TDCS車站分機雙機熱備系統的軟件切換實現

鄭文宇,朱娜敏,陳雁冰

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.安徽淮南礦業集團，安徽淮南 232001；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

列車調度指揮系統(簡稱TDCS)是實現鐵路各級運輸調度對列車進行透明指揮、實時調整、集中控制的現代化信息系統,它由鐵道部TDCS中心、鐵路局調度所TDCS中心及車站基層網三層組成。TDCS車站分機是車站基層網的設備,起到信息的采集、上傳及下發的作用,在整個系統中占有非常重要的地位。

TDCS車站分機雙機熱備系統是一種雙機互備系統。2臺車站分機同時工作,并互為熱備。工作期間,主、備機之間的區別：主機通過串口線接收計算機聯鎖設備、無線車次號設備、無線調度命令等設備信息,同時通過以太網上傳數據到鐵路局調度中心和本站車務終端；備機只監聽主機,而不上傳和接收數據,當主機出現故障時,備機自動切換為主機工作。

2 現場應用

2.1 包西鐵路內蒙古段概況

包西鐵路內蒙古段指包頭南至新街段,時速160 km預留200 km、開行萬t列車的重載快速鐵路,是我國南北鐵路大通道之一的包柳通道中的一部分,起到內蒙古自治區鄂爾多斯煤炭外運的重要通路作用。其運輸調度指揮系統如圖1所示。

圖1 包西鐵路內蒙古段運輸調度指揮系統框圖

包西鐵路主要通道采用CTC(調度集中)系統,納入包西調度臺指揮。專用線銅匠川站和王家塔站采用TDCS系統,車站分機為雙機熱備,通過雙機熱備切換板實現主備機間故障切換。

2.2 TDCS車站分機系統結構及原理

該系統由2套TDCS車站分機、1塊雙機熱備切換板(STBY)及通信網絡組成(圖2)。

圖2 TDCS車站分機系統結構框圖

當開關至為A或B時,則強制A或B機為主機。

當開關至為AUTO時,STBY通過A、B機熱備口的數據來自動裁決哪一個為主機及何時發生主備機的熱備切換。主機向STBY連續發數據,STBY總會保持其主機狀態不變；備機在接收主機數據的同時,一直向STBY發送主、備機熱備切換的請求；只有當主機不向STBY發送狀態保持數據,并且備機一直向STBY請求主、備切換時,主、備機才會發生熱備切換。

3 主備機間新的軟件切換方式

以上是現有TDCS車站分機主備機切換所采用的方式,通過軟件取代雙機熱備切換板,可大大減少工程投資。在軟件編制過程中重點解決了以下幾點難題:(1)通過2條通信路徑的心跳故障檢測，解決因通信路徑故障而導致的不必要系統切換；(2)在監控數據上加蓋時間戳，來確保通信實時性與安全性；(3)軟件中加入看門狗設計,防止MCU死機。

3.1 2條通信路徑的心跳故障檢測

雙機備份軟件在主備機節點間保持著間歇的通信信號,也叫做心跳信號,如果連續沒有收到的心跳信號到了一定的數目,軟件就把這條路徑標示為失效。

在TDCS車站分機雙機熱備系統中,為了避免由于潛在的通信路徑故障而導致的系統切換,采用了不同介質的2條通信路徑,即Socket(套接字)和串行口。

3.2 主機監控軟件的設計

該備份軟件系統分為主機監控部分和數據通訊部分。主機監控部分主要實現的是監控TDCS車站分機主機是否在正常工作,即與其他各個設備的通信功能是否正常。

3.2.1 監控功能設計

根據TDCS車站分機的功能,來設計監控數據基本部分的格式。如表1所示。

表1 監控數據基本部分格式

表1中，從第1位到第8位表示的意義依次為：接收到的計算機聯鎖系統的數據正常否、接收到的無線車次號設備的數據正常否、接收到無線調度命令設備的回執信息正常否、發送到無線調度命令設備的調度命令正常否、接收鐵路局的調度命令正常否、發送到鐵路局的數據正常否、接收到車務終端的調度命令正常否、發送到車站終端的數據正常否。在分級軟件實現接收或發送數據的時候,如果正常則返回標記為“1”,否則返回標記為“0”。

3.2.2 時間戳應用

該熱備系統對實時性有特殊要求,因此要在監控數據上加蓋時間戳來確保其實時性與安全性,加蓋時間戳方式如下：

string time(“車站分機標準時間Y-M-D-H-S”,$time)；

其返回值為字符串,由此得出監控數據標準格式如表2所示。

表2 監控數據格式

此外,考慮到備機讀取的是蓋有時間戳標記的監控數據,因此要將主機與備機的時間同步。

3.2.3 看門狗(watchdog)設計

硬件看門狗是一個定時器電路,主要用來監控主程序的運行。MCU正常工作的時候,每隔一段時間輸出一個信號喂狗,給WDT清零,如果超過規定的時間不喂狗(一般在程序跑飛時),就會給一個復位信號到MCU,使MCU復位,防止MCU死機。

軟件看門狗技術的原理和硬件看門狗相似,在該系統軟件中,數據監控程序與車站分機工作程序進行定時通信,亦即每隔一段時間監控程序會讀取車站分機有關工作狀態的數據；如果超過時間限制,而監控程序沒有讀到數據,則可認為被監控的程序已經停止響應,準備主備機切換。

3.2.4 算法設計

根據以上監控數據生成,時間戳與看門狗應用,監控軟件算法如下：

moniter( )

{

if(Connect(計算機聯鎖系統))

監控數據第1位為1；

else

監控數據第1位為0；

……

if(Connect(車務終端))

監控數據第8位為1；

else

監控數據第8位為0；

String time(“車站分機標準時間Y-M-D-H-S”,$time)；

}

OnTimer(UINT nIDEvent)

{

case 1：//時間調整計時器(保證各機時間同步)

讀定時調整參數值；

ActiveWatchdog( )； //激活Watchdog

設置定時器時間1；

Break；

case 2：//讀取數據計時器(隔段時間讀取數據)

ActiveWatchdog( )； //激活Watchdog

讀監控狀態數據；

設置定時器時間2；

break；

default：

break；

}

3.3 數據通訊軟件的設計

數據通訊部分的功能是主機將監控其狀態的數據發送給備機,供備機判定主機是否正常。因為在該部分設計中有2條通信路徑,所以數據通訊部分的設計方案也考慮到該情況。限于篇幅,文中只給出了主機與備機的通信流程圖,如圖3、圖4所示。

圖3 主機通訊流程

圖4 備機通信流程

3.4 設備造價及維護分析

STBY價格是7 000元左右,采用軟件實現TDCS車站分機的熱備切換,按一條線10個車站,可節省70 000元,同時取消SRBY后,還可以縮小TDCS車站分機機柜,進而進一步較少設備造價及運輸等成本。

硬件越多,故障點越多,采用高可靠軟件取代部分硬件,可減少工程維護的工作量。

4 總結

由于TDCS車站分機在整個系統中占有極其重要的地位,要求其傳輸數據的可靠性及實時性很高,所以對其采用了雙機熱備。現場TDCS車站分機采用的硬件切換方式在實踐中很成熟,但費用也相對較高；軟件方式比較經濟,并且實現了對系統狀態和特定應用的監測,數據通信軟件完成了主備機間的互檢和對通信通道的檢測,整個系統實現了雙機快速、無抖動的故障切換,在以后的應用中,會逐漸成為主體。

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