基于ADS的鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)集成方案與設(shè)計(jì)

孔青寧 ，樊 超

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，碩士研究生，甘肅 蘭州 730070）

鐵路信號(hào)設(shè)備是鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，是保證行車安全，提高運(yùn)輸效率和改善勞動(dòng)條件的安全關(guān)鍵設(shè)備。鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)作為鐵路信息化的組成部分，可以為行車調(diào)度、救援指揮、防災(zāi)安全、客運(yùn)服務(wù)調(diào)度等提供直觀先進(jìn)的輔助決策手段，對(duì)于保障線路的安全運(yùn)營(yíng)，提升服務(wù)質(zhì)量具有重要作用。

目前，在國(guó)內(nèi)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)之間，信號(hào)控制網(wǎng)絡(luò)和鐵路基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)之間都還是彼此孤立的。為了適應(yīng)鐵路信息化的要求，根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)際需求，應(yīng)當(dāng)建立起能夠與其他鐵路系統(tǒng)集成的監(jiān)控系統(tǒng)，基于ADS的鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)集成，是可供選擇的理想方案。

1 自律分散系統(tǒng)理論

自律分散系統(tǒng)ADS（Autonomous Decentralized System）是近年由日本東京工業(yè)大學(xué)Mori實(shí)驗(yàn)室的Kinji Mori教授首先提出的一個(gè)基于系統(tǒng)模型的概念。自律分散的思想是向生物學(xué)習(xí)而提出來的。在生物體中，每個(gè)細(xì)胞具有相同的遺傳信息。據(jù)此，在ADS中構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的潛在能力，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)可從其它節(jié)點(diǎn)接收信息，然后選擇必要的信息加以自律地處理〔1〕。

1.1 ADS的基本構(gòu)成 最基本的ADS由原子節(jié)點(diǎn)（atom）和數(shù)據(jù)域（data field）組成。其基本結(jié)構(gòu)及信息形式，如圖1所示。

圖1 ADS體系結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)（atom）是ADS構(gòu)成的最基本的自律單元。在物理網(wǎng)絡(luò)中，它對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備或其他硬件。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立地從數(shù)據(jù)域中提取信息并進(jìn)行內(nèi)部處理，同時(shí)又主動(dòng)以廣播方式向數(shù)據(jù)域發(fā)送處理結(jié)果及其他內(nèi)部信息，發(fā)出的信息在數(shù)據(jù)域中循環(huán)。節(jié)點(diǎn)之間沒有直接耦合關(guān)系，因而降低了系統(tǒng)的整體復(fù)雜性。

1.3 數(shù)據(jù)域 數(shù)據(jù)域（Data Field）是ADS中信息傳播的空間。物理概念上，它相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)器。一方面所有節(jié)點(diǎn)主動(dòng)地向數(shù)據(jù)域發(fā)送信息，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)又根據(jù)自己所需從數(shù)據(jù)域中取走信息，以完成內(nèi)部模塊的功能〔2〕。

1.4 組廣播 在自律分散系統(tǒng)中，最基本的通信方式是廣播。基于它的通信方式可以把同一數(shù)據(jù)域中關(guān)系相近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分為1個(gè)組播組（Mutli?cast Group），這樣便于信息發(fā)送管理。節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)本身需求加入1個(gè)或多個(gè)組播組。組播組不能跨越數(shù)據(jù)域，其最大等于數(shù)據(jù)域。

數(shù)據(jù)域和廣播的通信方式是實(shí)現(xiàn)ADS系統(tǒng)模型的關(guān)鍵。定義自律分散系統(tǒng)有2個(gè)前提：一是系統(tǒng)中有故障是正?，F(xiàn)象；二是系統(tǒng)是由子系統(tǒng)組成。首先必須存在子系統(tǒng)，整體系統(tǒng)是不能事先定義的，只能定義為子系統(tǒng)的集成。其中某些子系統(tǒng)可能處于故障狀態(tài)、正在進(jìn)行改進(jìn)或維修。

自律分散系統(tǒng)有兩大特性：自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性。利用這種系統(tǒng)特性構(gòu)建的系統(tǒng)較好地保證了在線擴(kuò)展、在線維護(hù)及容錯(cuò)，這些特點(diǎn)與不斷發(fā)展變化的監(jiān)控要求非常吻合。

2 鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)模式設(shè)計(jì)

鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下原則：

1）系統(tǒng)應(yīng)具有高適應(yīng)力，能滿足無(wú)法估計(jì)的需求，允許系統(tǒng)在線進(jìn)化生長(zhǎng)。鐵路提速推動(dòng)了信號(hào)技術(shù)的跨越式發(fā)展，提速道岔分動(dòng)、多點(diǎn)牽引、外鎖閉轉(zhuǎn)換設(shè)備全面上道，對(duì)于信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)而言，監(jiān)測(cè)和控制對(duì)象的更新和增加，系統(tǒng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，監(jiān)控系統(tǒng)只有具備良好的在線生長(zhǎng)和擴(kuò)展功能才能滿足發(fā)展的要求。

2）系統(tǒng)應(yīng)具有容錯(cuò)能力，故障修復(fù)時(shí)不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。鐵路信號(hào)設(shè)備種類多，當(dāng)某一個(gè)設(shè)備或者子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)不影響整個(gè)系統(tǒng)和其它的設(shè)備正常運(yùn)行；系統(tǒng)的設(shè)備故障不能影響其他設(shè)備的工作，同時(shí)不能影響行車。

3）系統(tǒng)應(yīng)具有快速反應(yīng)力，能快速感應(yīng)系統(tǒng)需求，并做出反應(yīng)。信號(hào)監(jiān)控子系統(tǒng)或者信號(hào)設(shè)備出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備快速的反應(yīng)力及識(shí)別能力。發(fā)生故障后能及時(shí)地將信息傳送到控制中心。例如，在信號(hào)設(shè)備被盜或遭到破壞時(shí)，應(yīng)能向車站值班人員報(bào)警。

4）系統(tǒng)應(yīng)能快速重構(gòu)，對(duì)于功能增減和故障恢復(fù)，能快速地恢復(fù)模塊或子系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的監(jiān)測(cè)信息和故障信息，應(yīng)用智能軟件對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和判斷，并提出正確有效的恢復(fù)對(duì)策，幫助工作人員準(zhǔn)確確定故障位置，隔離故障區(qū)域，盡量恢復(fù)非故障區(qū)域和子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將故障損失降到最低。

3 鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)集成方案

3.1 數(shù)據(jù)類型及處理方式 鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，既是一個(gè)控制系統(tǒng)，又是一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中存在著不同的數(shù)據(jù)流，不同的數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)處理的驅(qū)動(dòng)機(jī)制、方式及傳輸?shù)确矫嬗兄T多不同。因此，鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流可以劃分為信息數(shù)據(jù)流和控制數(shù)據(jù)流。

3.2 系統(tǒng)方案的集成 鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)集成模型是基于對(duì)其數(shù)據(jù)流的劃分，其主要是將控制數(shù)據(jù)流和信息數(shù)據(jù)流分別發(fā)布到不同數(shù)據(jù)域中，數(shù)據(jù)異構(gòu)問題由此轉(zhuǎn)變?yōu)锳DS中的數(shù)據(jù)域異構(gòu)問題，對(duì)于數(shù)據(jù)域異構(gòu)問題在此采用網(wǎng)關(guān)集成，其模型如圖2。

圖2 集成系統(tǒng)模型示意圖

3.2.1 信息數(shù)據(jù)域 由鐵路信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與鐵路行車有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)信息、信號(hào)設(shè)備的信息等組成信息數(shù)據(jù)域。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有關(guān)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都將被發(fā)送到信息數(shù)據(jù)域。當(dāng)某一子系統(tǒng)接收到滿足觸發(fā)應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)，觸發(fā)該模塊，執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)域，供其它信息子系統(tǒng)或者控制數(shù)據(jù)域中需要相關(guān)信息的子系統(tǒng)接受使用。這些系統(tǒng)可以是連接內(nèi)外設(shè)備的計(jì)算機(jī)單機(jī)，也可以是信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電源屏、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路、電纜絕緣、移頻電碼化等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)信息。

3.2.2 控制數(shù)據(jù)域 由鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的各個(gè)控制數(shù)據(jù)域組成，所有相關(guān)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都被發(fā)送到控制數(shù)據(jù)域。當(dāng)某一子系統(tǒng)接收符合條件的數(shù)據(jù)后，觸發(fā)應(yīng)用模塊，執(zhí)行結(jié)果發(fā)布到控制數(shù)據(jù)域，供其他子系統(tǒng)或者信息數(shù)據(jù)域中子系統(tǒng)接收使用。在鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)中表現(xiàn)為鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)、微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、進(jìn)路辦理等指令的控制子系統(tǒng)。

3.2.3 網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵部分。網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)自律子系統(tǒng)存在，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)域需求的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送并注冊(cè)。

4 網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)可以是單網(wǎng)關(guān)也可以是多網(wǎng)關(guān)組成的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)〔3〕。系統(tǒng)級(jí)上的可擴(kuò)展性由它來實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在此采用3網(wǎng)關(guān)組成的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中所示網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)網(wǎng)關(guān)，組成6個(gè)不同的網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。各個(gè)網(wǎng)段連接各個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)，通過這樣的連接就實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)系統(tǒng)的集成。

圖3 網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

采用3網(wǎng)關(guān)能夠很好地解決單網(wǎng)關(guān)引起的網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸及單一故障點(diǎn)問題，同時(shí)還可以解決由于系統(tǒng)復(fù)雜度增加引起節(jié)點(diǎn)判斷數(shù)據(jù)而帶來的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性問題。多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)在線功能擴(kuò)展、規(guī)模擴(kuò)展以及在線維護(hù)和容錯(cuò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著鐵路信息化的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的統(tǒng)一成為鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而基于ADS通過多網(wǎng)關(guān)集成為此提供了極為可行的方案。它可有效地解決目前我國(guó)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)之間，信號(hào)控制網(wǎng)絡(luò)和鐵路基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)之間彼此孤立等問題，實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和容錯(cuò)性，適應(yīng)鐵路信息化的要求。

〔1〕劉志剛，譚永東，錢清泉，等.自律分散系統(tǒng)在電氣化鐵路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用研究〔J〕.電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21（10）：18-20.

〔2〕趙順玲，于勝龍，吳德昌，譚永東.傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足及 ADS 解決方案〔J〕.電力自動(dòng)化設(shè)備，2003，23（4）：81-84.

〔3〕KinjiMori.Applicationin Rapidly Changing Environments〔J〕.IEEE Computer，1998，31（4）：42-43.