（计算机应用技术专业论文）微机化站间自动闭塞冗余控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士毕业论文第1 页 摘要 在大型复杂实时协作等关键应用中，需要高可靠性的保障。如何保证系统 能快速、准确、可靠、持久的运行，是需重点解决的关键问题之一，这就需要 系统具备冗余和容错能力。微机化站间自动闭塞系统采用计算机实现站间闭塞， 并结合现有计轴技术，显著的提高了区间通过能力，对提高我国单线区段行车 安全性及铁路运输自动化水平具有重要的社会意义。 本文依据微机化站闻自动闭塞系统的基本功能提出了系统总体结构，对系 统组成、工作原理、主要特点进行了分析。针对铁路站间自动闭塞系统的故障 一安全及可靠性应用要求，设计实现了二乘二取二的冗余闭塞控制模块、智能 f o 模块。并对二乘二取二冗余控制系统中同步策略及通信等关键技术进行了分 析研究，其中通信包括了控制机与现场设备间的通信、工作控制机与备用控制 机之间的通信、以及与邻站的通信。以单模光纤为传输介质构建了双环冗余自 愈网络，结合数据校验和正反码传输技术实现了控制机与安全智能f o 模块及 计轴器之间的可靠通信，该通信过程具有适应分布式系统控制、系统升级方便、 多重安全防护等特点。 最后结合实际应用，基于系统状态转换模型，采用马尔可夫过程研究了可 修复系统的可靠度和安全度，分柝了不同故障覆盖和维修率对系统可靠性和安 全性的影响，仿真结果表明该系统具有较高的可靠性及安全性。 关键词站间自动闭塞系统；计轴；双环冗余：二乘二取二；可靠性 西南交通大学硕士毕业论文第页 a b s t r a c t h i g h - r e l i a b l es u p p o r t sa r eg r e a t l yi nn e e da m o n gt h ek e ya p p l i c a t i o n so f c o m p l e xr e a l t i m ee n v i r o n m e n t w h e nt h es y s t e mh a st h ea b i l i t i e so f r e d u n d a n c ya n d f a u l t - t o l e r a n c et e c h n o l o g i e s ，i tc a l lr u nq u i c k l y , e x a c t l y , r e l i a b l ya n dc o n t i n u a l l y h o wt oa c q u i r et h ea b i l i t i e si nt h es y s t e m si st h em a j o rp r o b l e mt ob es o l v e d t h e a u t o m a t i cb l o c kb e t w e e nr a i l w a ys t a t i o n ss y s t e mi sm a d eu po ft h em i c r o - c o m p u t e r b l o c kb e t w e e nr a i l w a ys t a t i o n sa n dt h ee x i s t i n ga x l ec o u n t i n gt e c h n i q u e t h eu s eo f t h es y s t e m c h a n g e st h e e x i s t i n ga r t i f i c i a lm a l i n e o ft r a n s a c t i n gb l o c kb e t w e e n m i l w a ys t a t i o n s ，t h et i m ef o r 蛔砒gb l o c ka n da f f i r m i n gt h et r a i na r r i v a l b e c o m e sl e s s ，i ti si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo f i m p r o v i n gc a m , i n gs a f e t ya n dt h el e v e l o f c a r r y i n ga u t o m a t i z a t i o n k t h i sp a p e r , t h es y s t e mt o t a lf i - m n e w a r ki sd e s i g n e da tt h eb a s i co ft h es y s t e m b a s i cf u n c f i o nb o t ht h em a i nf u u c t i o na n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h es y s t e ma r e e x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot h ep o i n t so ff a i l - s a f ea n dr e l i a b i l i t yn e e do ft h ea u t o m a t i c b l o c kb e t w e e n 瑚i l w a ys t a t i o n ss y s t e m ，t h ec o n t r o lm o d u l eo fr e d u n d a n tb l o c ko f t w o o u t - o f - t w oa n dt h ei n t e l l i g e n tf om o d u l ea r ed e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，w ea n a l y z e t h ek e yt e c h n i q u e si nt h et w o - o u t - o f - t w or e d u n d a n tc o n t r o ls y s t e ms u c ha st h e s y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e g ya n dc o m m u n i c a t i o nw h i c hi n c l u d et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ec o n t r o lm a c h i n ea n dl o c a le q u i p m e n t ，t h ec o m m u n i e a t i o nb e t w e e nt h e w o r k i n gc o n t r o lm a c h i n ea n dt h es t a n d b yc o n t r o lm a c h i n ea n dt h ec o r n m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ec o n t r o lm a c h i n ea n dt h ea d j a c e n ts t a t i o n s am e s s a g et r a n s m i s s i o n s c h e m eb yt h es i n g l e - m o d ef i b e rw i t ht h es t r u c t u r eo fr e d u n d a n td o u b l e r i n gi s d e s i g n e d m o r e o v e r , s o m et e c h n o l o g i e ss u c ha sd a t ac h e c k i n ga n dp o s i t i v e - r e v e r s e c o d et r a n s m i s s i o na r ea d o p t e di no r d e rt oa c h i e v et h er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ec o n t r o lm a c h i n e ，v om o d u l ea n dt h ea x l ec o u n t i n g t h ep m c 器sc a nb e a p p l i e di nd i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e m sa n di sc h a r a c t e r i z e db yc o n v e n i e n ts y s t e m u p d a t ea n dm u l t i p l es a f e t yp r o t e c t i o m f i n a l l y , c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f 西南交通大学硕士毕业论文第m 页 m a i n t a i n a b l es y s t e ma r es t u d i e dw i t hm a r k o v p r o c e s s i o nb a s e do i lt h em o d e l o fs t a t e c o n v e r s i o no ft h es y s t e m i na d d i t i o n , t h ei n f l u e n c e so ff a u l t y - c o v e r i n gr a t ea n d m a i n t a i m b l er a t e0 1 1t h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo ft h es y s t e ma 坞m m l y z c d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a se x c e l l e n tp r o p e r t yo fr e l i a b i l i t ya n d s e c m i 啦 k e yw o r d s ：a u t o m a t i cb l o c kb e t w e e nr a i l w a ys t a t i o n ss y s t e m ；a x l ec o u n t i n g ； r e d u n d a n td o u b l e r i n g ；t w o - o u t - o f - t w o ；r e n a b i n t y 西南交通大学硕士毕业论文第l 页 第1 章绪论 铁路信号设备是保障行车安全和提高行车效率的重要基础设备f 1 1 ，由于铁 路信号设备的特殊性，对其控制微机化智能化的要求越来越高，哪怕是一个微小 的故障，也可能带来灾难性后果。微机化站间自动闭塞技术是以计算机技术及 现代通信技术为基础实现站间自动闭塞，提高行车安全及单线区段运能的技术。 微机化自动站间闭塞系统平均无故障间隔要求达到l o e 小时，传统的单c p u 设 计方法是无法达到的，需要设计运用高可靠的冗余控制手段。 1 1 容错技术发展及现状 1 1 1 容错技术的发展 从容错概念的出现到现在已经5 0 多年，在这期间大量的科学工作者为容错 技术的发展付出了艰辛的劳动，取得了许多重大的成果。容错技术的发展可分 为四个阶段： ( 1 ) 5 0 年代。冯诺依曼在美国加利福尼亚理工学院所作的五个关于容错理论 的研究报告这个时期的代表作是冯诺依曼的报告以及1 9 5 6 年在捷克诞生的第一 台容错计算机。 ( 2 ) 6 0 年代，三模冗余计算机系统实现，容错技术从理论和实践上进入了一 个新的时期。 ( 3 ) 7 0 年代，随着硬件技术的发展，而价格的大幅度下降，容错技术的应用 已由原来的航天、航空、国防等尖端领域逐步向铁路交通信号控制、银行事务 处理、工厂过程控制、大型水利工程等领域扩展。1 9 7 5 年美国贝尔实验室研制 成功3 号e s s 处理机。在1 9 8 0 年，容错多处理机及采用软件实现容错的计算机研 究成功。 “) 8 0 年代后，随着计算机技术的发展和广泛应用，容错技术已成为数字系 统的一个主要特征，出现了许多新的研究领域：计算机网络容错、数据库容错、 软件容错、人工智能容错等等。容错技术以及容错计算机大量投入了商用。我 国由中国计算机学会成立了容错计算专业委员会。 西南交通大学硕士毕业论文第2 页 1 1 2 容错技术的现状 1 容错理论的现状 基于冯诺依曼的容错理论，科技工作者对故障的形成、原因、表现形式及 分布等进行了深入研究，为各种容错算法的提出奠定了基础。为了对容错算法 进行分析，人们研究了冗余系统以及部件( 包括软件) 的可靠性、可用性、可修复 性、平均无故障时间等概念，用于评价容错算法的性能。同时为了便于分析， 容错理论引入了多种数学工具，如马尔可夫状态模型、p e t r i 网、图论等作为安 全性与可靠性分析的工具。 2 容错算法的丰富 在体系结构方面，为了实现系统容错，提出了双机热各、三模冗余、二乘 二取二等多种冗余设计方案。算法实现上，人们提出了基于软件冗余多版本程 序设计、时间冗余的恢复块算法等多种容错手段。在信息冗余方面，提出了纠 错码、检错码、正反码、奇偶校验码等多种编码格式同时为了实现容错。人 们对故障检测及诊断算法也进行了研究，提出了心跳检测等多种算法。 3 容错技术智能化发展 故障检测方法、诊断方法将会采取入工智能的处理途径，以专家系统的各 种智能工具来支持故障检测和诊断。利用专家的知识，借助推理机构，迅速而 准确地提供诊断结果。系统的动态重构、故障恢复等功能及神经元芯片等将被 用到容错技术中来，都将在智能化的支持下得以实现容错技术的发展将向前 迈进一大步。 1 2 冗余控制系统研究的背景及意义 微机化自动站间闭塞系统是一个新的研究领域，它是以计算机技术及现代 通信技术为基础实现站闻自动闭塞，提高行车安全及单线区段运能的技术，是现 有继电半自动闭塞系统的替代产品，目前国内外均无成熟产品。 建立在冗余基础之上的容错技术，存在大量的冗余部件，而大多冗余部件 通常不参与系统的功能实现，只为实现容错而存在，大量的资源闲置。加强故 障诊测技术，将软件冗余技术与硬件冗余紧密结合是构建高实时性冗余控制系 统关键。 西南交通大学硕士毕业论文第3 页 通过该课题的研究可以将网络技术、分布式处理技术、动态输入输出技术 等引入容错研究领域，实现容错的同时，兼顾系统的效率，提出新的冗余控制 体系结构、技术以及理念，从而推动微机化站问自动闭塞技术的发展。在研究 过程中不可避免地会遇到困难，通过查阅大量文献以及大量科研工作者的共同 努力，必然会找到解决问题的思路和方法。 1 3 论文主要研究工作 1 根据站间自动闭塞的功能设计了系统的整体分层结构，分析了计轴器及 站间自动闭塞工作原理。 2 设计实现了二乘二取二的冗余闭塞控制模块、智能i o 模块；对二乘二 取二冗余控制系统中同步策略及通信等关键技术进行了分析研究。 3 以单模光纤为传输介质构建了双环冗余自愈网络，环网在节点两根光纤 同时断裂的情况下时间自愈，正常工作。 4 结合实际应用，将动态输入输出技术引入二乘二取二冗余控制系统，基 于系统状态转换模型，采用马尔可夫过程研究了可修复系统的可靠度和安全度。 分析了不同故障覆盖和维修率对系统可靠性和安全性的影响。 1 4 论文结构及内容安排 论文的主要研究的工作及组织结构包括以下几个方面： 第1 章是绪论，主要综述了容错技术的发展和现状，分析了课题背景和研究 意义，说明了论文的主要研究工作，列举了论文的内容结构。 第2 章是微机化站间自动闭塞系统的总体设计，将微机化站间自动闭塞系统 按功能划分传输层、控制层及采集层三个部分，分析了计轴的工作原理及微机 化站问自动闭塞系统内的网络通信方式，对新型的二乘二取二微机化站问自动 闭塞系统的系统组成、工作原理、主要特点进行了设计及分析。 第3 章是系统冗余控制模块的设计，针对铁路站间自动闭塞系统的故障一安 全及可靠性应用要求，设计实现了二乘二取二的冗余闭塞控制模块、智能i ，0 模 块；对二乘二取二冗余控制系统中同步策略及通信等关键技术进行了分析研究。 其中通信包括了控制机与现场设备间的通信、工作控制机与备用控制机之闻的 西南交通大学硕士毕业论文第4 页 通信、以及与邻站的通信 第4 章是冗余信息传输网络的设计与实现，以单模光纤为传输介质构建了 双环冗余自愈网络。结合数据校验和正反码传输技术实现了控制机与安全智能 i o 模块及计轴器之间的可靠通信，该通信过程具有适应分布式系统控制、系统 升级方便、多重安全防护等特点。 第5 章是冗余控制系统安全性和可靠性分析，在微机化站间自动闭塞冗余控 制系统编程中采用多进程模块化编写方式及集中调度管理模式。在模块级冗余 及进程级冗余中分析运用了恢复块、n - 版本编程软件容错技术；在考虑故障覆 盖率及维修率的基础上构建了马尔可夫状态模型，利用m a t l a b 对系统的可靠 性和安全性进行仿真和分析。 第6 章是总结和展望，对本文工作进行了总结，对铁路信号站间信息s d h 自 愈传输网、二乘二取二冗余控制系统中引入三模冗余系统中的故障屏蔽技术、 故障诊测定位技术设计等今后要研究的工作进行了展望。 西南交通大学硕士毕业论文第5 页 第2 章微机化站问自动闭塞系统 2 1 微机化站间自动闭塞相关概念 为了确保列车在单线区段运行的安全，必须保证在某一区间内只能运行一 列列车，于是就有了闭塞和一些相关的概念f 2 l ： 1 闭塞：用信号或凭证，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法。空间 间隔制就是前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离的行车方法。 2 站间闭塞：两站间只能运行一列车，其列车的空间间隔为一个站间。按 技术手段和闭塞方法又可分为：电话闭塞、路签闭塞，路牌闭塞、半自动闭塞、 自动站阃闭塞。 3 自动站间闭塞：在有区间占用检查的条件下，自动办理闭塞手续，列车 凭信号显示发车后，出站信号机自动关闭的闭塞方法其特征为：有区间占用 检查设备；站间或所问区间只准走行一列车：办理发车进路时自动办理闭塞手 续；自动确认列车到达和自动恢复闭塞。 t 电子计轴器；实时检查线路、道岔、平面交叉及道口区段占用或空闲状 态的安全设备，其作用与轨道电路等效。电子计轴器的工作原理是基于列车驶 入和驶出计数点所监视的区段时，根据记录轴数的比较结果，以此确定该区段 的占用或空闲状态。电予计轴器主要由车轴检测器( 传感器、传输线及传输设 备) 、计数设备和电源组成。由于电子计轴器不用轨道作传输线，因此在长大区 间、潮湿地段、山区、矿区、桥隧等区段使用，有其特殊的优点。 2 2 微机化站间自动闭塞系统设计思想 2 。2 1 微机化站闻自动闭塞系统的基本功能 1 区间防护，保证列车在区间安全运行。 2 通过计轴设备实现站间空闲检查。 3 闭塞设备与计轴设备一体化设计，实现更严格的计轴与闭塞联锁，提高 整个系统安全性。 4 多种类型的闭塞及计辖信怠站阊通信部分，取消原来实回线要求，可使 西南交通大学硕士毕业论文第6 页 用光纤。 5 实现站间设备的自检及相互检测，确保系统安全可靠。 6 实现站间自动闭塞，即将人工办理闭塞、同意接车及人工确认到达等手 续，用软件通过闭塞、计轴及车站电气集中条件联锁自动完成。 7 实现办理闭塞时问、列车进入，出清区间时间、设备故障、计轴复原、 故障复原等自动记录。 2 2 2 微机化自动站间闭塞系统的总体设计 系统的层次结构如图2 1 所示，微机化站问自动闭塞系统可依次划分为站间 传输层、控制层、现场总线传输系统、现场智能控制模块、输入输出接口电路 和采集层设备为描述表示方便，将控制层以下通称为采集层。 现现输 站 场场 入 采 间控 总智输 集 传制 线能 出 输层 传控接 层 输制 口 设 电 各 层 块 路 系 统 图2 1 微机化站问自动闭塞系统层次框图 站间传输层的主要功能是站闽通信，负责本站与相邻站的计轴信息、闭塞 信息等信息的互传，向控制层发送控制信息，接收控制层传送来的采集层设备 信息。 控制层的主要任务是形成控制命令，向网络传输层发送相应的网络变量执 行闭塞控制。控制机通过输入接口电路采集站场状态及计轴状态，进行控制运 算，根据运算结果，通过输出接口电路控制现场设备动作。 采集层通过采集电路采集接口架继电器状态及计轴传感器轴数信息，从而 采集现场设备状态信息，传送给控制机及通信模块。同时接收控制机下发的驱 动命令，控制接口架继电器，从而驱动现场设备。 西南交通大学硕士毕业论文第7 页 通信系统主要是接收控制层发送来的控制命令，转换成网络变量，按照命 令的去向将网络变量传送到目的设备，并转换成控制命令，传送到控制模块， 同时将控制模块采集的表示信息、测试数据、故障报警信息打包成网络变量传 送到控制层或维修机。 2 2 3 系统内通信方式的设计 。 在微机化站间自动闭塞系统中，各层之间往往通过采用一些网络技术和总 线技术进行传送信息和数据，采用的通信介质与通信技术均有所不同，下面做 以分析。 1 控制层之间及站间传输应用的网络技术 采用以太网通信，即所有的数据均通过以太网进行传输。以太网是当今现 有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网( l ，a n ) 中采用的 电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间1 0 - 1 0 0 m b p s 的速率传送信 息包，由于其低成本、高可靠性以及1 0 m b p s 的速率而成为应用最为广泛的以太 网技术。其特点如下： ( 1 ) 光纤的误码率低。可以实现可靠的透明传输，在这样的情况下，有可能 出现误码的信道就只剩下控制机和光电转换器之间的传输信道。由于这一段信 道一般是放在室内的，因此出现电磁干扰的几率又大大降低，这就从物理介质 上有效地提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 以太网通信采用t c p 协议实现。如果随机出现的外界干扰使传输的数据 出现了偏差，就由t c p 协议去纠错。t c p 协议作为一种面向连接的信息传输控制 协议，它可以实现端到端信息的透明传输，是一种非常成熟的信息传输控制协 议，也是工业远程控制中得到认可的协议。 2 控制层与采集层之间应用的网络技术 考虑到分散控制和区域扩展，并且由于采集直接通过继电器控制现场设备， 故控制层与采集层之间的通信，除高速传输的要求以外，还应具有较强的抗干 扰能力，并且传输距离也比较长，选用c a n 总线通信方式。c a n 是一种有效支持 分布式控制、或实时控制的串行通信网络。 c a n 总线通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，易于构成多机容错系 统，平时相同功能模块双机校核结果，确保安全性，但经监控机诊断某模块故 西南交通大学硕士毕业论文第8 页 障后，可切断故障模块。各模块之间需及时她交换一些信息( 计轴信息、两站发 车状态、闭塞状态及其它信息) ，c a n 的主从结构、丰富的优先级别以及非破坏 的总线仲裁技术，使得多机之间的通讯非常便捷，为闭塞运算过程中大量的中 间结果的传输和实时校核创造了条件，从而大大降低了由于中间结果的误差造 成系统失效的可能性，保证了数据通信的可靠性、实时性和灵活性。 2 3 微机化站间自动闭塞系统结构及工作原理 2 3 1 微机化站间自动闭塞系统结构 微机化自动站间闭塞系统有着极高的可靠性和安全性要求，它的基本原则 就是故障一安全。在采用容错技术的高可靠性及安全性的系统中，以双机热备和 三模冗余系统最为普遍。随着铁路提速和高速铁路的建设及计轴技术的运用， 对微机化站间自动闭塞联锁控制的安全性和可靠性提出了更高的要求。 图2 - 2 微机化站间自动闭塞系统 基于冗余技术和容错技术的微机化站间自动闭塞系统 5 1 如图2 - 2 所示。系统 总体设计由三级组成；驱动采集单元、冗余控制单元以及传输单元构成。系统 设计符合故障倒向安全原则，具有实时快速自诊断能力，充分满足铁路行车安 全需要。 1 控制机 西南交通大学硕士毕业论文第9 页 采用二取二乘二结构，主要功能： ( 1 ) 接收上位站下发的操作命令。 ( 2 ) 通过输入接口电路采集站场状态及计轴状态。 ( 3 ) 进行控制运算。 ( 4 ) 根据运算结果，通过输出接口电路控制组合架继电器动作。 ( 5 ) 将状态信息、计轴信息、故障信息等传送给上位站及维修机。 2 l o 模块 采用二取二结构，主要功能： ( 1 ) 通过采集电路采集接口架继电器状态，从而采集现场设备状态信息， 传送给控制机及通信模块。 ( 2 ) 接收控制机下发的驱动命令，控制接口架继电器，从而驱动现场设备。 闭塞联锁控制单元。 3 计轴模块 采集计轴传感器的信息进行滤波分析形成计轴数据，传给控制及通信模块。 4 维修机 ( 1 ) 电务维修机通过与主备系统的联接，把计算机控制系统中的实时信息 采集到维修机并记录下来，对系统进行在线监视，也可打印各种信息记录，为 现场维修、分析故障甚至划分事故责任提供可靠的科学依据。 ( 2 ) 可通过音响、语言、文字三种方式或三种方式相结合将报警信息表达 出来，以便维护人员及时处理。 2 3 2 计轴系统工作原理 在车站进站信号机外方3 5 m 处设置计轴器，记录到达或出清列车的车列轴 数，如图2 3 所示。当列车出发经过进站信号机内方的计轴传感器时，计轴模块 中本站的计轴数开始递增( 或递减) ，两站的计轴模块与由通信模块得来的对 方站计轴数比较时出现不相等，说明区间占有。 当列车经过接车站的进站信号机内方的计轴传感器时，接车站计轴数开始 递增( 或递减) ，列车完全到达接车站时，两站计轴模块与由通信模块得来的对 方站计轴数比较时出现相等，说明列车已出清区间，区间空闲，接车站自动复 原，并将闭塞信息传给发车站，发车站也自动复原。 西南交通大学硕士毕业论文第1 0 页 图2 3 计轴工作原理图 例如，当有列车驶入区间时，计轴器m 开始计轴( 为正轴数) ，计轴运算 器把计轴m 和计轴n 的轴数相减，这时的轴数随列车进入的数量而增加：当列车 完全迸入区段后，轴数不变；当列车开始从出口驶出时，计轴n 开始计轴数，计 轴运算器把计轴m 与计轴n 的轴数相减，这时的轴数随列车驶出的数量而减少。 列车完全出清本区段( 即驶出的轴数与进入的轴数相等) ，这时轴数等于零。 如果只有进，没有出( 中途下道) ，这时轴数大于l ，判为占用； 如果只有出，没有迸( 中途上道) ，这时轴数小于零，判为干扰。 归纳：( 进) 一( 出) = o 空闲 ( 进) 一( 出) l 占用 ( 进) 一( 出) l 干扰 2 。3 3 微机化自动站间闭塞系统工作原理 微机化站间自动闭塞系统是采用计算机控制技术，将过去分离的站间闭塞 设备、区间计轴设备纳入同一系统内，通过对车站联锁系统、区间闭塞设备以 及区间计轴设备进行实时监控，实时记录闭塞设备状态、闭塞操作、计轴设备 状态及动作等信息，并对这些信息进行联合运算，运算结果则作为控制命令下 达至各控制设备，取消过去人工办理闭塞、人工同意接车及人工确认到达等手 续，从而实现自动站间闭塞，提高作业效率和行车安全。 微机化站问自动闭塞系统主要由计轴、站间信息传送、站内信息热备、闭 塞办理以及人机交互等模块构成。系统基于层次设计的思想进行设计，按照功 能来分可分为采集层、控制层以及传输层。采集层主要由计轴器件、f o 控制、 以及c a n 总线构成。计轴器件记取的进入区间的轴数通过c a n 总线传给控制层， i o 控制是指与站内办理发车进路和站间办理闭塞相关的继电器控制。所有相关 继电器的信息也是通过c a n 总线传给控制层。控制层由2 台控制机和1 台监控机 西南交通大学硕士毕业论文第1 1 页 组成，主要功能是接受采集层和传输层的信息，并对信息进行处理，得出是否 可以办理闭塞以及办理闭塞过程中所需要的信息，同时对信息进行热各处理。 传输层主要实现对信息正确的发送和接收。 当发车站值班人员办理发车进路时，两站的闭塞模块都要根据本站的车站 控制系统的发车状态、闭塞信息、计轴信息，以及由对方站车站控制系统的发 车状态、闭塞信息、计轴信息进行仿j 塞运算。若满足闭塞条件，两站自动闭塞， 排出发车进路 当列车出发经过进站信号机内方的计轴传感器时，计轴模块中本站的计轴 数开始递增( 或递减) ，两站的计轴模块与由通信模块得来的对方站计轴数比较 时出现不相等，说明区间占有，计轴模块将包括区间占用和本站计轴数的计轴 信息传给闭塞模块和通信模块，闭塞模块根据计轴信息进行闭塞运算，并将闭 塞信息传给通信模块。当列车经过接车站的迸站信号机内方的计轴传感器时， 接车站计轴模块中的计轴数开始递增( 或递减) 。 当列车完全到达接车站时，两站计轴模块与由通信模块得来的对方站计轴 数比较时出现相等，说明列车已出清区间，区间空闲，计轴模块将包括区间空 闲和本站计轴数的计轴信息传给闭塞模块和通信模块，接车站闭塞模块根据计 轴信息进行闭塞运算，接车站自动复原，并将闭塞信息传给通信模块。发车站闭 塞模块根据计轴信息和由通信模块得来的接车站的闭塞进行闭塞运算，发车站 也自动复原。 2 4 本章小节 本章依据微机化站间自动闭塞系统的基本功能将系统设计为传输层、控制 层和采集层，对计轴器工作原理，微机化自动站间系统组成、工作原理进行了 分析。对系统内通信方式进行了分析和研究，选择以太网用于站闻传输及控制 机、维修机间的通信方式，选择抗干扰性强的光纤用做通信介质的选择，选择 c a n 总线作为控制机与采集层间的通信方式。 西南交通大学硕士毕业论文第1 2 页 第3 章系统冗余控制模块设计 3 1 二乘二取二冗余体系结构 控制单元作为系统硬件的主控单元，主要完成信号设备的锁逻辑处理功能， 输出动作控制命令，控制现场设备的动作，并完成现场信号设备状态信号和计 轴信息的采集功能，是整个微机化自动站间闭塞系统的核心组成部分，结构原 理如图3 1 所示。， 图3 一l 二乘二取二冗余控制系统原理图 控制系统由两个子系统组成，一个子系统作为主机，对外拥有输出权，另 外一个子系统处于备机状态，没有输出权利。 每一个子系统在设计中核心处理器采用在一块电路板上设置两套嵌入式 c p u ，交互的信息有：同步信息一实现2 个c p u 间的同步，保持基本统一的时 钟周期。监控信息一要保证系统的安全性，同一个c p u 监控自己的运行是靠 不住的，必须相互间进行监控。两个c p u 可以在一定的周期里，相互向对方发 送监控信息，一旦c p u 在一定的周期中收不到对方的信息，则可切断输出电源 并将对方的c p u 复位，重新进行初始化。应用信息一应用信息主要实现2 个 c p u 间的信息传递、同步等待和数据比较等。 运行结果相互比较，构成二取二结构，两个c p u 的运算结果相互比较，经表 决一致后方可以对外输出。同样的设计构成控制a 机、b 机，同时双机互为热各， 西南交通大学硕士毕业论文第1 3 页 构成二乘二取二结构【4 ，硼。输出切换模块是用来控制两个子系统的主，备状态 切换。 系统二乘的状态切换是根据系统的故障诊断和检测结果进行的，主机定时 向备机发送主机输出的控制命令，各机将此信息与各机的控制命令进行比较， 一致，则双机继续保持热备同步状态，不一致且故障诊断为主机故障，表明主 枫出现某种故障并停止输出控制命令，而由备机启动切换，备机升为主机工作， 继续不问断向现场设备输出控制命令，原主机导向脱机状态并输出报警信号， 若不一致且故障诊断为备机故障，则备机自动脱机并输出报警信号。 控制机系统通过硬件和软件两个方面进行冗余设计。主机和备机之间通过 以太网进行高速数据交换，这其中就包括现场设备的状态输入信息、运算的进 程信息和控制输出命令等。当一个子系统故障停机的情况下，采用二取二方式 对信息进行表决运算。在硬件设计上，把动态输入输出技术运用到二乘二取二 系统设计中，进一步提高了整个系统的安全性和可靠性。 3 1 1 系统同步分析 为提高可靠性和安全性，控制系统都采用了各种容错冗余技术，为了实现 二取二模块之间的输出比较，必须保证两个c p u 同步工作，特别是同步输出， 以简化表决器的设计。同样对于双控制机热备系统要实现动态切换，备用机不 仅要处于联机状态，而且要与工作机同步( 联机同步) 。以保证切换时间控制在 允许范围。 图3 2 为冗余控制系统任务级同步策略的概图。系统的同步策略决定了系 统如何同步和其同步的程度，并且在相当程度上也决定了系统的切换速度。 形卜 蹴一二磷 西南交通大学硕士毕业论文第1 4 页 图中：a - 联机操作，b - 备机的任务状态与主机的一致，c 一备机故障，d 一主 机故障。系统中的控制机可有四种状态，具有实际控制权的为主机，处于工作 状态；没有实控权的为各机，共有脱机、联机和同步三种状态。 对于二取二乘二冗余控制系统，控制机之间的同步可采用时钟脉冲级和功 能级两种同步方式。 1 时钟级同步 时钟级同步有如下实现方法。独立的时钟：各主机模块采用独立的精确时 钟，保证各主机间的同步由于各个时钟是独立工作的，时间一长，即使是很 小的误差，由于不断的积累而得不到纠正，就不可避免地漂移以致超过最大的 时差极限，从而使系统运行失去同步。因此，这种方案仅适用于短时间运行的 情况；公共时钟；各主机模块共用一个时钟来保证同步。这虽然解决了同步问 题，但降低了系统可靠性。因为一旦该时钟出现故障，整个系统就会失效；相 互反馈的时钟：在独立时钟的基础上，加上相互监视的电路( 反馈电路) ，一旦 检出时差，就立即通过反馈信号加以纠正，这样漂移就不会积累。 2 任务级同步 冗余控制系统的每一个控制机我们可以把它看作是一个子系统，每个子系 统中又由两个独立的运算模块组成，而两台控制机组成了双系热备形式。下面 我们以以双机热备系统来说明任务级同步。两台计算机运行完全相同的程序， 将该程序划分为n 个任务，任务级的同步是以一个任务的一次运行作为同步的基 础，每个任务的结束处都设置一条比较输出指令，以便对中间结果和最后结果 进行一致性判断。由于两台计算机运行速率不可能完全相同，因此，同一任务 在两台计算机上执行会产生很大差异，特别是该任务需要较长的运行时间时， 这种差异会更加严重。若计算机1 先结束第i 个任务，将结果输出给比较器，同 时向计算机2 发送一同步信息，然后设置一最大等待时间即允许的同步误差，等 待接收计算机2 发来的同步信息。该同步过程返回有如下几种情况： ( 1 ) 本任务先完成的时候，在收到另一台计算机发来的同步信号，即可立即 返回。 ( 2 ) 本任务后完成的时候，在该任务完成后立即返回 ( 3 ) 本任务在给定时间内仍未收到另一台计算机的同步信号，等待时间耗尽 西南交通大学硕士毕业论文第1 5 页 时，可以返回并得到一个超时错误的异常码。 控制机上电同步： 故障机经维修确认完好后，要参与系统的运行，则要重新启动该机并与工 作主机进行工作状态同步，这里的控制机上电同步主要包括控制系的上电同步 和系内的同步。控制系的同步指一控制系出现硬件故障，停机维修后的重新上 电启动的同步。 ( 1 ) 待同步系向工作系c p u 发出同步请求，工作系c p u 响应该同步请求后， 要求向待同步系c p u 发送同步数据： ( 2 ) 待同步系c p u 响应该请求，由待同步系的两c p u 接收工作系的c p u 发送 来的同步数据： ( 3 ) 待同步系两c p u 接收到数据后，进行数据和进程的同步工作，并通过高 速通道进行数据和进程的比较，完成系内同步； ( 4 ) 待同步系c p u 回传同步数据给工作系c p u ，并向工作系c p u 发送同步工 作请求； ( 5 ) 工作系c p u 将待同步系c p u 发送来的数据与本系数据比较一致后，同意 待同步系的同步工作请求。两控制系同步完成。 3 1 2 双机的自律机制及切换方式 冗余控制系统有三秘工作状态：a ，b 两系均不工作：a ，b 两系中只有一 系工作；双系联机同步工作。在联机同步时，系统处于双机热备状态。双系系 统冗余状态切换图如图3 - 3 所示。 1 两台控制机的自律机制 双系热各式冗余控制系统的切换技术不仅要保障系统的可靠性和可用性， 而且还必须保障系统的安全性。系统的两台控制机a 和b 是基于自律原则设计 的，即系统的安全性是由单机保障的，单机自身及相关接口电路等的故障，原 则上也是由单机自身检测的，这样可以减少由于自检和互检的结果不一致而造 成故障判断上的失误。 由于采取了自律机制【4 】，a 和b 两机的地位平等，没有主从之分。在第一 次开机时，若先启动a 机进人工作状态，则a 机就成为对外部设备有控制权的 主控机，而b 机则自动地成为备机( 若同时启动两机，则存在竞争状态，硬件 西南交通大学硕士毕业论文第1 6 页 逻辑保证胜者优先为主控杌) 。如果主控机a 发生了故障，则备机自动顶替上去 成为主控机。此后，a 机修复投入运行后，它只能处于备机地位，除非人工有 意切换或主控机发生了故障，a 机才可能担当主控机。这样做的目的在于减少 双机切换次数。提高系统的稳定性和可靠性。 复 图3 3 双系系统冗余状态切换图 2 切换策略 ( 1 ) 通过自检，若主机自检出影响较大的某些关键错误时；在心跳线和备机 正常的条件下，经过心跳线通知备机升为主机，本身转入故障状态。 ( 2 ) 主备机的定点握手通信中断时，不能在规定时间内向备机发心跳线信息 及有关信息，这种情况下主机很可能是出现死机等故障，备机经核实主机已放 弃主用状态条件下，自动转入主机状态。备机同时起到了w a t c h d o g 的作用。 ( 3 ) 备机自检发现故障，转入故障状态。迸入故障状态的设备给出报警信息， 经修复后进入竞争状态。由备机发动切换，主机在确认备机切换后转为脱机状 态，等待确认和修复，切换控制权由处于同步状态的各机掌握。 3 切换方式 任一计算机上电时，进入竞争及检测状态，竞争原则是先启动者为主机； 后启动者为备机。状态转换方法包括：主、备机切换，分为自动切换和人工切 换方式。 ( 1 ) 自动切换：采用备机监视主机的方式。主各服务器同时接收上报的数据 信息，以保证双机数据同步。主备服务器间通过专用通信线路进行握手联络， 西南交通大学硕士毕业论文第1 7 页 传送必要的状态信息，以保证双机状态同步。设置适当的定时机制，当备机判 断超时而未收到主机传送的状态信息，则认为主机发生故障，此时主机自动转 为故障状态，切断与上、下层网络联系；备机检测到主机故障后，自动联系上、 下层网络并转为主机。整个切换过程自动完成，不需人为干预，称为自动切换。 ( 2 ) 人工切换：作为自动切换的后备手段，人为指定主备机，只需切断主机 开关，备机自动升为主机状态，人工再开启原主机开关。原主机通过竞争检测， 自动进入备机状态，这个过程称为人工切换。 3 2 控制机系统结构设计 3 2 1 二取二控制机子系统结构 控制系统的核心处理器是保障控制运算正确、高效、安全、可靠的硬件基 础。这里根据系统可靠性理论和冗余容错技术当中关于系统可靠性和安全性的 定义，即系统在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力，以及系 统在规定的时间、使用条件、环境下，系统不陷入危险状态的性能，在设计中 核心处理器采用在一块电路板上设置两套任务同步c i u 系统实时比较，构成二 取二结构，两者一致则输出，两者不一致则停止输出，并产生出相应诊断信息。 以此方式分别构成控制a 机、b 机，同时双机互为热各，构成二乘二取二结构【4 2 4 1 。 图3 4 为二取二子系统结构图。 图3 4 二取二子系统结构图 在二取二系统结构中，采用了多路动态输入技术、动态输出比较技术和反 西南交通大学硕士毕业论文第1 8 页 馈检测技术。从现场采集的动态信号分别迸入控制运算模块m i 和m 2 ，m 1 和m 2 通过高速通信网交换输入数据，实现输入二取二运算模块产生的输出数据经 过通信交换后，再次经过二取二比较，一致后输出脉动信号。脉动信号经过电 路转换后交直流输出，经硬件二取二表决后驱动电流。同时在信号的输出电路 加入检测单元，从而提高了系统的可靠性及故障的定位能力。 由于采用动态输入技术，当采集的信息为动态信息时，则认为该信息为有 效信息，各个运算模块之间交换输入信息，经过比较可以诊断出输入的通道故 障。交换的信息包含控制运算信息，通过比较可以诊断出任务不同步的故障。 输出信息与检测信息进行比较分析，实现对输出通道故障的诊断和定位。 3 2 2 二取二子c p u 板硬件设计 根据二取二系统硬件构成和系统部分硬件发生故障时系统仍具有可连续、 正确运行的能力要求，控_ f t j a 、b 机采用相同的二取- - c p u 板设计结构，单机c p u 板硬件包括c p u 及其c a n 通信控制模块、比较电路模块。核心处理器板的两套 c p u 系统阱2 5 】及其扩展部分完全一致。 通信控制使用两套c a n 总线( 即c a n a 、c a n b ) ，两套总线采用冗余设计 和热备方式运行，从硬件上提高系统的可靠性。具体芯片上，c p u 采用a t m e l 公司生产的基于a r m 9 2 0 t 内核芯片为核心，加上必要的外围芯片电路，由微控 制器、现场设备接口、网络接口三部分组成，其主频最高可以达到1 8 0 姗z ，是 一款高性能s o c n ，用于高性能的系统控制及对稳定性、可靠性要求很高的领域。 c a n 控制器采用双c a n 控制器8 2 c 9 0 0 ，该芯片集成了c a n 协议的物理层和数据 链路层功能，支持多级信息缓冲器结构。具体硬件如图3 5 所示。 二取z c p u 板比较电路采用冗余设计，它主要负责接收同步双c p u 的运算 结果，并对每个任务周期的总线信号并行比较，若比较结果确认c p u 运算一致， 贝j j c p u 控制c a n 通信电路正常输出驱动命令；若比较电路确认c p u 运