖如圖1所示。

3" 自動切換操作控制權算法的具體應用

在成都地鐵18號線，計算機聯鎖系統同時與ATS和MDIAS接口。在合江車輛段信號設備室，除設置2臺聯鎖操作機外，還設置ATS車站服務器和MDIAS通信前置機。聯鎖操作機使用RJ45網口方式與ATS車站服務器接口，使用RS422串口方式與MDIAS通信前置機接口。其設備連接示意圖如圖2所示。該車輛段聯鎖操作機可通過控制權切換操作，切換當前操作控制權為非常站控、ATS車站控制、ATS中心控制和MDIAS控制等4種模式。

該車輛段聯鎖下位機自動重啟時，操作機會執行自動切換操作控制權算法。當2臺操作機未執行完自動切換操作控制權算法時，當前內部的操作控制權為未知狀態，暫不與ATS和MDIAS建立正常通信。假定下位機重啟前原操作控制權模式為ATS中心控制，以文字方式具體描述此時2臺操作機的自動切換操作控制權算法流程如下。

步驟1：當操作機與下位機通信中斷恢復后，操作機從本地硬盤的控制權存儲文件中讀取保存的原操作控制權模式。此時，讀取的原操作控制權模式為ATS中心控制，進入步驟2。

步驟2：操作機等待接收下位機發送的表示信息。收到表示信息后判斷下位機是否重新形成上電鎖閉。此時，下位機由于重啟，發送的表示信息存在上電鎖閉信息，進入步驟3。

步驟3：操作機等待接收下位機發送的主操作機信息。收到主操作機信息后判斷當前操作機是否為主操作機。如當前主操作機為操作A機，則操作A機進入步驟4，操作B機進入步驟5。

步驟4：操作A機發送請求操作控制權切換為ATS中心控制消息至下位機，等待接收下位機的操作控制權切換反饋消息。當操作A機收到切換成功消息后，設置本主操作機的操作控制權模式為ATS中心控制，并發送操作控制權切換結束消息至操作B機，進入步驟6。

步驟5：操作B機等待接收操作A機發送的操作控制權切換結束消息，成功收到后，根據下位機已報告的操作控制權模式設置其操作控制權模式為ATS中心控制，進入步驟6。

步驟6：2臺操作機均與ATS建立正常通信，通過接口表示碼位報告當前的操作控制權模式為ATS中心控制，即設置ATS中心控制表示碼位為真，其他控制權模式接口碼位均為假。與MDIAS建立正常通信，通過發送RSR消息報告當前的操作控制權模式為ATS中心控制。算法描述結束。

自動切換操作控制權算法運行結束后，操作機僅允許執行由控制中心下發的聯鎖控制命令。

4" 結束語

本文所述的自動切換操作控制權方法，自2020年以來，已在卡斯柯聯鎖產品的新建項目中成功應用。相比原有功能，有以下顯著優勢。

1）解決了無人值守車站下位機自動重啟后不能及時恢復運營的問題。

2）減少了遠程用戶控制下的溝通成本。

3）沿用現有聯鎖操作機和聯鎖下位機、聯鎖操作機和外部控制系統接口設計，項目僅升級操作機軟件即可實現自動切換功能，影響面較小，實施成本較低。

4）支持操作機同時存在多個外部控制系統接口項目，不依賴于與外部系統的接口方式和消息格式，普遍適用程度較高。

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