軌道交通信號系統(tǒng)中冗余技術(shù)研究

王 濤

（山東中車日立軌道通信信號有限公司，山東青島 266000）

軌道交通作為運輸效率高、綠色環(huán)保的交通出行方式，對于緩解城市擁堵，方便出行以及拉動地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長都有重要作用。近年來，國家也高度重視軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展，先后發(fā)布一系列軌道交通發(fā)展規(guī)劃，均強調(diào)重點發(fā)展軌道交通裝備等先進(jìn)制造業(yè)。

1 信號系統(tǒng)的冗余設(shè)計

信號系統(tǒng)的作用類似于行車指揮的大腦，制定全線運營計劃，監(jiān)控全線列車運行，確保列車運行安全。由于信號系統(tǒng)高可靠性、可用性等要求，因此在設(shè)計時，會采用冗余、熱備等設(shè)計方法。如在CTC調(diào)度集中系統(tǒng)，或地鐵CBTC系統(tǒng)的ATS子系統(tǒng)中的服務(wù)器設(shè)備通常采用熱備配置；信號系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通常采用冗余方式。

地鐵CBTC信號系統(tǒng)中，中心ATS子系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。ATS系統(tǒng)核心的服務(wù)器采用熱備結(jié)構(gòu)，主機(jī)進(jìn)行輸入、運算和輸出，從機(jī)同時工作，但不進(jìn)行輸出。網(wǎng)絡(luò)采用紅藍(lán)雙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)同時進(jìn)行工作和數(shù)據(jù)傳輸，由節(jié)點設(shè)備的通信層軟件來決定雙網(wǎng)數(shù)據(jù)的取舍。

圖1 中心ATS典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of central ATS

2 雙網(wǎng)控制

配置冗余交換機(jī)，同時節(jié)點設(shè)備（工作站、服務(wù)器等）采用多網(wǎng)卡方式組成完全冗余的網(wǎng)絡(luò)。在該方式中，其中一個網(wǎng)絡(luò)的異常不會影響系統(tǒng)通信，仍可保證連續(xù)的數(shù)據(jù)通訊。

2.1 網(wǎng)絡(luò)劃分

為滿足冗余要求，兩個網(wǎng)絡(luò)配置C類IP地址，并分配不同的IP地址段，如表1所示。

表1 IP地址分配Tab.1 IP address allocation

2.2 通信層介紹

為滿足兩個網(wǎng)絡(luò)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)需求，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備（服務(wù)器、工作站、控制設(shè)備等）中通過軟件的方式進(jìn)行控制。同時，考慮到軟件模塊化、通用性、可移植性等要求，通常采用在系統(tǒng)層和應(yīng)用層之間設(shè)置通信層（也被稱為中間層）的方式，由通信層完成雙網(wǎng)絡(luò)的控制邏輯。同時，也可在通信層完成其他功能擴(kuò)充，如實現(xiàn)鐵路安全通信RSSP協(xié)議等。如圖2所示。

圖2 通信層結(jié)構(gòu)Fig.2 Communication layer structure

由于通信層的存在，冗余網(wǎng)絡(luò)對于應(yīng)用層透明。應(yīng)用程序無需關(guān)心具體的雙網(wǎng)控制，只需與通信層發(fā)生數(shù)據(jù)交互。具體來說是由通信層向雙網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相同數(shù)據(jù)，同時從兩個網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用層和通信層的接口在軟件設(shè)計時，可以考慮采用API或進(jìn)程間通信等方式。

2.3 通信場景

1）通信正常

應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)至通信層，由通信層向A、B雙網(wǎng)發(fā)送相同數(shù)據(jù)，而接收節(jié)點可從兩個網(wǎng)絡(luò)收到數(shù)據(jù)，但只有先到達(dá)的數(shù)據(jù)會被采用，后到的數(shù)據(jù)將會被通信層丟棄。

如圖3所示，節(jié)點1發(fā)送的數(shù)據(jù)通過A、B雙網(wǎng)到達(dá)節(jié)點2后，節(jié)點2的通信層優(yōu)先使用先到數(shù)據(jù)，后到數(shù)據(jù)被丟棄。

圖3 正常時通信流程Fig.3 Normal communication flow

2）單網(wǎng)故障

在此場景下，由于在雙網(wǎng)中同時有數(shù)據(jù)傳輸，因此當(dāng)單個網(wǎng)絡(luò)有故障時，會自動從正常網(wǎng)絡(luò)獲取到信息，無需進(jìn)行切換，也不會造成時延。如圖4所示。

圖4 單網(wǎng)故障時通信流程Fig.4 Communication flow in case of single network failure

同時，通信層對兩個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，如確定其中一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，則自動舍棄該網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)從另一網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.4 控制邏輯

發(fā)送時，通信層將相同的數(shù)據(jù)向兩個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，進(jìn)行雙網(wǎng)傳輸。

接收時，通信層對兩個網(wǎng)絡(luò)的報文都進(jìn)行接收，成功后向應(yīng)用層返回報文。接收的流程如圖5所示。

圖5 通信層接收流程Fig.5 Communication layer receiving flow

可在軟件中通過綁定INADDR_ANY 地址，即0.0.0.0的IP地址的方式，對節(jié)點設(shè)備來自A、B雙網(wǎng)的數(shù)據(jù)同時進(jìn)行接收。

通過CRC等方式對報文正確性進(jìn)行校驗，此校驗也可不在通信層實現(xiàn)，由應(yīng)用層進(jìn)行校驗。

通常序號范圍可以從0x0001-0xFFFF,在每次報文發(fā)送時進(jìn)行循環(huán)累加。正常情況下，接收到的序號應(yīng)為累加狀態(tài)。當(dāng)序號相同時，說明接收的是雙網(wǎng)絡(luò)的冗余報文；當(dāng)接收的序號變小時，報文傳輸可能存在問題，需根據(jù)不同情況來具體分析和應(yīng)對。

3 雙機(jī)熱備

雙機(jī)熱備是在兩臺處理設(shè)備上運行各自獨立的應(yīng)用，當(dāng)其中一臺設(shè)備故障時，由另一臺設(shè)備進(jìn)行接管，提升整體的可用性。

如圖1中的ATS結(jié)構(gòu)，對于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通常采用配置商用熱備軟件的方式，來進(jìn)行管理和確保數(shù)據(jù)的完整性；但對于其他如應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器等，為了更加靈活和方便的控制，通常由信號系統(tǒng)自行設(shè)計的熱備軟件來進(jìn)行控制。

3.1 狀態(tài)遷移圖

雙機(jī)熱備系統(tǒng)中，其中一方為主系，另一方為從系。主系接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行運算后對外輸出；從系接收數(shù)據(jù)，獨立進(jìn)行運算，但不對外輸出。當(dāng)主系出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動進(jìn)行主從系切換，主從系的狀態(tài)遷移如圖6所示。

圖6 主從狀態(tài)遷移Fig.6 Main/standby state transition

圖6中，為了標(biāo)記，熱備的兩臺設(shè)備分別被命名為1系和2系。正常運行時，兩系為一主一從，當(dāng)故障發(fā)生時，進(jìn)行切替。

3.2 主從切替

雙機(jī)間通過心跳線和互發(fā)心跳報文的方式監(jiān)測對方狀態(tài)。本文直接將雙機(jī)設(shè)備接入至冗余的雙網(wǎng)中，作為心跳線。主從切替如圖7所示。

圖7中，1系為雙機(jī)中的主系，2系為從系，雙方周期性互發(fā)心跳報文。當(dāng)2系3個周期內(nèi)未收到1系心跳時，判斷1系故障，并根據(jù)圖6中的遷移狀態(tài)升級為主系，接替1系的控制。

圖7 主從切替Fig.7 Main/standby system switching

除以上被動的心跳監(jiān)視進(jìn)行切替的方式，同時對本機(jī)狀態(tài)進(jìn)行自監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)自身異常時，及時通知對方進(jìn)行狀態(tài)切替。

3.3 信息孤島的處理

當(dāng)1系與A、B雙網(wǎng)的連接斷開，會形成信息孤島，如圖8所示。此時由于1、2系都接收不到對方心跳，都會升級成為主系，因此當(dāng)故障恢復(fù)時會造成雙主狀態(tài)，此種情況應(yīng)避免。通過對本機(jī)的以太網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)A、B雙網(wǎng)都為斷開時，程序自動停止，需通過人工介入的手動方式才可恢復(fù)，避免故障恢復(fù)后變?yōu)殡p主狀態(tài)。

圖8 1系形成信息孤島Fig.8 The system 1 forms an information island

3.4 啟動流程

主從雙方的心跳報文中包含本機(jī)的狀態(tài)信息（即本機(jī)是主系或從系）。啟動時，通過心跳報文的接收情況和狀態(tài)信息來對自身狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。

如圖9所示，本機(jī)啟動時，狀態(tài)初始為從系，并根據(jù)接收心跳報文的情況確定是否進(jìn)行狀態(tài)遷移：如對方離線，則直接切換為主系運行；如對方在線，且以主系運行，則本機(jī)作為從系運行，無需切換；如對方在線，且以從系運行，此時通過執(zhí)行預(yù)先的默認(rèn)配置來強制確定主從。如可默認(rèn)雙機(jī)中的1系為主系，2系為從系。

圖9 啟動流程Fig.9 Start-up flow chart

4 結(jié)束語

雙網(wǎng)控制和雙機(jī)熱備的冗余技術(shù)在信號系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。本文所提出的通過軟件實現(xiàn)雙網(wǎng)和熱備的控制方法，已在國內(nèi)城市軌道交通線路中上線應(yīng)用，通過實際應(yīng)用證明，可滿足系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，并提升系統(tǒng)可用性和可靠性。