計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法設(shè)計(jì)

摘" 要：為聯(lián)鎖下位機(jī)自動(dòng)重啟后盡快恢復(fù)自動(dòng)化運(yùn)行，研究現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)下的操作控制權(quán)自動(dòng)切換方法。對(duì)鐵路車站操作控制權(quán)的功能現(xiàn)狀，和聯(lián)鎖操作機(jī)與外部控制系統(tǒng)有關(guān)控制權(quán)交互的接口協(xié)議細(xì)節(jié)進(jìn)行分析研究。通過(guò)對(duì)自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分解，提出先由聯(lián)鎖操作機(jī)偵測(cè)自動(dòng)切換條件，再由主操作機(jī)執(zhí)行自動(dòng)切換邏輯的設(shè)計(jì)方案，并描述具體算法流程圖和應(yīng)用示例，總結(jié)該方案的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)鎖；操作控制權(quán)；操作機(jī)；外部控制系統(tǒng)；自動(dòng)切換

中圖分類號(hào)：U284.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的操作機(jī)設(shè)備和其他外部控制系統(tǒng)具有操作控制權(quán)交接接口。該接口用于限制用戶在本地聯(lián)鎖操作機(jī)上執(zhí)行聯(lián)鎖操作有效，還是在外部控制系統(tǒng)終端上執(zhí)行聯(lián)鎖操作有效。為了提高運(yùn)營(yíng)效率，在現(xiàn)有聯(lián)鎖系統(tǒng)中，當(dāng)聯(lián)鎖下位機(jī)、聯(lián)鎖操作機(jī)、外部控制系統(tǒng)三者之間通信中斷恢復(fù)后，會(huì)自動(dòng)切換為原操作控制權(quán)模式。但當(dāng)聯(lián)鎖下位機(jī)由于停電恢復(fù)、設(shè)備故障等原因自動(dòng)重啟時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)會(huì)將操作控制權(quán)復(fù)位為非常站控模式。而在非常站控模式下，用戶必須在聯(lián)鎖操作機(jī)上執(zhí)行控制權(quán)切換操作才有效，該設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)中斷后不能自動(dòng)恢復(fù)。此時(shí)用戶需要安排操作員在聯(lián)鎖操作機(jī)上人工執(zhí)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(wú)人值守車站，用戶需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)效率。本文通過(guò)研究既有聯(lián)鎖操作機(jī)與下位機(jī)、聯(lián)鎖操作機(jī)與外部控制系統(tǒng)接口的通信接口，提出一種聯(lián)鎖下位機(jī)自動(dòng)重啟后自動(dòng)復(fù)位為原操作控制權(quán)模式的方法，不改變既有系統(tǒng)的接口協(xié)議，也不影響系統(tǒng)的功能兼容性。

1" 操作控制權(quán)的現(xiàn)狀和接口分析

1.1" 操作控制權(quán)的現(xiàn)狀分析

在普速和高速鐵路車站，通常在信號(hào)樓車控室設(shè)置2臺(tái)聯(lián)鎖操作機(jī)。根據(jù)實(shí)際需要，還可以在遠(yuǎn)程額外設(shè)置一至多臺(tái)遠(yuǎn)程操作機(jī)。當(dāng)本地操作機(jī)和遠(yuǎn)程操作機(jī)同時(shí)工作時(shí)，需要提供控制權(quán)切換功能。此時(shí)存在本地控制和遠(yuǎn)端控制2種操作控制權(quán)模式。聯(lián)鎖操作機(jī)與調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）、編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等帶聯(lián)鎖控制功能的外部系統(tǒng)接口時(shí)，有非常站控和分散自律2種操作控制權(quán)模式。在非常站控模式下，外部系統(tǒng)的控制指令無(wú)效。在分散自律模式下，聯(lián)鎖操作機(jī)的控制按鈕（除非常站控按鈕外）無(wú)效。

在城市軌道交通車站，聯(lián)鎖操作機(jī)與列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）接口時(shí)，有非常站控、車站控制、中心控制等3種操作控制權(quán)模式。對(duì)于受控制權(quán)限限定的操作功能，當(dāng)系統(tǒng)處于車站控制或非常站控時(shí)，僅車站有權(quán)執(zhí)行；當(dāng)系統(tǒng)處于中心控制時(shí)，僅控制中心有權(quán)執(zhí)行。在特定城軌項(xiàng)目，聯(lián)鎖操作機(jī)除與ATS接口外，同時(shí)還與單元控制臺(tái)、車輛基地綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)（MDIAS）等外部控制系統(tǒng)接口，此時(shí)會(huì)存在額外的操作控制權(quán)切換功能。通過(guò)切換操作，聯(lián)鎖可將操作控制權(quán)區(qū)分為非常站控、ATS車站控制、ATS中心控制、單元控制臺(tái)控制和MDIAS控制等控制權(quán)模式。

1.2" 操作控制權(quán)的接口分析

深入分析聯(lián)鎖操作機(jī)與外部控制系統(tǒng)的接口協(xié)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(lián)鎖和CTC接口使用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議文件，運(yùn)基信號(hào)[2006]312號(hào)《調(diào)度集中自律機(jī)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接口通信協(xié)議V1.1》（以下簡(jiǎn)稱312號(hào)文）和TB/T 3496—2017《調(diào)度集中與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接口規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱TB3496）。這2個(gè)文件內(nèi)容相似，TB3496是312號(hào)文的擴(kuò)展替代文件。協(xié)議規(guī)定接口連接方式應(yīng)使用RS422標(biāo)準(zhǔn)串行接口，由2套聯(lián)鎖操作機(jī)與外部系統(tǒng)的聯(lián)鎖接口設(shè)備交叉互聯(lián)。操作機(jī)向CTC自律機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告幀（RSR），幀內(nèi)容應(yīng)包含主備信息和當(dāng)前控制權(quán)模式信息，應(yīng)在通信剛剛建立時(shí)和運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)主動(dòng)向CTC報(bào)告。

聯(lián)鎖和編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)沒(méi)有另外制定接口協(xié)議，直接沿用既有聯(lián)鎖和CTC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。聯(lián)鎖和單元控制臺(tái)、MDIAS接口時(shí)，以312號(hào)文為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)裁剪和修訂制定了新的接口協(xié)議。新的接口協(xié)議保留了運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告幀的相關(guān)要求。

故聯(lián)鎖與CTC、編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、單元控制臺(tái)、MDIAS接口時(shí)，聯(lián)鎖操作機(jī)僅需在通信剛剛建立時(shí)向外部系統(tǒng)報(bào)告包含新控制權(quán)模式的RSR消息，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換操作控制權(quán)。

1.2.2" ATS接口方式

目前，聯(lián)鎖和ATS缺少行業(yè)通行的接口規(guī)范，一般由聯(lián)鎖廠家和ATS廠家協(xié)商制定特定項(xiàng)目的接口協(xié)議。實(shí)際使用的接口方式較多，有RS422標(biāo)準(zhǔn)串行接口方式，有RJ45網(wǎng)口接口方式，還有通過(guò)中間設(shè)備轉(zhuǎn)接的接口方式。深入研究其具體接口協(xié)議的信息傳遞過(guò)程，不論消息幀結(jié)構(gòu)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(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)控制權(quán)模式分別有一個(gè)接口表示碼位編號(hào)，聯(lián)鎖操作機(jī)通過(guò)設(shè)置某個(gè)控制權(quán)模式接口表示碼位為真，其他控制權(quán)模式接口碼位均為假，來(lái)表達(dá)當(dāng)前控制權(quán)模式信息。故聯(lián)鎖與ATS接口時(shí)，聯(lián)鎖操作機(jī)可向ATS報(bào)告控制權(quán)模式表示碼位變化信息來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換操作控制權(quán)。

2" 自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法設(shè)計(jì)

2.1" 算法的關(guān)鍵問(wèn)題

通過(guò)對(duì)操作控制權(quán)現(xiàn)狀和接口分析得知，只要聯(lián)鎖內(nèi)部自動(dòng)切換操作控制權(quán)后，將新的操作控制權(quán)信息通過(guò)既有接口報(bào)告給外部控制系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)整體信號(hào)系統(tǒng)操作控制權(quán)的自動(dòng)切換。故自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法的核心是解決以下4個(gè)關(guān)鍵子問(wèn)題。

問(wèn)題1：聯(lián)鎖操作機(jī)如何記錄原操作控制權(quán)模式？

問(wèn)題2：聯(lián)鎖操作機(jī)如何偵測(cè)到聯(lián)鎖下位機(jī)重啟？

問(wèn)題3：車站存在多臺(tái)聯(lián)鎖操作機(jī)，應(yīng)由哪臺(tái)聯(lián)鎖操作機(jī)發(fā)起自動(dòng)切換請(qǐng)求？

問(wèn)題4：在自動(dòng)切換完成前，操作機(jī)以何狀態(tài)與外部控制系統(tǒng)通信？

下面針對(duì)每個(gè)關(guān)鍵子問(wèn)題分別進(jìn)行分析和解決。

1）操作機(jī)存儲(chǔ)信息的方式有3種：內(nèi)存、本地硬盤(pán)、外部設(shè)備（如聯(lián)鎖維修機(jī)）。如下位機(jī)重啟的原因是停電恢復(fù)，操作機(jī)也會(huì)隨之重啟，此時(shí)內(nèi)存存儲(chǔ)的信息會(huì)丟失，故不能采用內(nèi)存方式來(lái)記錄原操作控制權(quán)模式。如采用外部設(shè)備存儲(chǔ)方式，需要制定新的通信接口，且需要保證自動(dòng)切換時(shí)該外部設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。本地硬盤(pán)存儲(chǔ)的信息在設(shè)備重啟后不丟失，也不需要制定新通信接口，故自動(dòng)切換算法里應(yīng)采用本地硬盤(pán)來(lái)存儲(chǔ)原操作控制權(quán)模式。即每當(dāng)操作機(jī)切換操作控制權(quán)成功后，將當(dāng)前的操作控制權(quán)記錄到本地硬盤(pán)上。當(dāng)需要進(jìn)入自動(dòng)切換算法時(shí)，可從本地硬盤(pán)實(shí)時(shí)讀取該信息。

2）按計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件要求，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖上電時(shí)應(yīng)采取安全鎖閉處理措施。從操作機(jī)角度分析下位機(jī)重啟的關(guān)鍵特征有2點(diǎn)：通信中斷恢復(fù)和重新形成上電鎖閉。與下位機(jī)通信中斷恢復(fù)屬于操作機(jī)的既有偵測(cè)信息。重新形成上電鎖閉可通過(guò)操作機(jī)比較下位機(jī)周期性發(fā)送的前后兩包站場(chǎng)表示狀態(tài)消息判斷得知。故當(dāng)操作機(jī)先偵測(cè)到與下位機(jī)通信中斷恢復(fù)，后偵測(cè)到重新形成上電鎖閉時(shí)，可認(rèn)定聯(lián)鎖下位機(jī)重啟。

3）現(xiàn)有系統(tǒng)采用熱備方式來(lái)管理多臺(tái)操作機(jī)。多臺(tái)操作機(jī)通過(guò)分區(qū)域方式或并行方式同時(shí)向用戶提供操作顯示功能。為了防止多臺(tái)操作機(jī)對(duì)相同設(shè)備同時(shí)下發(fā)有沖突的操作命令，每臺(tái)操作機(jī)需區(qū)分顯示為主機(jī)或備機(jī)。聯(lián)鎖系統(tǒng)在同一時(shí)刻僅有一臺(tái)主操作機(jī)，可由主操作機(jī)發(fā)起自動(dòng)切換操作控制權(quán)請(qǐng)求。

4）在與聯(lián)鎖下位機(jī)通信中斷恢復(fù)，至自動(dòng)切換完成期間，操作機(jī)內(nèi)部的操作控制權(quán)狀態(tài)是未知狀態(tài)。此期間耗時(shí)約3 s，操作機(jī)無(wú)法執(zhí)行控制操作，與外部系統(tǒng)接口的通信有2種實(shí)現(xiàn)策略。策略一，操作機(jī)不與外部系統(tǒng)建立正常通信。策略二，操作機(jī)可與外部系統(tǒng)建立通信，可傳遞站場(chǎng)表示信息，但不報(bào)告控制權(quán)模式信息，且不執(zhí)行外部系統(tǒng)下達(dá)的控制命令。本算法使用策略一，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，接口交互消息更明確。

2.2" 算法的具體設(shè)計(jì)

根據(jù)算法關(guān)鍵問(wèn)題的分析結(jié)論，設(shè)計(jì)自動(dòng)切換操作控制權(quán)模式的具體算法，描述如下。

首先，所有聯(lián)鎖操作機(jī)與聯(lián)鎖下位機(jī)的通信處于中斷狀態(tài)，其操作控制權(quán)狀態(tài)為未知狀態(tài)。操作機(jī)與外部系統(tǒng)未建立正常通信。

其次，操作機(jī)偵測(cè)是否符合自動(dòng)切換控制權(quán)的條件：當(dāng)操作機(jī)偵測(cè)到與下位機(jī)通信中斷恢復(fù)，在本地硬盤(pán)上讀取最近一次保存的原控制權(quán)模式。判斷原控制權(quán)模式是否為非常站控，如不為非常站控，操作機(jī)需繼續(xù)偵測(cè)是否重新形成上電鎖閉。如下位機(jī)發(fā)送的表示信息存在上電鎖閉信息，則操作機(jī)認(rèn)為符合自動(dòng)切換控制權(quán)條件，需執(zhí)行自動(dòng)切換控制權(quán)邏輯。如操作機(jī)偵測(cè)到不符合自動(dòng)切換控制權(quán)的條件（原控制權(quán)模式為非常站控，或不存在上電鎖閉），則不執(zhí)行自動(dòng)切換控制權(quán)邏輯，直接按原有方式正常與下位機(jī)交互，并與外部系統(tǒng)建立正常通信。

再次，操作機(jī)執(zhí)行自動(dòng)切換控制權(quán)邏輯：操作機(jī)根據(jù)下位機(jī)報(bào)告的主操作機(jī)信息，判斷當(dāng)前的主備狀態(tài)。如為主操作機(jī)，則下發(fā)請(qǐng)求控制權(quán)切換消息至聯(lián)鎖下位機(jī)。收到切換成功消息后，根據(jù)內(nèi)容設(shè)置操作控制權(quán)狀態(tài)（應(yīng)為下位機(jī)重啟前的原控制權(quán)模式），并發(fā)送控制權(quán)切換結(jié)束消息至備操作機(jī)。備操作機(jī)等待一定時(shí)間，收到主操作機(jī)發(fā)送的控制權(quán)切換結(jié)束消息后，根據(jù)下位機(jī)報(bào)告的控制權(quán)模式消息內(nèi)容，設(shè)置當(dāng)前的控制權(quán)模式。至此，自動(dòng)切換邏輯完成。

最后，主備操作機(jī)均以當(dāng)前的控制權(quán)模式與外部系統(tǒng)建立正常通信。

算法的流程圖如圖1所示。

3" 自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法的具體應(yīng)用

在成都地鐵18號(hào)線，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)同時(shí)與ATS和MDIAS接口。在合江車輛段信號(hào)設(shè)備室，除設(shè)置2臺(tái)聯(lián)鎖操作機(jī)外，還設(shè)置ATS車站服務(wù)器和MDIAS通信前置機(jī)。聯(lián)鎖操作機(jī)使用RJ45網(wǎng)口方式與ATS車站服務(wù)器接口，使用RS422串口方式與MDIAS通信前置機(jī)接口。其設(shè)備連接示意圖如圖2所示。該車輛段聯(lián)鎖操作機(jī)可通過(guò)控制權(quán)切換操作，切換當(dāng)前操作控制權(quán)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(lián)鎖下位機(jī)自動(dòng)重啟時(shí)，操作機(jī)會(huì)執(zhí)行自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法。當(dāng)2臺(tái)操作機(jī)未執(zhí)行完自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法時(shí)，當(dāng)前內(nèi)部的操作控制權(quán)為未知狀態(tài)，暫不與ATS和MDIAS建立正常通信。假定下位機(jī)重啟前原操作控制權(quán)模式為ATS中心控制，以文字方式具體描述此時(shí)2臺(tái)操作機(jī)的自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法流程如下。

步驟1：當(dāng)操作機(jī)與下位機(jī)通信中斷恢復(fù)后，操作機(jī)從本地硬盤(pán)的控制權(quán)存儲(chǔ)文件中讀取保存的原操作控制權(quán)模式。此時(shí)，讀取的原操作控制權(quán)模式為ATS中心控制，進(jìn)入步驟2。

步驟2：操作機(jī)等待接收下位機(jī)發(fā)送的表示信息。收到表示信息后判斷下位機(jī)是否重新形成上電鎖閉。此時(shí)，下位機(jī)由于重啟，發(fā)送的表示信息存在上電鎖閉信息，進(jìn)入步驟3。

步驟3：操作機(jī)等待接收下位機(jī)發(fā)送的主操作機(jī)信息。收到主操作機(jī)信息后判斷當(dāng)前操作機(jī)是否為主操作機(jī)。如當(dāng)前主操作機(jī)為操作A機(jī)，則操作A機(jī)進(jìn)入步驟4，操作B機(jī)進(jìn)入步驟5。

步驟4：操作A機(jī)發(fā)送請(qǐng)求操作控制權(quán)切換為ATS中心控制消息至下位機(jī)，等待接收下位機(jī)的操作控制權(quán)切換反饋消息。當(dāng)操作A機(jī)收到切換成功消息后，設(shè)置本主操作機(jī)的操作控制權(quán)模式為ATS中心控制，并發(fā)送操作控制權(quán)切換結(jié)束消息至操作B機(jī)，進(jìn)入步驟6。

步驟5：操作B機(jī)等待接收操作A機(jī)發(fā)送的操作控制權(quán)切換結(jié)束消息，成功收到后，根據(jù)下位機(jī)已報(bào)告的操作控制權(quán)模式設(shè)置其操作控制權(quán)模式為ATS中心控制，進(jìn)入步驟6。

步驟6：2臺(tái)操作機(jī)均與ATS建立正常通信，通過(guò)接口表示碼位報(bào)告當(dāng)前的操作控制權(quán)模式為ATS中心控制，即設(shè)置ATS中心控制表示碼位為真，其他控制權(quán)模式接口碼位均為假。與MDIAS建立正常通信，通過(guò)發(fā)送RSR消息報(bào)告當(dāng)前的操作控制權(quán)模式為ATS中心控制。算法描述結(jié)束。

自動(dòng)切換操作控制權(quán)算法運(yùn)行結(jié)束后，操作機(jī)僅允許執(zhí)行由控制中心下發(fā)的聯(lián)鎖控制命令。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的自動(dòng)切換操作控制權(quán)方法，自2020年以來(lái)，已在卡斯柯聯(lián)鎖產(chǎn)品的新建項(xiàng)目中成功應(yīng)用。相比原有功能，有以下顯著優(yōu)勢(shì)。

1）解決了無(wú)人值守車站下位機(jī)自動(dòng)重啟后不能及時(shí)恢復(fù)運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題。

2）減少了遠(yuǎn)程用戶控制下的溝通成本。

3）沿用現(xiàn)有聯(lián)鎖操作機(jī)和聯(lián)鎖下位機(jī)、聯(lián)鎖操作機(jī)和外部控制系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，項(xiàng)目?jī)H升級(jí)操作機(jī)軟件即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能，影響面較小，實(shí)施成本較低。

4）支持操作機(jī)同時(shí)存在多個(gè)外部控制系統(tǒng)接口項(xiàng)目，不依賴于與外部系統(tǒng)的接口方式和消息格式，普遍適用程度較高。

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