基于ARCNET網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖區(qū)域控制系統(tǒng)

竇 偉 高術(shù)強(qiáng)

中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員，100081北京

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)自上世紀(jì)90年代后期開始在中國鐵路大量應(yīng)用，大大提高了鐵路信號(hào)系統(tǒng)的安全管理水平和信息化程度，為后續(xù)鐵路運(yùn)輸?shù)男畔⒒芾硖峁┝藞?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著在路內(nèi)技術(shù)作業(yè)站的大量應(yīng)用，運(yùn)輸部門提出一些特殊要求亟待解決。如一些作業(yè)站地處偏遠(yuǎn)，交通不便，車務(wù)值班人員生活條件艱苦，希望工作在條件較好的鄰站。又如樞紐車站車務(wù)值班人員分散在各個(gè)作業(yè)場，值班員之間聯(lián)絡(luò)多有不便，為加強(qiáng)管理，提高工作效率，樞紐車務(wù)人員傾向于在控制中心對(duì)各站聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行控制。相鄰很近的2個(gè)獨(dú)立信號(hào)樓的車務(wù)人員需要在同一運(yùn)轉(zhuǎn)室聯(lián)合辦公。部分礦山、石化企業(yè)的信號(hào)樓存在被粉塵、有害氣體污染的情況，不適于人員長期工作，需要將工作地點(diǎn)遷移到安全的區(qū)域。即計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)該具有區(qū)域控制能力，可以在異地實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行控制。

1 對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)新要求

具有區(qū)域控制能力的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，應(yīng)該建立在現(xiàn)有成熟的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)在指定地點(diǎn)對(duì)另一地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;應(yīng)使用安全、穩(wěn)定、成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，安全的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議;系統(tǒng)的人機(jī)界面符合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，便于操作人員使用;結(jié)構(gòu)盡量簡單、可靠，便于維修;盡量降低成本，縮短投資回收周期。針對(duì)不同用戶的需要，可以將計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的區(qū)域控制模式劃分為區(qū)域聯(lián)鎖模式和區(qū)域集中控制模式2種。

構(gòu)建具有區(qū)域控制能力的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，面臨的主要問題是在既有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、區(qū)域化。即將不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，通過安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，傳輸控制人員的操作命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔、信號(hào)等設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，因此選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)成為首要問題。

2 ARCNET網(wǎng)絡(luò)簡介

ARCNET最初由美國Datapoint公司于1977年開發(fā)并用于辦公局域網(wǎng)中，ARCNET網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院徒M網(wǎng)的靈活性，使其在工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中占有一席之地。

ARCNET工作機(jī)制:ARCNET局域網(wǎng)采用了優(yōu)化的令牌總線協(xié)議 (IEEE802.4)，除了具有令牌總線網(wǎng)的一般特點(diǎn)外，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存有下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯地址，可以生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)地址表。為了避免目的節(jié)點(diǎn)沒有空閑緩沖區(qū)而引起信息的丟失，設(shè)置了空閑緩沖區(qū)查詢幀，通過查詢可以減少不必要的數(shù)據(jù)重傳，提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。ARCNET網(wǎng)絡(luò)提供了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)，能夠在2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。在ARCNET網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有一個(gè)惟一的地址，其取值范圍為0～255。除節(jié)點(diǎn)號(hào)0用于廣播方式通信外，最多一個(gè)網(wǎng)絡(luò)允許255個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，具有多點(diǎn)實(shí)時(shí)通信的能力。

ARCNET網(wǎng)作為一種成熟的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，具有高可靠性、高抗噪聲能力，數(shù)據(jù)傳輸速率高且具有高確定性。ARCNET網(wǎng)絡(luò)按節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，網(wǎng)絡(luò)配置可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的數(shù)量進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，具有很高的靈活性。ARCNET網(wǎng)絡(luò)作為一種封閉式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不容易受到外部因素的影響，不易被非法侵入?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，ARCNET網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在鐵路內(nèi)部的信號(hào)系統(tǒng)、機(jī)車車輛系統(tǒng)上也有大量應(yīng)用。ARCNET網(wǎng)絡(luò)同樣適用于構(gòu)建具有區(qū)域控制能力的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。無論是使用區(qū)域聯(lián)鎖模式還是集中控制模式，都可以在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用ARCNET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建。

3 二種區(qū)域控制模式的ARCNET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.1 區(qū)域聯(lián)鎖模式的ARCNET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

基于ARCNET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域聯(lián)鎖模式的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)域聯(lián)鎖模式ARCNET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

區(qū)域聯(lián)鎖模式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要由2個(gè)ARCNET網(wǎng)絡(luò)組成，網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)形或星形連接方式。主控站設(shè)聯(lián)鎖機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)鎖運(yùn)算。被控站設(shè)執(zhí)表機(jī)，執(zhí)表機(jī)不進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，只負(fù)責(zé)將被控站的設(shè)備采集信息傳給主控站聯(lián)鎖機(jī)，執(zhí)行主控站聯(lián)鎖機(jī)的輸出控制命令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器。每個(gè)聯(lián)鎖機(jī)、執(zhí)表機(jī)分別與ARCNET網(wǎng)A網(wǎng)、B網(wǎng)連接。使主控站聯(lián)鎖機(jī)與被控站執(zhí)表機(jī)間構(gòu)成2個(gè)互不交叉的封閉網(wǎng)絡(luò)。由于2個(gè)ARCNET網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)、B網(wǎng)互不交叉，因此聯(lián)鎖機(jī)、執(zhí)表機(jī)可以在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用相同的節(jié)點(diǎn)號(hào)，便于通信程序進(jìn)行調(diào)度管理。節(jié)點(diǎn)號(hào)分配后不再變更。

3.2 集中控制模式的ARCNET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

圖2 集中控制模式ARCNET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

集中控制模式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要由基于ARCNET網(wǎng)絡(luò)的雙網(wǎng)組成，網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)連接方式。如圖2所示:主控站設(shè)中心控制機(jī)，在中心控制模式下行車指揮人員可以通過中心控制機(jī)對(duì)整個(gè)區(qū)域的所有被控站的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行控制。每個(gè)被控站各設(shè)一套完整的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，行車指揮人員也可以在被控站對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行直接操作。通過ARCNET網(wǎng)絡(luò)，中心控制機(jī)與每個(gè)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的監(jiān)控機(jī)相連接，采用中心控制模式，行車指揮人員可以對(duì)各個(gè)被控站的聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。被控站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，行車指揮人員可以停用中心控制模式，使用站控模式在被控站直接控制計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。在中心控制模式下，即行車指揮人員在遠(yuǎn)程中心控制機(jī)對(duì)被控站進(jìn)行控制，如排列進(jìn)路等操作，操作命令下達(dá)后由中心控制機(jī)進(jìn)行處理，形成聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部命令后通過光傳輸設(shè)備傳送給被控站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的監(jiān)控機(jī)，再由被控站監(jiān)控機(jī)將命令下達(dá)給聯(lián)鎖機(jī)，聯(lián)鎖機(jī)對(duì)命令就地執(zhí)行，執(zhí)行完畢后被控站聯(lián)鎖系統(tǒng)將執(zhí)行結(jié)果 (站場信息等)傳送給中心控制機(jī)，中心控制機(jī)的控制臺(tái)屏幕上顯示相應(yīng)的站場情況。中心控制機(jī)A機(jī)、B機(jī)分別與ARCNET網(wǎng)A網(wǎng)、B網(wǎng)連接，使中心監(jiān)控機(jī)與被控站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)間構(gòu)成2個(gè)互不交叉的封閉網(wǎng)絡(luò)。由于2個(gè)ARCNET網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)、B網(wǎng)互不交叉，因此中心控制機(jī)與被控站監(jiān)控機(jī)可以在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用相同的節(jié)點(diǎn)號(hào)，便于通信程序進(jìn)行調(diào)度管理。節(jié)點(diǎn)號(hào)一經(jīng)分配不再變更。

4 區(qū)域聯(lián)鎖模式和集中控制模式的比較

區(qū)域控制模式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，被控站只設(shè)執(zhí)表機(jī)，總體設(shè)備數(shù)量較少，因此總體投資相應(yīng)減少。被控站不設(shè)信號(hào)值班人員，可以實(shí)現(xiàn)減員增效。但是由于被控站只設(shè)執(zhí)表機(jī)，沒有獨(dú)立的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，因此一旦主控站的設(shè)備或通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生嚴(yán)重故障，不能繼續(xù)使用，整個(gè)區(qū)域控制范圍內(nèi)的車站都將被停用，故障影響范圍被擴(kuò)大。

集中控制模式，被控站不設(shè)信號(hào)值班人員，可以實(shí)現(xiàn)減員增效的目的。由于每個(gè)站設(shè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，一旦主控站設(shè)備或通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生嚴(yán)重故障，可以將控制權(quán)下放到各個(gè)車站，由各個(gè)車站實(shí)行站控模式運(yùn)行，有效減少了故障造成的不利影響。其缺點(diǎn)是需要在每個(gè)被控站設(shè)獨(dú)立計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，總體投資會(huì)相應(yīng)加大。

5 結(jié)束語

區(qū)域控制模式的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，具有安全、穩(wěn)定、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)營部門的不同需要。目前上述系統(tǒng)已在合肥客技站、三匯壩站、平頂山煤業(yè)集團(tuán)八礦站、平莊礦務(wù)局老公營站、北京地鐵4號(hào)線車輛段和停車場等地應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果，獲得用戶積極的評(píng)價(jià)。

［1］ 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件［S］ .TB/T 3027－2002

［2］ 沈宇華.現(xiàn)場總線ARCNET及其應(yīng)用［J］ .航天控制.2003(1):48.

［3］ TYJL-Ⅱ計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)研究報(bào)告［R］ .鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所.1997.