（计算机科学与技术专业论文）铁路信号计算机联锁系统的设计与实现.pdfVIP

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：殛璺曼盏导师( 签名) ：名蜴期：诬f ! = 垒终 中文摘要 车站信号计算机联锁系统的主要功能是实现控制车站内的道岔、进路和信号 机并实现他们之间的联锁功能。车站信号计算机联锁系统是保证站内行车安全， 提高铁路运输的效率，改善行车人员劳动条件的重要技术装备。 本文主要论述的是武汉贝通科技有限公司应用于f g 站项目的计算机联锁系 统的设计与实现过程。本论文主要研究以下的内容： 1 对当前存在的几类计算机联锁系统从系统构成和工作原理上面进行了详 细的分析工作，对计算机联锁系统从系统架构、软件结构和硬件结构上面做认 真的了解。 2 利用面向对象的设计思路与设计方法，根据f g 站项目的详细的需求， 对计算机联锁系统软件进行了需求分析、对象建模、类建模、系统设计及子系 统设计以及数据结构分析的工作。 3 在面向对象需求分析和系统设计的基础上，利用v i s u a l s t d i o2 0 0 5 开发环 境和c + + 语言实现了本论文研究的计算机联锁系统。系统是基于研华工控机、 w i n d o w s 平台，包括上位机、联锁机以及模拟指标机。上位机用于人机交互， 功能实现了站场界面显示、站场状态实时绘制、操作命令生成下发传输工作和 联锁机信息接收处理工作。联锁机实现了信号设备的逻辑处理功能，完成了迸 路排列、进路锁闭、开放信号和道岔动作等命令，实现了进路自动解锁、故障 解锁等解锁功能。模拟指标机主要用于系统模拟测试，实现了模拟站场控件的 设备状态，并且与联锁机进行信息传递、系统交互。 4 分析了本文实现的计算机联锁系统上位机与联锁机之间采用的基于心跳 包机制的以太网通信模式，联锁机和模拟指标机之间采用的基于c a n 总线的通 信模式的相关设计实现。 本文的最后对全文进行了总结，并对计算机联锁技术的发展作了展望。 关键词：计算机联锁；需求分析；可靠性；网络通信；c a n 总线 a b s t r a c t n em a i nf u n c t i o n so ft h es t a t i o ns i g n a li n t e r l o c k i n gs y s t e ma l et h er e a l i z a t i o no f c o n t r o l i n gt h es t a t i o nt u r n o u t 、r o u t e 、s i g n a la n di n t e r l o c k i n gf u n c t i o n sb e t w e e nt h e m s t a t i o ns i g n a lc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e mi st h ei m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e n tt o e n s u r et r a f f i cs a f e t yw i t h i nt h es t a t i o n 、i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr a i lt r a n s p o r ta n d i m p r o v et h ei m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e n to fd r i v e rw o r k i n gc o n d i t i o n s 1 o nt h ec u r r e n te x i s t e n c eo fs e v e r a lt y p e so fc o m p u t e ri n t e r l o c k i n g s y s t e mf r o m t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fad e t a i l e d a n a l y s i so ft h ea b o v ew o r ko n t h ec o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e mf r o mt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，s o f t w a r es t r u c t u r ea n d h a r d w a r e s t r u c t u r eo ft h ea b o v et od oas e r i o u su n d e r s t a n d i n g 2 b a s e do nt h eo b j e c t - o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rd e s i g n s t h ei n t e r l o c k i n gs o f t w a r ew i t ht h e s es t e p s ：d e m a n da n a l y s i s ，e s t a b l i s h m e n to fo b j e c t m o d e l ，d e s i g n i n go f s y s t e ms t r u c t u r ea n dd a t as t r u c t u r e 3 t h e p a p e rf i n i s h e d t h es t u d yo fu s i n gv i s u a l s t d i o2 0 0 5d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dc + + l a n g u a g et os t u d yc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m ，w h i c hb a s e s o no b j e c t - o r i e n t e dr e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g n s y s t e mb a s e dw i n d o w s p l a t f o r m s p cm a i n l yu s e df o rf u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t oa c h i e v et h es t m i o n i n t e r f a c ed i s p l a y i n g , s t a t i o ns t a t u sf o rr e a l - t i m er e n d e r i n ga n dt r a n s m i tw o r ka n d i n t e r l o c k i n g m a c h i n e si n f o r m a t i o nr e c e i v e i n ga n dp r o c e s s i n gi n g e n e r a t i n g t h e o p e r a t i o nc o m m a n d i n t e r l o c k i n gm a c h i n ea c h i e v e sl o g i c a lp r o c e s s i n g o fs i g n a l e q u i p m e n t ，i n t e r l o c k i n gm a c h i n e sa n da n a l o g t r a g e tm a c h i n eb a s e do na d v a n c e s i n d u s t r i a lc o m p u t e re t et h ec o m m a n do fr o u t ea r r a n g e m e n t ，l o c k i n g ，i s s u i n ga no p e n s i g n a l ，s w i t c h a c t i o na n da c h i e v e su n l o c kf u n c t i o no fu n l o c k e da p p r o a c h e s a u t o m a t i c a l l y ，m a l f u n c t i o nt ou n l o c ka n ds oo n 4 a n a l y z e st h er e l e v a n td e s i g n i n gi m p l e m e n t a t i o no fe t h e m e tc o m m u n i c a t i o n m o d ec o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e mh o s tc o m p u t e rb a s e do nh e a r t b e a t p a c k e t m e c h a n i s mb e t w e e nc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e mh o s tc o m p u t e ra n d i n t e r l o c k i n g m e c h a n i s ma n dt h er e l e v a n td e s i g n i n gi m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o nm o d e b e t w e e ni n t e r l o c k i n gm e c h a n i s ma n ds i m u l a t e di n d e xm a c h i n eb a s e do i lc a nb u s i nt h ep a p e rr e a l i z e d ，a n dr u n n i n gs o m ef u n c t i o ns i m u l a t i o ni ni n t e r l o c k i n gs y s t e m i m p l e m e n t e di nas i m u l a t e de n v i r o n m e n ta tl a s t a tt h ec o n c l u s i o no ft h ed i s s e r t a t i o n ，p e r s p e c t i v eo ft h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r - b a s e di m e d o c k i n gt e c h n o l o g yi sm a d e k e y w o r d s ：c o m p u t e ri n t e r l o c k i n g ；d e m a n d i n ga n a l y s i s ；r e l i a b i l i t y ；n e t w o r k ；c a n b u s i i i 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第l 章引言l 1 1 铁路信号与安全l 1 2 国内外铁路信号计算机联锁系统的发展概况2 1 2 1 国外计算机联锁系统的发展概况一2 1 2 2 我国计算机联锁系统的发展概况j 2 1 3 选题的背景及意义3 1 4 论文的主要内容4 第2 章计算机联锁系统的结构和组成5 2 1 计算机联锁系统软件冗余结构分析5 2 1 i 单机故障一安全系统6 2 1 2 双机储备系统7 2 1 3 三机表决系统8 2 2 计算机联锁系统的硬件平台架构9 2 2 1 联锁机柜的构成1 0 2 2 2 综合机柜1 1 2 2 3 继电器接口电路11 第3 章计算机联锁系统软件的需求分析与设计1 3 3 1 系统需求和功能分析1 3 3 1 1 系统的基本需求1 3 3 1 2 用户需求和功能分析1 3 3 2 建立类17 3 2 1 确定对象和类19 3 2 2 确定对象的属性一2 0 3 2 3 确定对象间关系2 1 3 3 系统结构和系统设计。2 3 3 4 联锁系统数据管理设计2 4 3 4 1 站场数据静态文件2 4 3 4 2 进路表数据静态文件2 4 3 4 3 网络通信数据结构2 5 第4 章v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 下计算机联锁系统的实现2 7 4 1 系统整体框架的搭建2 7 4 2 静态数据文件的生成2 8 4 3 上位机软件实现3l 4 3 1 人机界面和上位机功能操作31 4 3 2 逻辑开关量的计算3 3 4 4 联锁机功能软件实现3 5 4 4 1 操作命令的生成3 5 4 4 2 进路道岔转换处理3 7 4 4 - 3 进路任务的处理3 8 4 4 4 进路的解锁。4 0 4 5 模拟指标机4 4 第5 章计算机联锁系统软件中的网络通信4 6 5 1 上位机与联锁机之间的通信4 6 5 2 联锁机与指标机之间的通信4 8 第6 章系统功能演示5 1 6 1 排列进路演示5 1 6 2 取消进路演示5 l 6 3 道岔单锁演示5 2 6 4 道岔单封演示5 3 6 5 引导进路总锁闭5 4 第7 章结论与展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 附录：攻读硕士学位期间公开发表的论文：6 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 铁路信号与安全 第1 章引言 铁路信号是指挥列车运行和调车作业的命令【1 1 。确保车站过往行车安全、提 高运输效率、改善车站工作人员的工作环境和劳动条件是其的一个重要功能。 铁路信号就是用一些指定的特殊的物体的颜色、位置和形状向铁路行车人 员和站场工作人员传达行车的指令和命令等信息。铁路信号的主要功能就是保 证铁路上的列车行车安全。世界上最早引导列车前进的信号设备是1 8 2 5 年英国 使用的，当时用一个人手持信号旗帜骑马前行引导列车前进【2 j 。 为了防止列车冲突事故的发生，确保列车的行车安全，铁路上面采取的基 本措施就是将铁路的线路划分成若干个区段，在火车站与火车站之白j 的的铁路 线路称之为区间，在车站内的区间称之为进路【3 】。进路又分为三类：调车进路、 敌对进路和列车进路。 铁路信号按其作用可分为指挥列车行进的行车信号和指挥调车作业的调车 信号。按信号机在铁路沿线所安放的位置可以分为车站信号、区间信号。目前 在铁路上面，保护铁路安全的信号设备可以分为三类 4 1 ：第一是信号机，例如出 站信号机、进站信号机等；第二是标志，例如鸣笛标、站界标等；第三是表示 器，例如进路表示器、道岔表示器等，表示器的主要功能是用于补充说明信号 的意义。 ，故障安全原则由英国人于1 8 4 1 年提出来的 4 1 。故障安全原则的核心思想就 是当信号设备发生故障的时候应自动显示停车信号，当信号设备发生故障、错 误、失效的情况下，应该减轻以避免损失的功能，用来确保行车安全。 总之，铁路信号是为了保证铁路运输安全发展起来的，它早已经成为铁路 运输安全体系中重要的组成部分。从铁路信号安全中不难发现，如果没有铁路 信号技术，今天也就没有安全的铁路运输能力。科技发展的今天，计算机联锁 技术应用而生，计算机联锁技术就是做为保护铁路信号安全而存在的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外铁路信号计算机联锁系统的发展概况 1 2 1 国外计算机联锁系统的发展概况 世界上主要技术发达国家计算机联锁系统在技术和应用方面的情况概括如 f 【5 - 9 】 1 ( 1 ) 瑞典 瑞典计算机联锁的发展分为三个阶段：第一个阶段采用的典型产品为 e b i l o c k 7 5 0 系统，其主要的特点是作为控制器件的道岔和信号机等仍由继电 器来工作，并且保留了轨道继电器；第二阶段是采用无节点方式的电子器件控 制信号机和道岔，仍保留了轨道电路；第三个阶段则实现了全电子化控制，典 型的产品有上世纪9 0 年代初期开发的e b i l o c k 9 5 0 系统和e b l o c k 8 5 0 系统。 ( 2 ) 美国 美国开发的计算机联锁产品主要有通用信号公司的v p i 安全型系统和联合 道岔与信号公司的m i c r o l o c k 系统两种。这两种制式目前大部分单机运行，系统 的安全则是由主机系统中的“安全逻辑得以保证。 ( 3 ) 日本 只本研制的计算机联锁产品主要有s m i l ei 、i i 、i i i 型和k 、n 型血中， 主要的生产厂家是日本信号公司、大同信号公司和京山制作所。 ( 4 ) 德国 德国于1 9 7 9 年决定研制计算机联锁。西门子公司以s i m i s 系统为核心构成 车站联锁控制系统，第一套系统于1 9 8 5 年在慕尼黑米腾瓦尔特区段的姆尔瑙 站交付使用。 1 2 2 我国计算机联锁系统的发展概况 我国的计算机联锁系统研发工作开始于1 9 8 3 年，并首先在路外进行使用。 目前我国计算机联锁系统的主要研制单位有铁科院通号所、上海卡斯柯信号公 司、北方交通大学、兰州交通大学等单位。 我国的第一套联锁系统安装在南京某铁矿上，并与1 9 8 4 年投入运营。这类 性质的计算机联锁系统比较简单，此后，根据地面铁路车站的复杂运输的需求， 研制成功了适合地面使用的计算机联锁系统并与1 9 8 6 年在太原钢铁厂投入使 用。最早投入铁路上使用的计算机联锁系统是由卡斯柯信号优先公司从美国 2 武汉理工大学硕士学位论文 g r s 引进过来的，并结合我国铁路的实际运行技术条件的要求进行了二次升级 开发，第一套铁路用计算机联锁系统于1 9 9 1 在广深线上投入使用。 此后随着国内计算机联锁系统从路外到路内，从厂矿到铁路，从支线到干 线，我国计算机联锁软件发展迅速。其中，铁科院研制的t y j l - - 2 型顺估计热 备系统，1 y j l - t r 9 型三取二容错计算机联锁系统于1 9 9 7 年通过了铁道部的鉴 定。随着技术的不断进步和铁路运输现代化要求的不断提高，计算机联锁设备 必将成为继电器联锁设备的代替品【l 叫2 1 。 1 3 选题的背景及意义 在布线逻辑基础上发展起来的继电器几种联锁装置自1 9 2 7 年发明面世以来 已经统治了铁路行车安全控制多年。随着社会的发展，科学技术的进步，特别 是今年来p c 技术的发展同新月异，用科技手段来控制实现计算机联锁的车站信 号自动控制系统也在不断的发展和完善。计算机联锁系统已经成为当前保证车 站行车安全，提高工作人员工作效率不可缺少的工具。 世界上最早丌始使用的联锁装置，是基于布线逻辑的继电集中联锁装置， 自1 9 2 7 年问世以来已经统治了7 0 多年。随着社会的发展，科技同新月异不停 的进步，作为以技术手段实现联锁的车站信号自动管理系统也在不断的发展和 完善。在进入电子时代以来，世界上一些技术发达国家相机开展了电子联锁装 置的研究，但是真正采取通用计算机构成计算机联锁控制系统并在铁路运营车 站上使用，还要从1 9 7 8 年算起。1 9 7 8 年，由瑞典a b b 公司研制的世界工人的 第一套计算机联锁系统在歌德堡站开通使用，极大地推动了各国计算机联锁的 研制和使用【3 】。进入2 0 世纪9 0 年代，不少国家已经开始大面积的推广应用计 算机联锁系统。 通过上- d , 节的分析已经知道计算机联锁系统的发展已经经历的比较长的 摸索过程，本文是武汉贝通科技有限公司基于国外成熟的技术和相关资料的基 础上开发的用于f g 站的小型计算机联锁系统，通过完整设计分析，设计出来了 一套基于通用计算机的安全可靠的二取二型的计算机联锁系统。本文研究的目 的就是通过详细的计算机联锁软件需求分析，通过软件开发实现计算机联锁系 统，此系统不但理论上可行，而且配合已经开发的其他监测系统可以用到实际 的站场系统中。 3 武汉理丁大学硕十学位论文 1 4 论文的主要内容 开发实现了基于通用p c 的计算机联锁系统是本文的主要研究目的，包括系 统的需求分析、系统设计以及系统的具体实现部分。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 讨论了当前主流的计算机联锁系统体系结构以及工作原理。 ( 2 ) 计算机联锁系统基于面向对象的需求分析和系统设计部分。 ( 3 ) 计算机联锁系统基于c + + 语言的具体实现。 ( 4 ) 计算机联锁系统不同模块之间的通信实现，包括基于心跳包机制的以 太网络通信和基于c a n 总线的通信。 ( 5 ) 计算机联锁系统的模拟演示。 论文的组织安排如下： 第l 章绪论部分，介绍论文的背景，论文的研究目的和意思，并且给出论 文的主要研究内容和组织结构等。 第2 章分析了当前主流的计算机联锁系统的系统结构和工作原理，给出本 文研究的计算机联锁系统的硬件组成。 第3 章用面向对象的分析方法，分析了本文研究的计算机联锁系统的系统 需求，并给出了联锁系统的系统结构以及系统中的数据管理。 第4 章实现了本文研究的系统的各部分的功能。包括系统框架的搭建，系 统中使用的静态文件的生成，以及系统中各模块的功能实现。 第5 章给出了系统中通信模块的具体实现。 第6 章演示了本文开发的计算机联锁系统软件中的部分功能。 第7 章总结了论文和毕设的主要研究工作和内容，展望了今后的研究方向 与发展趋势，并指出了论文需要改进之处。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章计算机联锁系统的结构和组成 计算机联锁系统是运用计算机技术来取代继电技术构成的车站实时控制系 统，和其他例如视频监控系统等实时控制系统相比，计算机联锁系统具有自身 的特殊性，不仅要有自己独特的实时可靠性指标，另外还涉及到行车的安全， 具有较高的安全性指标。 它的基本硬件结构与工业上一般的微机实时控制系统有许多相似之处，主 要是由联锁机、各种接口、过程输入、输出通道以及外部设备等组成，用系统 总线联系起来，组成一个车站用计算机联锁控制系统。 由于其要求有很高的可靠实时性和安全性，因此只是采用一层的结构无法 满足联锁系统的技术要求，而需要使用多层的体系结构。 2 1 计算机联锁系统软件冗余结构分析 车站信号计算机联锁系统本质上是运用技术的手段实现站场进路的控制。 其软件部分从操作命令的下发到相应的进路控制的完成，往往可分为人机对话 层、联锁层和控制层。人机对话层主要完成操作命令的下发，以及接收实时站 场的信息，并显示在检测屏幕上面。联锁层主要是对下发的命令信息进行处理 符合联锁操作的信息继续下发到控制层，并且处理控制层上传的实时站场信息。 控制层就是对室外的信号机、道岔和轨道电路等进路控制的信号设备进行控制 和采集其状态信息的一层。 计算机联锁系统作为用微机技术为基础的车站信号实时控制系统，必须要 保证系统十分可靠，并满足故障一安全原则。这就需要从软件方面对联锁系统 软件各层组成模块采取冗余技术，虽然增加模块从完成系统功能方面来看是多 余的，但是从提高系统运行的安全性和可靠性方面来看却是必要的。虽然不同 的计算机联锁系统所采取的冗余结构的具体实现方式不同，但是还是有许多共 性，即可靠性冗余结构和安全性冗余结构。 可靠性冗余结构如图2 1 所示。为了降低系统在故障时系统软件停止工作的 概率，采用备用的二重结构，也就是为了提高可靠度而采取逻辑“或关系的 二重结构。安全性冗余结构如图2 2 所示。为了降低系统故障时产生危险的概率， 5 武汉理丁大学硕士学位论文 采用相互校对的二重结构，也就是为了提高安全度而采用逻辑“与关系的二 重结构。 图2 1 可靠性冗余结构示意图 ：一 图2 2 安全性冗余结构示意图 根据不同的冗余结构，联锁系统可分为单机系统，双机储备系统、三级表 决系统和二乘二取二计算机联锁系统。 2 1 1 单机故障一安全系统 1 系统结构 联锁系统采用单机结构的核心思想是：运用最少的硬件，简化设备，提高 系统的可靠性能【1 3 】；并最大化的发挥处理器处理信息速率快、处理信息能力强 的特点，让系统成为不仅是一个功能完善的独立的监控单元使用，而且让联锁 系统能够完成正常的联锁装置的功能。图2 3 给出了单机系统的结构框图，其安 全特性采用了单机闭环原理实现。 一安全条件电源卜、 l 1 r 一 1f 产= 控6 盖卜嚣l 8 ” ”“i，对象 一蠢输入监督器h 徽处理嚣l = 一一 气信号 乇等 图2 3 单机系统机构图 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 工作原理 单机联锁系统采用输入和输出口闭环检验，可以保证系统故障的时候，及 时的发现。另外还有自检测程序用于测试读写时序，安全始终信号等信息，在 系统投入运行的时候，自检测程序与联锁程序交叉使用。单机运行系统的最大 优点就是设备简单，有利于发挥硬件系统的可靠性。缺点是由于需要自检测程 序来检测系统的安全性，这就要求自检测程序同时具有很高的安全性和有效性， 同时要求联锁系统的硬件部分具有很高的可靠性，做到避免硬件系统出现故障， 导致白检测程序运行失败，影响最终的联锁安全性。 2 1 2 双机储备系统 1 系统结构 双机储备系统，就是用两台完全相同的计算机，其中一台计算机处于发送 命令的输出状态，并且输出通过切换开关引向外部，并称其为主机或者工作机； 另一台计算机处于接替状态，并称之为备机【1 4 】。其基本工作原理是两个相同的 模块同时运行，互为备用，一旦故障检测体系发现故障，就通过切换丌关，切 换到备机工作( 这时候备机变成主机，主机变成备机) 。 双机储备系统结构图如图2 - 4 所示。 _ ；柘f一；作机f 监控层 。二二二二二_ 上二二二_ 二二二_ 一 f 联锁机af 联锁机b ： 联 l 丁一一l t j 镇 一l 一二一，一二一一一 逻 1 采集驱动驱动采集 曼 算 层 设备接口层 图2 4 双机储备系统系统结构 从图2 4 中可以看出双机储备系统在层次上可以划分为三层：监控层、联锁 运算层和设备接口层。 ， 其中监控层主要是完成人机对话的工作。向联锁机发送控制命令和实时的 现实站场的站场信息。 联锁层是联锁系统的核心，分为联锁a 机和联锁b 机，要完成所有的数据 7 武汉理t 大学硕十学位论文 处理以及与监控层和设备接口层进行信息交换。具体包括：接收处理上面下发 的按钮操作信息；通过设备采集接口采集站场设备实时状态信息；通过联锁运 算形成道岔、信号机或者进路的控制命令；通过输出驱动接口驱动站场设备包 括信号机电路和道岔控制电路等；想控制台发送经过处理的各种实时状态表示 信息。联锁机所承担的额联锁的逻辑任务相当于电器集中的逻辑电路，联锁层 的安全关系到计算机联锁系统的安全，因此在设计中必须考虑其可靠性和安全 性。 设备接口层，主要接收联锁层下发的安全输出，并采集站场上所有站场设 备的实时状态信息上传给联锁机。 2 工作原理 在双机储备系统中，工作机和备用机完全处于完全独立的位置。但是根据 备用机工作方式的不同，可以分为热备份和冷备份之分。在冷备份系统中，备 机处于掉电状态，当主机检测到故障的时候，会通过切换开关，唤醒备机让备 机运行，由于备机不通电，在故障发生备机启动的时候需要一定的时间，所以 就会丢失一定的数据。当前常常普遍采用的是热备计算机联锁系统，在热备系 统中，主机和备机同时运行，独立运行相同的联锁软件，做相同的工作，并且 定期进行同步。接受相同的输入信息，但是对输出信息只有主机下发到外部设 备，而备机采用假下发的方式运行。 2 1 3 三机表决系统 1 系统结构 三机表决系统是一种利用故障处理屏蔽技术构成的可靠安全性多重计算机 联锁系统【1 5 】，其系统结构图如图2 5 所示。 厂磊作机一1 厂j 砩磊疽五 监控层 图2 5 三机表决系统系统结构 3 联 锁 逻 辑 运 算 层 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 5 中可以看出三机表决系统的层次接口和双机储备系统的层次结构 一样，同样划分为监控层、联锁运算层和设备接1 2 1 层。不同的地方是联锁层有 联锁a 机、联锁b 机和联锁c 机构成。联锁层作为系统的核心层实现的基本功 能和双机储备系统的联锁机的功能相同。 2 工作原理 系统中有主机a 、主机b 和主机c 三个相同的主机构成，每个主机都是一 个独立的模块，并且每个主机上运行相同的软件，执行同样的操作，并将执行 的结果送入到表决器中进行表决，将表决的结果作为系统输出结果输出到控制 层。三机表决系统原理如图2 - 6 所示。 一圭tol,lb,irar-i量一二i广， ( ( _ - _ l _ 二_ 一决一- 出7 i - # l n ，寰一k l l 一一- m 7 图2 - 6 三机表决系统原理结构图 其中的表决器配置有采用下面的两种方式：一种是把表决器设计在接口电 路的输出端，如图2 6 中( a ) 所示，其优点是表决器屏蔽了接口电路的故障， 缺点是需要多个接口、接口电路和表决电路：另一种是将表决器设计在三个主 机的输出电路上，如图2 - 6 中( b ) 所示，优点是在表决器的输出侧只有一个接 口电路和表决器电路。三机表决系统中核心的处理故障的机构就是表决器，表 决器输出结果按照三取二多数表决的方式进行工作，只要三个主机中有两个模 块的输出结果是一致的，就把这个结果作为系统的安全结果输出。 2 2 计算机联锁系统的硬件平台架构 计算机联锁系统的硬件结构一般说来受车站所在的线路的等级和客货运输 9 武汉理工大学硕士学位论文 繁忙程度、车站联锁区的范围和联锁区站场的分布形状及使用方对设备和功能 所提出的要求等多种因素的影响，实际应用中有很大的差异。其典型结构如图 2 7 所示。 j 徽处理嚣 通用f 状志信 继 i 0 4 妻l 一息采集 口 电苴 臣丑一 系结拄 合对 电t 石磊i 统 ! 通用!：拄制命 1 中断控制嚣k 一 - i o 接h：令输出 路 口驱动 总 。- - - - - - - _ j - - - - - - - 。一 i 定时计教嚣卜一 蛙 话设鲁 - a u ” u i h。o 置信接口l 一其他计算帆系统 图2 7 计算机联锁系统的硬件结构组成图 通过研究国内外目前j 下在使用的计算机联锁系统，发现不同类型的系统又 是相通的，通常包括联锁用主机、过程输入输出通道与接口、继电结合电路以 及外围设备等。他们通过某一标准的系统总线例如p c 总线、c a n 总线联结在 一起，构成一个计算机联锁系统。人机对话设备通过入机接口与联锁主机发生 联系，通过总线下的通用f o 接口与目前仍保留的继电电路发生联系，实现对站 场信号设备的控制和设备信号信息的采集。 2 2 1 联锁机柜的构成 联锁机柜所安装设备按功能分成以下三部分：联锁机部分、智能f o 部分以 及机柜附属设施部分。下面分别就联锁机柜内部的三部分进行介绍。 联锁机部分主要有一块联锁运算板和联锁机母板构成。 1 联锁运算板 联锁运算板( 以下简称简称c p u 板) 上集成两个c p u - 两个c p u 通过f i f o 进行数据交换完成取二逻辑运算。智能f o 部分接收联锁机发来的控制命令，完 成继电器的驱动；同时将采集到的站场信号设备的接点状态信息以及智能f o 板 本身的状态信息反馈给联锁机。 l o 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 智能i o 部分 智能i o 部分主要包括智能驱动板、智能采集板。机柜附属设施部分主要包 括电源端子和散热风扇。电源端子包括压接式接线端子、空气开关、事故继电 器和防雷元件：散热风扇安装在机柜顶层，用于机柜通风散热。 2 2 2 综合机柜 综合机柜安装系统电源设备和监控机相关设备。完成系统电源设备和监控 机相关设备的管理，向系统提供交流2 2 0 v 和直流2 4 v 系统工作电源，完成u p s 和监控机的主备冗余切换。其中主要的是监控机部分，其功能是完成监控机以 及监控机相关设备的管理。监控机部分主要有两台工控机、监控机切换开关、 控制台切换单元组成。 1 工控机 工控机通过以太网络与联锁机通信，通过鼠标延长线、视频延长线、音频 延长线与车务控制终端的显示器、鼠标、音箱相连。 2 监控机切换丌关及状态指示 监控机a 、b 的主备切换任务可以通过两种方式发起： ( 1 ) 通过综合柜监控机切换开关人工发起； ( 2 ) 将综合柜监控机切换开关置于自动位置由联锁机通过驱动切换继电器 发起。 3 控制台切换单元 监控机主备切换其中一项重要任务就是将鼠标控制台设备切换到主控监控 机。控制台切换单元的任务就是根据监控机主备状态的变化，将鼠标控制台设 备切换到主控监控机。 2 2 3 继电器接口电路 计算机联锁系统与室外信号设备之间的结合，采用继电电路。主要有信号 机点灯电路，道岔控制电路，轨道电路，及其他结合电路。 本系统中的每组道岔设一个道岔允许操纵继电器y c j ( 双动道岔按一组道 岔处理设一个y c j ) 。用y c j 的一组前接点接在道岔启动电路的k z 回路中。 y c j 平时处于落下状态。转换道岔时，若该道岔区段在解锁状态，微机在输出 道岔操纵命令的同时输出y c j 吸起命令。道岔转换到位后，微机停止输出， 武汉理t 大学硕士学位论文 y c j 落下。道岔因故在规定转换时间内不能转换到位时，计算机在取消定操或 反操命令输出的同时，取消y c j 的输出命令，y c j 落下。 计算机采集信号机电路的x j 和d j ，道俞电路的d b j 和f b j ，轨道电路的 g j 的状态信息。从故障安全考虑，不同继电器采集的接点条件不同。规定，用 继电器接点的闭合条件( 对于计算机的输入接口有电流输入) 表示信号处于安 全侧状态，即用输入电路有电流通过证明设备在安全状态，输入信息的逻辑值 为“1 。用继电器接点的断开条件( 对于计算机的输入接口没有电流输入) 表 示信号处于危险侧状态，输入信息的逻辑值为“0 ”。例如：对于本站照查继电 器z c j ，取其后接点输入，后接点闭合，证明本站照查继电器落下，信号机可开 放。z c j 的后接点断开，信号机可开放不许开放。其他继电器的采集原则同上。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章计算机联锁系统软件的需求分析与设计 本章给出武汉贝通科技有限公司研制开发的计算机联锁系统的需求分析， 设计基于通用计算机的计算机联锁系统。通过面向对象的分析和设计方法来设 计计算机联锁系统，分析和设计的内容主要包括需求分析、对象的建模、系统 结构和子系统的设计。 3 1 系统需求和功能分析 3 1 1 系统的基本需求 1 系统的人机对话层( 上位机) 采用普通的p c 机，联锁运算层( 联锁机) 采用研华工控机，提高联锁的稳定和可靠性能。控制层( 模拟指标机) 采用普 通的p c 机。 2 系统软件丌发的编译环境采用v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 ，编程语言采用标准c + + 进行编写。 3 系统对外的输出接口包括以太网卡、c a n 卡、串口等目前比较常用工业 用接口。 4 作为系统的扩展，应该考虑在此功能的基础上实现二乘二的功能。 3 1 2 用户需求和功能分析 通过第2 章的介绍，本文开发的计算机联锁系统由上位机、联锁机和模拟 指标机( 用于模拟站场设备控件的状态，方便软件开发调试) 三部分组成。 3 1 2 1 上位机用户需求和功能分析 上位机是人机对话层的基础，主要涉及站场图的显示、控制按钮的命令实 现和站场设备状态的实时显示。 1 信号机 信号机的位置位于防护进路的末端，信号机的类型以及在界面上的显示形 状如表3 1 所示。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1 信号机控件结构详细信息 信号机名称形状作用 调车矮柱 d 一般采用矮型色灯调车信号机 调车高柱婚在工业企业线入口及牵出线等处 出发单灯矮柱 d 防护区问，指示列车可否由车站进入区间 出发单灯高柱 婚 防护区间，指示列车可否由车站进入区间 出发双灯矮柱 i 0防护区间，指示列车可否由车站进入区间 出发双灯高柱防护区间，指示列车可否由车站进入区间 进站信号机防护车站，指示列车可否由区间进入车站 啪 区间信号机指示列车可否进入它所防护的闭塞分区 信号机的显示采用下面的几种颜色：灰色、红色、绿色、黄色、白色和蓝 色。信号机的开放和关闭条件分别如下：当正常办理排列进路后，保证该进路 安全的所有信号机必须检查其进路规定的区段是否空闲、进路上道龠位置是否 下确、进路是否已经锁闭、进路上敌对信号没有建立，方可丌放信号；当列车 驶入进路后信号机自动关闭，或者出现故障的时候应该人工关闭信号机的信号。 2 区段 区段分为有信号直区段、有信号弯曲段、无信号直区段和无信号弯曲段四 种。当轨道处于空闲状态时其对应区段颜色在上位机上显示为灰色，当轨道被 占用时其对应区段颜色显示为红色，当轨道锁闭时其对应的区段颜色显示为白 色。 3 道岔 道岔的表示：当道岔定位时表示道岔定位的线条处于连通状态，表示道岔 反位的线条处于断开状态；道翁反位时表示道岔反位的线条处于连通状态，表 示道岔定位的线条处于断开状态。道岔的类型以及不同状态位在上位机图形界 面的显示如表3 2 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 2 道岔控件结构详细信息 道岔名称 形状说明 小道岔定位为直 小道佾定位方向为直线方向 小道岔定位为弯 小道岔定位方向为弯线方向 么 大道岔定位为直么 大道岔定位方向为直线方向 大道岔定位为弯 ，大道岔定位方向为弯线方向 l ，一 道岔的显示：当道岔无表示时，道岔显示为白色并不停的闪烁，道岔的名 称闪烁；当道岔挤岔时，道岔显示为红色并不停的c j j 烁，道岔的名称闪烁；当 道岔位于定位时，定位显示为灰色，道岔名称绿色显示；当道俞位于反位时， 道岔反位显示为灰色，道岔名称显示为黄色；当道岔定位操作时，道岔名显示 为绿色并且不停的闪烁；当道翁反位操作时，道俞名显示为黄色并且不停的闪 烁。 道岔的操