（交通信息工程及控制专业论文）操作表示机标准IO设备切换系统设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：计算机联锁系统中，操作表示机作为系统中重要的人机交互界面，是接收 值班员的控制命令、站场设备状态的关键部件。为提高可靠性，操作表示机采用 双机热备模式，其标准v o 设备如鼠标、键盘、显示器、音频设备等为单套。标准 i o 设备切换系统通过对操作表示机的主从裁决，实现单套标准i o 设备在两台操 作表示机间使用权的无缝切换，节约了操作表示台的设备，方便了调度人员的操 作。切换系统也采用双机热备模式，通过故障自诊断实现了自身主从裁决，提高 了操作表示层的可靠性，进而提高计算机联锁系统的可靠性。 国内相关技术设备处于初级应用阶段。各型号计算机联锁系统的切换系统设计 原理相似，具体实现却各有特色，但都存在标准i o 设备易于丢失、信号易受干扰 等问题，在应用中容易影响调度人员的操作，进而影响系统的可靠性、可用性。 本文针对切换系统功能不完善这一技术现状，以j t - d e 计算机联锁系统为应用背 景，集中分析了切换系统的工作机理及功能需求，设计了双机热备结构的标准f o 设备切换系统，研制了系统软件硬件。 论文的主要工作包括： 第一，介绍了切换系统的研究背景、应用现状，分析了系统对外的、自身的功 能需求，设计了系统的总体方案，划分了系统的层次结构，演绎了系统的逻辑设 计过程，提出了系统的功能分解方案。 第二，基于计算机联锁机柜结构，设计了系统硬件物理结构：通过对系统组织 协调级的硬件功能需求分析，研制了实现裁决、控制、采集与通信的主控板；通 过对系统执行级各单元功能需求分析，研制了实现切换鼠标键盘信息的鼠标切换 板，实现切换音频信息的音频切换板，实现切换视频信号的视频切换板。 第三，在系统组织协调级的软件功能需求分析基础上，编制了实现裁决主从、 同步、故障诊断处理的主控板软件，在鼠标切换板的功能需求分析基础上，编制 了实现鼠标键盘模拟与鼠标键盘操作信息转发的鼠标切换板软件。 第四，以j t - d e 计算机联锁系统为应用背景，通过对系统调试原理、调试方法、 调试环境、调试过程、调试结果的分析，结合系统软硬件研制的原理，完成了切 换系统的试验及现场调试，验证了系统性能。 关键词：计算机联锁系统；操作表示机：切换系统；标准i o 设备；动态冗余 分类号：u 2 8 4 7 4 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a st h em a nm a c h i n ei n t e r f a c ei nt h ec o m p u t e r i z e di n t e r l o c k i n g - c o n t r o l s y s t e m ( c i s ) ，t h eo p e r a t i n ga n de x p r e s s i n g ( o & e ) m a c h i n e sp l a yak e yr o l ei n r e c e i v i n gc o m m a n da n dd e v i c e s s t a t e s t oi m p r o v er e l i a b i l i t y , t h ed u a l h o t b a c k u p m o d ei su s e db yt h e ( o e ) m a c h i n e s ，w h i c hu s eo n l yo n es e to fs t a n d a r di od e v i c e s ( m o u s e ，k e y b o a r d ，m o n i t o r , a u d i od e v i c ee t c ) i od e v i c e s a c c e s ss w i t c hb e t w e e nt h e d u a lo & em a c h i n e si sr e a l i z e db yt h es w i t c hs y s t e m ，w h i c hr e d u c e st h ef i x t u r ea n d f a c i l i t a t e st h eo p e r a t i o n t h ed u a l - h o t b a c k u pm o d ei su s e db yt h es w i t c hs y s t e mt o o ， a n dt h er e l i a b i l i t yo fo & e l a ya n dc i si si m p r o v e d r e l a t e dt e c h n o l o g yd e v i c e si nc h i n aa r ei nt h ei n i t i a la p p l i c a t i o ns t a g e ，a n dt h e ya r e s i m i l a ri ns y s t e md e s i g n ，b u td i f f e r e n ti ni m p l e m e n t a t i o n ，w h i c hn e e dt ob eu n i f i e d a l l d e v i c e sh a v ep r o b l e m so fi od e v i c em i s sa n ds i g n a li n t e r f e r e n c e ，w h i c hm a ya f f e c tt h e o p e r a t i o na n dt h es y s t e mr e l i a b i l i t y a v a i l a b i l i t y as e to fh o t - b a c k u ps t r u c t u r es w i t c h s y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h ej t - d ec i sa n dt h e s w i t c hs y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n a l y s i s s y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r e d e v e l o p e d 一一 。 t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h es y s t e mr e s e a r c hb a c k g r o u n da n da p p l i c a t i o ns t a t u sw a si n t r o d u c e d ；t h e s y s t e me x t e r n a la n di t so w nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sw e r ea n a l y z e d ；t h es y s t e ms c h e m e w a sd e s i g n e d ；t h es y s t e mh i e r a r c h yw a sd e l a m i n a t e d ；t h el o 百co fs y s t e md e s i g np r o c e s s w a si n t e r p r e t e d ，a n dt h es y s t e mf u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o nw a s p r o p o s e d s e c o n d l y , t h es y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ew a sd e s i g n e db a s e do nt h ec a b i n e t s t r u c t u r eo fc i s ；t h em a i n - e o n t r 0 1p c bf o rc o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n & s t a t ea c q u i s i t i o n w a sd e v e l o p e db a s e do nt h eh a r d w a r ef u n c t i o n a la n a l y s i so fo r g a n i z i n g c o o r d i n a t i n g l a y ；t h em o u s es w i t c hp c b f o rm o u s ea n dk e y b o a r dm e s s a g es w i t c h ，t h ea u d i os w i t c h p c bf o ra u d i os w i t c h , a n dt h ev i d e os w i t c hc i r c u i tb o a r df o rv i d e os w i t c hw e r e d e v e l o p e db a s e do nt h ef u n c t i o n a la n a l y s i so fi m p l e m e n t a t i o nl a yu n i t s t h i r d l y , t h em a i n c o n t r o lp c b s o f t w a r ef o rr u l i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，c o m m u n i c a t i o n , s y n c h r o n i z a t i o n ，c o n t r o l s t a t ea c q u i s i t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do nt h es o f t w a r e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n a l y s i so fo r g a n i z i n g & c o o r d i n a t i n gl a y , a n dt h em o u s es w i t c h p c bs o f t w a r ef o rm o u s ek e y b o a r ds i m u l a t i o n & m e s s a g et r a n s m i t t i n gw e r ed e v e l o p e d b a s e do nt h es o f t w a r ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n a l y s i so fm o u s es w i t c hp c b f o u r t h l y , b a s e do i lt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do f t h ej t d ec i s ，t h es w i t c hs y s t e m d e b u g g i n gi nt h el a b o r a t o r ya n dt h el o c a l ew e r ec o m p l e t e dt h r o u g ha n a l y s i so fs y s t e m d e b u g g i n gp r i n c i p l e ，m e t h o d ，c o n d i t i o n ，p r o c e s s r e s u l t ，a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e w a sv a l i d a t e d k e y w o r d s ： c o m p u t e r i z e di n t e r l o c k i n g - c o n t r o ls y s t e m ( c i s ) ；o p e r a t i n ga n d e x p r e s s i n gm a c h i n e s ；s w i t c hs y s t e m ；s t a n d a r di od e v i c e s ；d y n a m i cr e d u n d a n c y c i a s s n o ：u 2 8 4 7 4 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：关p 长：亨、导师签名；办4 签字日期：加影年6 月 p 日 签字日期：切扩年石月lo 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：差p 长宗 签字日期：沙矛罗年衫月fd 日 6 3 致谢 本论文的工作是在我的导师郑伟副教授的悉心指导下完成的，郑伟副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 郑伟老师对我的关心和指导。 徐洪泽教授在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向徐洪泽 老师表示衷心的谢意。 岳强老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨昭军、周鹏、吴良坤师兄，彭传贤、李言、 张阳、吴梦媛、黄瑶、高春霞等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在 此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父亲、母亲、哥哥、姐姐、嫂子，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景 1 引言 1 ) 车站信号计算机联锁系统概况 车站信号计算机联锁系统( c i s ) ，是实现铁路车站“运行指挥，安全防护功 能的控制系统，是计算机控制技术以及可靠性、安全性理论在铁路信号系统综合 应用的产物。u j 国外的计算机联锁系统大多采用硬件冗余比较表决方式实现系统的故障安 全，并采用双重或三重系统不停顿故障重组技术提高系统的可靠性和可用性，形 成了系列化产品，具代表性的有瑞典的e b i l o c k 系列、德国的s i m i s 系列、英 国的s s i 系列、法国的s e l m i s 系列及日本的s m i l e 系列计算机联锁系统。 国内计算机联锁系统经历了近2 0 年的研究与实践。 2 0 世纪8 0 年代铁道科学研究院、铁道部通信信号总公司研究设计院、北方交 通大学等科学研究机构相继展开了计算机联锁系统的研制工作。1 9 8 4 年铁道部通 信信号总公司研究设计院研制生产出了国内第一个车站计算机联锁系统，并成功 地应用于地方铁路。1 9 8 9 年铁道科学研究院研制生产的计算机联锁系统在郑州北 编组站开通使用，使计算机联锁系统首次应用于国有铁路。1 9 9 4 年铁道科学研究 院、铁道部通信信号总公司研究设计院研制的计算机联锁系统分别在哈尔滨铁路 局平房站和上海铁路局交通站开通使用，这是我国铁路首次将国产的计算机联锁 设备用于铁路客货列车通过的车站。 2 0 年来，我国自行研制并投入应用了数千套多种型号的“双机热备 型计算 机联锁系统。在引进国外先进系统技术的基础上，自主研制了多种型号的基于“二 取二乘二 或“三取二”安全计算机的计算机联锁系统，提高了系统的可靠性和 故障安全性能。计算机联锁系统正在逐步取代继电联锁系统，成为车站信号 控制系统主流及发展方向。 计算机联锁与传统的继电联锁的主要区别在于：【2 1 ( 1 ) 利用计算机对车站值班员的操作命令和现场监控设备的表示信息进行逻辑 运算后，完成对信号机、道岔及迸路的联锁和控制。 ( 2 ) 计算机发出的控制信息和现场发回的表示信息，若实现串行信息接1 2 1 ，均 能由传输通道串行传送，可节省大量的干线电缆，并使采用光缆传输成为可能。 ( 3 ) 用屏幕显示代替现行的表示盘，大大缩4 , - f 体积，简化了结构，不但方便 使用，还可根据需要多台并机使用。 ( 4 ) 采用积木式的模块化软件和硬件结构，便于站场变更，并容易实现故障控 制、分析等功能。 2 ) 车站信号计算机联锁系统层次结构 车站信号计算机联锁系统是实现以进路控制为主要内容的联锁功能控制系 统。联锁控制系统是以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作为室外三大基础设 备，以电气设备或电子设备实现联锁功能对轨道区段状态、信号状态和道俞状态 进行检测并对信号机和道岔实施控制的系统。 计算机联锁系统按照系统结构可以划分为人机会话层、联锁层和执行层。【3 1 系统的层次结构如图1 1 所示。【l 】 厂_ i 磊习人机会话层 一- 一 图1 1 车站联锁控制系统的层次结构 f i g u r e l 1h i e r a r c h yo f c i s 联锁运算层 现场设备控制器 室外设备 人机交互层：操作人员通过操作向联锁机构输入操作信息和接收联锁机构输 出的反映设备工作状态和行车作业情况的表示信息。人机会话层的设备设于车站 值班室。 联锁机构：联锁机构是联锁控制系统的核心，联锁机构除了接收来自人机会 话层的操作信息外，还接收来自监控层的反映信号机、动力转辙机和轨道电路状 态的信息，根据对输入的操作信息和状态信息，以及联锁机构的当前内部信息进 行处理，产生相应的输出信息，即信号控制命令和道岔控制命令，并交付监控层 的控制电路予以执行。 i o 接口层：接收来自联锁层的控制命令，经过信号机控制电路，改变信号显 示；接收来自联锁层的道岔控制命令，经过道岔控制电路，驱动道岔转换；向联 锁机构传输信号状态信息、道岔状态信息，以及轨道电路状态信息。 2 系统结构中，联锁机构的实现方法有很多种，图1 2 对j t d e 型计算机联锁 系统的硬件结构及其功能进行介绍：j t d e 型计算机联锁系统包括操作表示层、联 锁控制层、继电组合，系统结构如图1 2 所示：f 1 】 匦匦 j ； j i 以人网 一 ! 操作表示机a |l 操作表示机b ! r 。lr 一一。1 广1f 一一一一一一一一一一 ：电务维修枧h ，：打印机( 可选) ： 型e 三翌巴= = 型匕三三三型 - 尸尹三与尸警芋剑 早享了耳堕呈萋 r：! ! 萄 二二二二二二) 至二二堑：一至二二二二二i 二二 图1 2j t - d e 型系统结构 f i g u r e1 2s t r u c t u r eo f t h et y p ej t - d ec i s 3 ) 操作表示机结构 操作表示机在计算机联锁系统中位置见图1 2 中的操作表示层所示。如图，操 作表示机采用的是双机热备模式冗余结构。操作表示机作为系统中重要的入机交 互界面，是接收值班员的控制命令、现实站场设备状态的关键部件，它的可靠性 直接影响整个系统的可靠性。 4 操作表示机标准i o 设备切换系统【4 】 采用双机热备模式的操作表示机，为方便现场操作人员作业，其标准i o 设备 ( 鼠标、键盘、显示器、音频设备) 使用单套。中间要有套切换系统，即操作 表示机标准i o 设备切换系统，在操作表示机主从地位转换时，要提供标准i o 设 备使用权的切换。其电缆连接框图如图1 3 所示。 3 图1 3 操作表示机标准i o 设备切换系统电缆连接图 f i g u r ei 3c i r c u i tl i n kc h a to f t h es w i t c hs y s t e m 切换系统作用如下： ( 1 ) 实现硬件切换机逻辑控制，保证一时刻只有一台操作表示机处于主用状态； ( 2 ) 实现人机交互设备连接电缆的切换，保证其与起作用的操作表示机相连； ( 3 ) 提供“一键式”的人工切换按钮 切换系统也采用双机热备模式。切换系统可以通过继电器组合的逻辑电路实 现。近年随着电子产品的推广使用，尤其是计算机联锁全电子化的推进，使切换 系统也用电子器件来实现。电子产品以其体积小、耗电少、p c b 板布线规范等特 点，为切换系统节约了空间和耗能，同时也增加了必要的防雷措旋。 1 2 研究及应用现状 常用双机热备的计算机联锁系统主要有以下几种型号：铁科院t y j l - i i 型、通 号设计院d s 6 1 1 型、北京交大j d 认型、卡斯柯信号公司的v p i 型及c i s 1 型。这五 种型号皆采用双机热备模式，均已获得铁道部计算机联锁设备制造特许证。地方 铁路局的计算机联锁多数也采用双机热备模式。下文对国内各种型号计算机联锁 系统的操作表示层( 即上位机子系统) 及其标准i o 设备切换系统进行介绍和比较， 并总结其存在问题。 1 ) 五种特许型号计算机联锁系统上位机子系统及标准i o 设备切换系统【5 1 五种联锁系统设备的操作表示机( 也称控显机) 均采用p c 系列工业控制机， 但操作表示机有不同的工作方式。 d s 6 1 1 型为双机冷备型，平时只有一个操作表示机工作，另一个不上电。 t y j l i i 、j d 1 a 、c i s 1 及v p i 四种型号操作表示机均为双机热备型，即上位a 、 b 机均上电，其中一个为工作机，另一为备机。四种双机热备型的工作模式如图1 4 所示： 4 掣 穴 离商 鬻lj 嚣l 甲甲 i! 广l l i 鬻|l 嚣! t y j l i i 及j d - i a 犁结构c i s - i ) 及v p l 型结构 图1 4 操作表示机热备的工作方式 f i g u r e1 4w o r k i n gt y p e so f o & em a c h i n e s 具体实现上四种型号有所差别：v p i 及c i s 1 型每一操作表示机均有单独的标 准i 0 设备，t y j l i i 及j d 1 a 型为两个操作表示机共用一套标准i 0 设备，在运转室 内设标准i 0 设备切换系统，以进行不同操作表示机之间控制及显示的切换。 下文介绍五种型号计算机联锁系统的操作表示层( 主体是上位机子系统) ，以 及操作表示机标准i 0 设备切换系统的功能。【l 】 ( 1 ) t y j l - i i 型计算机联锁系统上位机子系统及标准i o 设备切换系统 上位机子系统即监视控制系统：主要由监控机和控制台组成。 监控机选用工业p c 机，主要实现人机对话，进路初选。监控系统采用双套配 置同时运行，可以实现人工切换或自动切换。 t y j l - i i 型计算机联锁系统的控制台可采用单元拼装式、数字化仪、鼠标、数 字化仪加鼠标等不同形式，不同形式的控制台其命令采集方法不同。各种控制台 盘面设置及其作用类似于6 5 0 2 电气集中控制台，供值班员办理行车作业用。控制 台与监控机之间用视频线、鼠标线、数字化仪线和语音线相连。 双机切换是双机热备系统的关键所在，在t y j l - i i 型计算机联锁系统中，联锁 机、执表机和监控机均为a 、b 两套，两套设备通过切换实现主备关系的交换，以 保证一套设备发生故障时系统能不间断运行。 切换系统主要由切换控制电路和切换校核电路两大部分组成。 a 切换控制电路 切换控制电路主要包括联锁机切换电路、执表机切换控制电路、监控机及控 制台切换控制电路，实现对联锁机、执表机、监控机的主备切换。它们可以通过 人工控制手柄来实现人工切换，也可以通过计算机自动控制来实现自动切换。 5 b 切换校核电路 校核电路包括联锁机切换校核电路和执表机切换校核电路，主要用来校核切 换手柄、l q h j 、z q h j 及其复示继电器间动作和状态是否一致，从而实现对切换 电路的检查。若发现校核错误时，系统将采取相应安全措施切断输出，保证行车 安全。 ( 2 ) d s 6 1 1 型计算机联锁系统上位机子系统及标准i o 设备切换系统 d s 6 1 1 型计算机联锁系统上位机子系统即控制台子系统，由控制显示微机( 简 称控显机) 、行车控制台、站场显示设备、标准i o 设备切换系统即控显机转换箱 组成。 其中控显机采用p c 总线工业控制机，硬件上采用了双机冷备结构。在控显机 里主要包括主机板、开关量输入输出板和局域网接口板等。行车控制台是办理行 车作业的人机界面。操作方式有按钮式操纵盘、数字化仪和鼠标三种。前两种操 作方式都同时配备鼠标作为备用操作手段。 ( 3 ) j d 1 a 型计算机联锁系统上位机子系统及标准i o 设备切换系统 上位机子系统包括操作表示机、维修机、操作机倒机( 即切换器) 单元以及不 问断电源u p s 。j d 1 a 型计算机联锁系统配有两台操作表示机。均采用高可靠性 的工控机。系统运行时，两台上位机同时工作，一台主用，一台热备，当主用表 示机发生故障时，自动切换到备用表示机。 主用操作表示机运行时，接收鼠标操作，向联锁机发送车站值班员的操作命令， 可播放语音提示信息。备用操作表示机运行时，不接收鼠标操作，不向联锁机发 送值班员的操作命令，不播放语音提示信息。但接收联锁机传来的站场状态信息， 实时显示站场运行情况、系统运行情况等。 操作表示机也称人机对话机，简称上位机。它和联锁机构成上下位分层结构。 操作表示机主要完成以下功能： 办理进路等操作功能：接收车站值班员的按钮操作命令，并将操作命令通过 通信网络传送给联锁机。 信息显示功能t 接收来自联锁机的站场状态数据和提示信息等，在c r t 显示 器或控制台上显示站场情况、系统工作状况、提示信息、报警信息等，对主要的 错误或故障给出相应的语音报警。 信息转发功能：将站场状态数据及提示信息、报警信息、系统状态信息等转 发给电务维修机。 ( 4 ) c i s 1 型计算机联锁系统上位机子系统及标准f o 设备切换系统 上位机子系统的结构：采用了无主并行运行的动态冗余结构，车站值班员可 同时在两台上位机上进行操作，相互不会产生任何影响。两台上位机均采用高可 6 靠性工业控制计算机，计算机配有双网卡和图形加速卡，支持1 6 0 0 1 2 0 0 分辨率， 使上位机界面更加清晰、柔和。 上位机的功能：接收操作员的操作输入，判明操作输入能否构成有效的操作 命令，并将操作命令转换成约定的格式，由网络传输给联锁处理计算机；同时， 接收来自联锁处理计算机的表示信息及系统自检信息，将它们转换成屏幕显示信 息。此外，上位机还设有调度集中调度监督、d m i s 等系统所需的功能界面，可 实现列车车次跟踪、列车早晚点统计、相邻区间及车站行车信息显示。 ( 5 ) v p i 型计算机联锁系统上位机子系统及标准f o 设备切换系统 v p i 型计算机联锁系统上位机子系统即人机界面( m m i ) 模块，其作用是： v p i 与操作员之间的人机接口，能模拟整个站场、轨道电路、信号、道岔等，并给 出不同表示，同时用汉语语音系统给出语音提示或报警。 m m i 结构上采用两台双机热备工控机。 2 ) 地方厂矿铁路计算机联锁系统上位机子系统及标准f o 设备切换系统 ( 1 ) j t - d e 型计算机联锁系统上位机子系统及标准f o 设备切换系统 上位机子系统包括操作表示机和操作表示机倒机( 即切换器) 单元。 系统配有两台操作表示机。均采用高可靠性的工控机。系统运行时，两台上 位机同时工作，一台主用，一台热备，当主用表示机发生故障时，自动切换到备 用机。 系统主要完成以下功能：接收车站值班员的按钮操作命令，并将操作命令传 送给联锁机；接收联锁机的数据和提示信息等，在c r t 显示器上显示站场及系统 状况、提示信息等；显示站场运行状况、车站值班员操作信息、故障信息、系统 运行状况等；记录历史信息，可回放站场的历史运行状况。 ( 2 ) h s 2 0 0 0v s i 型计算机联锁系统上位机子系统及标准f o 设备切换系统 上位机子系统由两个操员站和一个历史监测站组成。操员站采用坚固的工业 p c 机。两个操员站采用双机热备结构，同时采用两套标准f o 设备。其操作表示 机热备工作方式同于图1 4 中v p i 及c i s 1 型计算机联锁系统。 3 ) 目前国内操作表示机标准f o 设备切换系统存在问题： v p i 及c i s 1 型每一操作表示机均有单独的标准f o 设备。该模式无需操作表示 机标准f o 设备切换系统，但是需较多标准f o 设备，造成控制台拥挤，在操作表示 机自动切换时为操作员的操作带来不便。 t y 儿。i i 、j d 1 a 及d s 6 11 型为两个操作表示机共用一套标准f o 设备，在运转 室内设标准f o 设备切换系统，以进行不同操作表示机之间控制及显示的切换。该 模式仅需一套操作表示机标准f o 设备，需要标准f o 设备切换系统。 纵观目前国产的各型计算机联锁系统，其在联锁计算机和采集驱动电路方面 7 均实现了不同程度的冗余设计，但在操作表示机方面却大多仍然停留在冷备或温 备的阶段。如何在不增加或增加较少设备投资的基础上实现操作表示机的无缝热 切换，成为计算机联锁应用部门的迫切要求。本文作者设计的双机热备结构的标 准i o 设备切换系统成功地解决了这个问题。【5 】 1 3 本文主要内容及研究意义 操作表示机标准i o 设备切换系统设计思路如下：通过系统硬件的设计及其相 关软件的编制，实现如下切换系统功能：操作表示机分别输出心跳信号给切换系 统，以传输操作表示机工作状态；切换系统根据两台操作表示机状态，决定操作 表示机主从，保证只有一个有效输出；当主操作表示机故障时，倒向备机；提供 人工切换按钮等。 目前，国内切换系统有多家产品，其从构造到器件都各有特色，尚待统一。 类似文档几乎没有，相关文档较少。论文一方面设计并实现了性能较为完善的切 换系统，另一方面对相关方面信息作了汇总比较。论文主要工作包括： 第一，在总结国内相关技术研究现状的基础上，分析标准i o 设备切换系统的 功能需求，结合计算机联锁系统应用环境对硬件的要求，设计了系统的总体方案， 划分系统层次结构。 第二，在分析系统功能需求基础上，提出了系统的功能分解方案，研制了功 能单元硬件，包括：实现裁决、控制、采集与通信的主控板，切换鼠标键盘信息 的鼠标切换板，切换音频信号的音频切换板，切换视频信号的视频切换板；编制 了针对硬件电路的软件，包括：实现裁决主从、同步、故障诊断处理的主控板软 件，实现鼠标键盘模拟与信息转发的鼠标切换板软件。 第三，将设计的系统应用到实际工程去，完成了切换系统的实验室内调试及现 场调试。 8 2 1 功能需求分析 2 切换系统总体方案设计 2 1 1 系统工作机理 1 ) 操作表示层 操作表示层是指：操作人员通过操作向联锁机构输入操作信息和接收联锁机 构输出的反映设备工作状态和行车作业情况的表示信息。操作表示层的设备设于 车站值班室。j t - d e 型计算机联锁系统的操作表示层结构如图2 1 所示： 一 以太网 臣圣圃爿匦亘 图2 1 操作表示层结构 f i g u r e2 1s t r u c t u r eo f t h eo & e l a y 操作表示层功能【l j ( 1 ) 操作信息处理 对正常操作进行处理，形成有效操作命令，发送到联锁机进行判断、执行， 并在屏幕上给出相应表示，同时对错误的操作给出错误提示，以及时纠正。操作 按钮主要有以下几种：列车按钮、调车按钮、道岔按钮、功能按钮、闭塞按钮。【6 】 ( 2 ) 表示信息处理 对现场信号设备( 道岔、信号机和轨道区段) 以及联锁控制系统本身的状态，在 屏幕上实时地给出显示，使值班员能随时监督现场设备的运用情况。表示信息主 要有以下几种：区段显示、道岔显示、信号显示、功能按钮名显示、道岔名和信 号名显示、操作提示及工作状态提示。 6 1 另外，在计算机联锁系统中根据需要会设置电务维修机，实现维护与管理信 息处理功能：对现场的信号设备的故障状态，在屏幕上及时地给出特殊的显示， 以便使维护人员迅速、准确地查找故障；自动记录并储存值班员办理作业的时间 9 及被操作的按钮。 2 ) 操作表示机标准i o 设备切换系统 如图2 1 所示，操作表示层是切换系统的应用环境，图中灰色部分是切换系 统的组成。切换系统对两台热备的操作表示机和标准i o 设备都有接口，在操作 表示层中把操作信息传给主操作表示机，把主操作表示机的表示信息传给标准i o 设备。 2 1 2系统功能需求 操作表示机标准y o 设备切换系统在计算机联锁系统的操作表示层中，对外功 能需求是切换标准y o 设备。采用双机热备的冗余设计，实现操作表示机的自动切 换和人工切换是提高系统可靠性和可维护性的重要手段。目前国产的各型计算机 联锁系统，操作表示机大多仍然停留在冷备或温备的阶段。如何在不增加或增加 较少设备投资的基础上实现操作表示机的无缝热切换成为计算机联锁应用部门的 迫切要求。 4 1 对切换系统自身而言，出于提高可靠性方面考虑，有切换系统故障自诊断以 及冗余容错的功能需求。本文设计的切换系统自身具有双机热备结构。文中对于 单套切换设备称切换装置，对于双机热备的切换装置称切换系统。如果操作表示 机标准y o 设备切换方案选用单套切换装置，则在切换装置故障时，整个计算机联 锁系统可靠性及可用性将受到影响，故而采用双机热备模式切换系统能够有效提 高操作表示层的可靠性，进而提高计算机联锁系统的可靠性。 对切换系统的电子电路的设计而言，切换系统还有其它辅助功能需求。 综上所述，切换系统的功能需求如下： 1 ) 标准y o 设备切换功能需求 ( 1 ) 切换系统根据双机热备的操作表示机的状态，决定操作表示机主从关系， 在主机故障时倒入备机，切换输出回路，保证只有一个有效输出； ( 2 ) 操作表示机分别输出心跳信号给切换系统，切换系统判定双机工作状况； ( 3 ) 开机时，操作表示机通过开机顺序争抢主机权； ( 4 ) 当主机故障时，备机正常时，倒向备机； ( 5 ) 主备机工作状态回读，便于及时维护； ( 6 ) 在操作表示机双机都正常时提供人工切换按钮。 2 ) 切换系统自身功能需求 ( 1 ) 故障检测功能需求 切换系统自身故障必须及时发现并有效处理。如果切换系统自身故障不能及 1 0 时处理，那么作为操作表示机增加的切换环节反而影响了操作表示层的可靠性。 所以切换系统自身要有故障自诊断功能。 ( 2 ) 冗余容错功能需求 切换系统自身也采用双机热备结构。双机在开机时通过上电先后裁决主从。 正常工作中，互换工作状态以裁决主从。通过双机通讯保持切换控制命令的同步， 以便在主切换装置故障时候能够无缝切换到备用切换装置。 ( 3 ) 辅助功能需求 辅助功能需求指针对电子电路在现场的应用中必须使用的辅助电路。主要指 防雷需求、信号隔离需求。 2 1 3系统可靠性需求 1 ) 系统的可靠性评价指标【7 】 ( 1 ) 系统的可靠度：r ( t ) ，系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功 能的概率称为系统的可靠度。系统的可靠度通常随时间增加而减小。 ( 2 ) 平均无故障间隔时间t ：m t b f ，指系统运行至发生第一次故障的期望时间 t m b f - j c o r ( ，) d t ( 2 1 ) ( 3 ) 平均修复时间t ：m t t r ，指可修系统修复时间的数学期望时间 t m t f = f t x g ( t ) d t ( 2 2 ) 式中双t ) 为维修密度函数。 2 ) 双机热备结构 双机热备结构有如下2 种方式：网 一般双机热备方式：两个单元都加电工作，不过只有主单元能够控制被控对 象。每个单元都具有故障检测和诊断功能，当主单元检测到本身出现故障后，系 统将切换到备用单元继续工作，直至备用单元故障导致系统失效；当备用单元检 测到本身出现故障后，系统将之隔离，由主单元继续工作，并且主单元检测到故 障后不再切换，系统失效。 相互比较的双机热备方式：该方式相对于一般双机热备结构。在每个单元进 行故障检测的基础上附加了两个单元之间进行结果比较的功能。如果两单元之间 的结果不一致并且能够检测到哪个单元失效，则进行切换；否则系统输出关闭。 出于系统复杂度及系统可靠性需求考虑，本文系统采用一般双机热备的方式。 系统由两个独立的模块组成。两个独立模块都能独立完成规定的同样功能。双机 热备系统中，每一个模块相当于一个单机。正常工作时，两个模块都加电工作， 不过其中只有个模块的输出能控制被控对象，即其输出是有效的，另一模块的 输出是无效的。每个模块都有自检测自诊断功能，当模块发现自身出现故障时， 就给出控制信号，驱使切换开关进行适当切换并给出故障报警和提示。 双机热备系统是当前经常采用的一种容错冗余系统。采用双机热备系统的目 的是为提高系统整体的可靠性。 3 ) 切换系统的可靠性需求 随着计算机联锁技术的逐渐成熟，我国自主研制的各型计算机联锁系统在国 有铁路和地方铁路中得到越来越广泛的应用。铁路信号系统是保证行车安全的实 时控制系统，它必须具有高度的可靠性和安全性。【9 】 切换系统旨在节约操作表示台的设各和空间。在操作表示层的可靠性模型中 相当于增加一个串联环节。如果切换系统的可靠度r ( t ) 、平均无故障间隔时间 m t b f 、有效度a ( t ) 不高，会使得计算机联锁系统的操作表示层可靠性下降，反而 影响了联锁系统的可靠性，可用性。如果切换系统故障时的平均修复时间m t t r 太长，也会影响车站的作业效率，从而影响了计算机联锁系统的可用性。所以切 换系统的可靠性有较高要求。 切换系统作为计算机联锁系统一部分，必须是高可靠的。通常要求计算机联 锁系统要求： m t b f 1 0 6 ( h ) ( 2 3 ) 大概1 1 4 年左右嘲。 为了满足系统的可靠性，本文把计算机联锁系统中常用的双机热各的冗余容 错结构引用到标准i o 设备切换系统中来。即切换系统由两套切换装置以双机热各 模式组成，每单套切换装置都能够独立完成裁决、切换等任务，正常工作时主切 换装置完成任务，故障时切换系统自身诊断并且倒向备用切换装置。 2 2 系统总体设计 2 2 1系统结构及功能设计 切换系统的控制层次如图2 2 所示【1 0 1 。其控制层次可以分为组织级、协调级和 执行级。 系统的控制层次说明如下：【1 1 1 组织级：是分层控制系统的最上面一层。它的作用是对于给定的外部命令和 任务，设法找到能够完成该任务的子任务组合。 协调级：是分层控制结构的中间层，它接收从组织级传递过来的命令，经过 1 2 实时信息处理，产生一系列可供执行级执行的具体动作的序列。 执行级为硬件控制级，是可执行动作序列的最终执行单元。 图2 2 切换系统功能分层结构 f i g u r e2 2d e l a m i n a t e df u n c t i o ns t r u c t u r eo fs w i t c hs y s t e m 具体各层在切换系统中作用如下： 组织级和协调级： 切换系统在功能上智能成分较低，所以组织级和协调级可以合并在一个处理 器上。组织级在切换系统中起到接收操作表示机命令和用户手动操作命令的作用。 操作表示机向切换系统发送的命令主要有：查询切换系统状态的命令、切换操作 表示机主从的命令及互换切换装置主从的命令。人工操作命令主要有：在操作表 示机都正常工作情况下，切换操作表示杌主从的按钮操作命令。之后，协调级寻 找完成命令的执行单元，发送出可供执行单元执行的动作序列。 组织级和协调级在切换系统中制成如下功能单元；主控板。 执行级：接收发来的切换命令并且执行。执行级在切换系统中根据切换信号 种类的不同划分为如下3 个执行单元：鼠标切换板、音频切换板和视频切换板。 2 2 2系统逻辑设计 下文从系统初步功能需求开始，到系统的辅助功能、可靠性需求，分层次实 现了系统的逻辑设计。 1 ) 切换系统初步功能需求：切换2 台操作表示机对标准v o 设备的使用权； 实现方案：配单刀双掷开关电路。如图2 3 所示。 图中有2 台互为热备关系的操作表示机( 使用工业控制机) ，和一套标准i o 设备。2 台操作表示机互为主从关系。主操作表示机拥有标准i o 设备的使用权。 1 3 3 个联动的单刀双掷开关在操作表示机主从关系互换时候要保证标准i 0 设备的连 接电缆切换到从操作表示机上，以完成使用权的交接。 露阐湖 。瀑遵剿? 一麓鹂纛纛蔫荔瑟镧 露弼 鬻梨期 嗵留。娄寰。霭霎罗 r oo oo 。一；： s i 一一 ： _ _ _ _ 一 s 2 i 一一1 。一 i s 3 f 一一， ：! r i 锑l 鼠 i 竺【 者标 ：箱l 键 f 器 l 稍f l 嚣j 图2 3 系统初步功能需求解决方案 f i g u r e2 3s o l u t i o no f15 s y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t 2 ) 切换系统第二步功能需求： ( 1 ) 主从操作表示机识别 ( 2 ) 同时切换三类信号 f 3 1 自动手动切换 实现方案：增加处理器 切换系统第二步功能需求指： ( 1 ) 操作表示机的主从地位要有标志位来记录，主从地位的切换要有命令的产 生单元、发送单元、接收单元和执行单元。 ( 2 ) 在操作表示机切换主从地位时候，外设的切换要做到同步。图2 3 中的3 类信号线