通用性城軌計算機聯(lián)鎖仿真平臺的設(shè)計與開發(fā)

黃 龍

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031）

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是信號系統(tǒng)中關(guān)鍵的安全防護系統(tǒng)。其核心功能就是對車站內(nèi)的道岔、信號機以及軌道電路屏蔽門、防淹門進行實時檢查及控制，保證車站作業(yè)順利執(zhí)行[1-2]。主要涉及采集設(shè)備狀態(tài)信息、人員的操作信息，在進行聯(lián)鎖邏輯運算后，輸出控制命令對設(shè)備進行驅(qū)動[9]。

根據(jù)實際線路，參考VPI型雙機熱備型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，本文考慮通用性城軌計算機聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，對一些關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，提出解決方案。主要內(nèi)容包括：

利用SQL sever2014具有大容量數(shù)據(jù)存儲的特點，存儲信號機、軌道電路、道岔以及進路等線路靜態(tài)數(shù)據(jù),在一定程度上提高了線路設(shè)備存儲的規(guī)范性和通用性；基于VS2013軟件開發(fā)平臺，采用C#語言設(shè)計系統(tǒng)底層軟件，實現(xiàn)對計算機聯(lián)鎖線路的建模和邏輯運算，闡述了建模的方法和步驟；采用傳輸控制協(xié)議（TCP）構(gòu)建通信系統(tǒng)。

1 城軌計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)框架

城軌計算機聯(lián)鎖和傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖一樣，按照系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)分類，可以分為3個層次，即聯(lián)鎖上位機 （人機會話層）、聯(lián)鎖邏輯運算層和采集驅(qū)動層[3]。

仿真平臺能根據(jù)線路設(shè)備靜態(tài)數(shù)據(jù)編制數(shù)據(jù)庫，繪制平面布置圖，并生成進路表。點擊上位機設(shè)備生成操作命令，傳輸至聯(lián)鎖邏輯層進行聯(lián)鎖邏輯判斷，并生成驅(qū)動信息傳至驅(qū)動板驅(qū)動設(shè)備，并使對應(yīng)設(shè)備驅(qū)動表示燈閃爍3 s。采集驅(qū)動仿真平臺中采集板時刻采集上位機的設(shè)備狀態(tài)，點亮對應(yīng)設(shè)備表示燈，并將設(shè)備狀態(tài)信息回傳給聯(lián)鎖運算層。軟件實現(xiàn)中通過TCP通信接口實現(xiàn)上位機操作命令、驅(qū)動命令以及采集信息的互聯(lián)互通。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 TCP/UDP通信協(xié)議介紹

TCP/UDP協(xié)議由數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層4層結(jié)構(gòu)組成。

其中TCP是面向連接的協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)之前需要進行3次握手，成功后才能建立可靠連接。確保了通信數(shù)據(jù)可靠、順序到達目的地。針對不同的鏈接分配獨立緩沖區(qū)，進一步減少可能的丟包問題[4-5]。

UDP協(xié)議面向無連接通信，可能出現(xiàn)丟失、亂序到達的問題，同樣由于沒有流控制，如果開發(fā)控制不當，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)風暴問題[4-5]。

本文采用TCP通信，以保證計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、有效性、可靠性。

2.2 TCP通信系統(tǒng)設(shè)計

在本設(shè)計中，需要將聯(lián)鎖上位機，聯(lián)鎖邏輯層和采集驅(qū)動系統(tǒng)建立通信。采用同一IP地址綁定多個端口的方法，實現(xiàn)不同設(shè)備操作命令和驅(qū)動信息的獨立傳輸，使信息傳輸高效可靠。在本系統(tǒng)中，IP地址統(tǒng)一設(shè)置為127.0.0.1，采用4個端口分別傳輸信息。聯(lián)鎖上位機與采集驅(qū)動系統(tǒng)TCP通信設(shè)計與實現(xiàn)原理圖如圖2所示。（1）端口號8888，以該端口實現(xiàn)聯(lián)鎖上位機的設(shè)備狀態(tài)信息傳輸和進路辦理；（2）端口號8889，以該端口實現(xiàn)信號機操作命令和驅(qū)動信息的傳輸；（3）端口號8890，以該端口實現(xiàn)軌道電路操作命令和驅(qū)動信息的傳輸；（4）端口號8891，以該端口實現(xiàn)道岔操作命令和驅(qū)動信息的傳輸。

圖2 TCP通信設(shè)計與實現(xiàn)原理圖

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)庫設(shè)計

聯(lián)鎖數(shù)據(jù)由靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)兩部分共同組成，兩種數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)、缺一不可[6]。

計算機聯(lián)鎖線路中需要存儲道岔、信號機、軌道區(qū)段、進路等大量數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫存儲有利于數(shù)據(jù)的規(guī)范、擴展和增強配置數(shù)據(jù)通用性。若要對不同的聯(lián)鎖區(qū)進行相關(guān)設(shè)計，只需要按照實際線路的設(shè)備數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中重新配置即可。

3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)模塊

“進路表”和“站場形”是聯(lián)鎖軟件兩種不同形式的靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進路表方式較站場形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式而言，實現(xiàn)起來較為簡易且搜索過程簡單。站場形方式一旦指針發(fā)生錯誤，則會產(chǎn)生一些程序搜索問題，很難發(fā)現(xiàn)和找到問題所在。故本文采用進路表方式靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。把信號機、道岔、軌道電路、絕緣節(jié)、進路的靜態(tài)數(shù)據(jù)分類存放到數(shù)據(jù)庫中[6]。

聯(lián)鎖數(shù)據(jù)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)指不發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。信號機靜態(tài)數(shù)據(jù)包括編號、名稱、類型、方向、內(nèi)方第一區(qū)段、防護方向，橫坐標以及縱坐標；軌道電路靜態(tài)數(shù)據(jù)包括編號、名稱，始端橫坐標和縱坐標、終端橫坐標與縱坐標、軌道類型、名稱位置等靜態(tài)數(shù)據(jù)；道岔靜態(tài)數(shù)據(jù)包括編號、名稱、岔心橫縱坐標，道岔類型，名稱位置等數(shù)據(jù)。

在軟件實現(xiàn)中，每個靜態(tài)數(shù)據(jù)都定義一個變量來存儲數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的信息，形成設(shè)備靜態(tài)數(shù)據(jù)模塊。以信號機為例，其數(shù)據(jù)模塊如表1所示。

表1 信號機靜態(tài)數(shù)據(jù)模塊

3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)包括操作變量、狀態(tài)變量、控制變量。

操作變量為操作人員點擊按鈕需要的變量，操作人員在聯(lián)鎖上位機完成點擊操作之后，上位機程序?qū)Σ僮髦噶钚畔⑦M行處理，形成一條合法的操作命令，傳送至聯(lián)鎖邏輯運算模塊進行處理。

仿真系統(tǒng)控制變量，用于存儲經(jīng)邏輯處理后的設(shè)備驅(qū)動命令，控制信號機的開放、關(guān)閉和道岔的定位、反位動作以及軌道的占用出清。

狀態(tài)變量用于存儲上位機設(shè)備狀態(tài)信息，反映信號機、道岔、軌道電路目前工作狀態(tài)。狀態(tài)信息的傳輸刷新周期設(shè)置為1.5 s。設(shè)置timer將上位機狀態(tài)信息發(fā)送至采集驅(qū)動系統(tǒng)和聯(lián)鎖邏輯層，以便實時檢測設(shè)備狀態(tài)信息及下一次對操作命令的處理。

以道岔動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，定義布爾變量包反映道岔定操、反操、擠岔、單鎖以及單解等。其動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

3.3 SQL Server數(shù)據(jù)庫設(shè)計

SQL Server 是由 Microsoft 開發(fā)和推廣的，具有開放、操作簡單、安全性高，可伸縮性和可擴展性好以及與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點,為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲功能[7]。

本文數(shù)據(jù)庫共包含8個數(shù)據(jù)表，每一個數(shù)據(jù)表均可供程序調(diào)用。數(shù)據(jù)表對象的設(shè)計視圖與靜態(tài)數(shù)據(jù)模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)相一致。

以信號機為例，信號機表：用于存放信號機的名稱、編號、類型、坐標、信號機方向、信號機防護方向和內(nèi)方第一區(qū)段信息。數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)實例

4 計算機聯(lián)鎖上位機實現(xiàn)

聯(lián)鎖上位機界面主要包括界面顯示模塊和功能實現(xiàn)模塊。

4.1 上位機界面顯示模塊

界面顯示主要包括界面初始化顯示以及驅(qū)動顯示，顯示設(shè)備主要包括信號機、軌道電路、道岔、絕緣節(jié)以及聯(lián)鎖區(qū)特殊設(shè)備及按鈕。為了系統(tǒng)的通用性及可擴展性，界面布置中利用hScrollBar1_Scroll和vScrollBar1_Scroll控件自定義滾動條，通過滾動滾動條實現(xiàn)整條線路的布置。

對于界面初始化顯示，這里主要介紹信號機、軌道電路、道岔以及絕緣節(jié)的繪制過程。界面初始化流程圖和初始化界面如圖4和圖5所示。

對于界面驅(qū)動顯示，根據(jù)經(jīng)聯(lián)鎖邏輯回傳的驅(qū)動命令，改變站場設(shè)備的動態(tài)數(shù)據(jù)（布爾值），在界面中設(shè)置timer定時器，采用GDI+技術(shù)根據(jù)設(shè)備最新布爾值對設(shè)備進行刷新重繪。

圖4 界面初始化流程圖

圖5 初始化界面

4.2 計算機聯(lián)鎖功能實現(xiàn)模塊

聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能主要包括軌道電路信息處理、進路控制、道岔控制、信號顯示以及跟其他系統(tǒng)接口交換信息等[8]。

本文的聯(lián)鎖功能全部使用對應(yīng)功能按鈕實現(xiàn)，操作人員必須首先點擊相關(guān)功能按鈕，功能操作變量存儲功能按鈕類別，根據(jù)功能操作變量類別再采用坐標位置匹配的方式查找到對應(yīng)設(shè)備鼠標右擊，這一過程都在Form1_MouseClick(object sender, MouseEvent-Args e)函數(shù)中執(zhí)行。部分功能按鈕如圖6所示。

圖6 計算機聯(lián)鎖功能按鈕

坐標位置匹配是指利用鼠標左鍵點擊時的坐標位置，去循環(huán)匹配線路中設(shè)備的坐標位置，找到對應(yīng)功能操作的設(shè)備，并發(fā)送對應(yīng)的操作命令。操作命令基本格式：功能標識（包頭）+設(shè)備標識+設(shè)備編號+設(shè)備名稱，設(shè)備標識分為4類，如表2所示。

信號機：作為進路始、終端，發(fā)送數(shù)據(jù)包頭部“0x00”。對其單獨操作，包括信號重開，燈斷絲，信號封鎖操作，發(fā)送數(shù)據(jù)包頭部“0x01”。

表2 操作命令分類

軌道區(qū)段：對其單獨操作，包括軌道電路“占用”“出清”操作，發(fā)送數(shù)據(jù)包頭部“0x02”。

道岔：對其單獨操作，包括道岔定位操作，反位操作，單鎖，單解等操作，發(fā)送數(shù)據(jù)包頭部“0x03”。

點擊設(shè)備功能按鈕，將帶有標識的數(shù)據(jù)包發(fā)送至聯(lián)鎖邏輯運算層，聯(lián)鎖邏輯運算模塊根據(jù)數(shù)據(jù)包頭類型，分別進行布爾表達式運算，并將驅(qū)動信息經(jīng)采集驅(qū)動層回傳至聯(lián)鎖上位機驅(qū)動設(shè)備。

以進路和道岔控制為例，功能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5 采集驅(qū)動仿真系統(tǒng)

采集驅(qū)動仿真系統(tǒng)采用A機和B機雙機熱備，正常情況下由A機參與，故障時切換至B機。系統(tǒng)由采集模塊，驅(qū)動模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。采集模塊實時采集設(shè)備狀態(tài)信息，并將對應(yīng)的表示燈點亮。驅(qū)動模塊接收進邏輯運算后的驅(qū)動命令，并開放驅(qū)動通道，表現(xiàn)為驅(qū)動設(shè)備對應(yīng)的表示燈閃爍3 s后停止。數(shù)據(jù)傳輸模塊由3部分組成：設(shè)備動態(tài)數(shù)據(jù)布爾表達式顯示；操作命令顯示；驅(qū)動命令顯示。以采集板為例，組成如圖8所示。

6 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試過程在實驗室中進行，系統(tǒng)采用從數(shù)據(jù)庫中獲取靜態(tài)數(shù)據(jù)，初始化界面。然后通過點擊設(shè)備發(fā)送操作命令，經(jīng)由邏輯判斷后驅(qū)動設(shè)備。最后將驅(qū)動數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息反映道采集驅(qū)動仿真系統(tǒng)中。以辦理基本進路為例，對系統(tǒng)進行功能測試。

圖7 進路和道岔控制結(jié)構(gòu)圖

圖8 采集板組成實例

6.1 預(yù)辦理進路

點擊辦理進路按鈕，然后點擊始端信號機按鈕，使能以此信號機為始端辦理進路的終端信號機閃爍。系統(tǒng)顯示如圖9所示。

圖9 預(yù)辦理進路顯示

6.2 成功辦理進路

點擊上位機終端信號機按鈕，成功辦理側(cè)線進路并鎖閉，始端信號機顯示黃色。此時采集驅(qū)動仿真系統(tǒng)中采集板采集到設(shè)備狀態(tài)信息，驅(qū)動板顯示驅(qū)動設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸記錄過程數(shù)據(jù)。如圖10、圖11和圖12所示。

圖10 上位機顯示

圖11 采集板顯示

圖12 數(shù)據(jù)傳輸記錄

6 結(jié)束語

本文通過數(shù)據(jù)庫存儲線路信息，繪制站場圖，利用功能按鈕和鼠標點擊坐標匹配方式，判斷操作人員進行的操作。根據(jù)操作設(shè)備的不同，經(jīng)由不同的傳輸端口，發(fā)送不同的操作命令給聯(lián)鎖邏輯層。邏輯層進行對應(yīng)的邏輯處理并回傳驅(qū)動信息，以達到驅(qū)動設(shè)備目的。整個系統(tǒng)只需要設(shè)計人員在數(shù)據(jù)庫中正確輸入線路的設(shè)備信息，利用底層軟件就可以實現(xiàn)不同線路計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計。本文聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計的通用性研究主要通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，還未得到應(yīng)用，有一定局限性和缺陷，有待改善。