轨道交通信号系统中冗余技术研究.docx

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1、T 技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATIONDOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2022.01.003轨道交通信号系统中冗余技术研究摘要 ：对双网和双机热备的控制策略和逻辑进行说明。双网控制没有采用传统的主备方式，而是同时在两个网络上进行相同的信息传递，由节点的中间层软件对网络报文进行处理，无需切换。提高了效率，双机热备在双网络的基础上，通过冗余心跳信号进行双方主备状态的监视和管理，并对双机存在的信息孤岛问题提出了对应的解决方案。关键词 ：冗余 ；双机热备 ；双网控制 ；ATS中图分类号 ：U239.5文献标志码 ：A文章编号 ：1673-4440(202

2、2)01-0012-04Abstract: This paper mainly introduces the control strategy and logic of dual-network and dual hot- standby system. The traditional master-backup control method has not been used for dual-network, but the same information is transmitted on the two networks at the same time, and the middl

3、e layer software of network node equipment is responsible for parsing messages. This dual-network structure does not need switching, and improves efficiency. On the basis of dual-network, dual hot-standby system monitors and manages the active and backup status through the heartbeat signals. This pa

4、per also provides a solution to the information island problem which exists in hot-standby system.Keywords: redundancy; dual hot-standby; dual-network control; ATS轨道交通作为运输效率高、绿色环保的交通出行方式，对于缓解城市拥堵，方便出行以及拉动地区经济增长都有重要作用。近年来，国家也高度重视轨道交通领域的发展，先后发布一系列轨道交通发展规划，均强调重点发展轨道交通装备等先进制造业。收稿日期 ：2020-12-30 ；修回日期 ：20

5、21-02-04作者简介 ：王涛（1983 )，男，工程师，硕士，主要研究方向 ：轨道交通信号系统设计开发，邮箱 ：wangtaoqdchs. com。121 信号系统的冗余设计信号系统的作用类似于行车指挥的大脑，制定全线运营计划，监控全线列车运行，确保列车运行安全。由于信号系统高可靠性、可用性等要求，因此在设计时，会采用冗余、热备等设计方法。如在 CTC 调度集中系统，或地铁 CBTC 系统的 ATS 子系统中的服务器设备通常采用热备配置 ；信号系统的网络通常采用冗余方式。铁路通信信号工程技术(RSCE) 2022年1月，第19卷第1期地铁 CBTC 信号系统中，中心 ATS 子系统的典型结

6、构如图 1 所示。ATS 系统核心的服务器采用热备结构，主机进行输入、运算和输出，从机同时工作，但不进行输出。网络采用红蓝双网的结构，双网同时进行工作和数据传输，由节点设备的通信层软件来决定双网数据的取舍。RSSP 协议等。如图 2 所示。网络节点 应用层A网 B网通信层OS层图 通信层结构工调作度站中(心冗余网)络工调作度站运工行作图站编辑背投工作站接口工维作修站冗余骨干Fig.2 Communication layer structure由于通信层的存在，冗余网络对于应用层透明。应用程序无需关心具体的双网控制，只需与通信层发生数据交互。具体来说是由通信层向双网络发送服务器数据库 (冗余)服

7、应务用器外部系统服(冗务余器)交换机相同数据，同时从两个网络接收数据。应用层和通信层的接口在软件设计时，可以考虑采用 API 或进图 中心ATS典型结构磁盘阵列(冗余)PIS/PA/ISCS等车站级ATS程间通信等方式。Fig.1 Typical structure of central ATS2 双网控制配置冗余交换机，同时节点设备（工作站、服务器等）采用多网卡方式组成完全冗余的网络。在该方式中，其中一个网络的异常不会影响系统通信，仍可保证连续的数据通讯。2.1 网络划分2.3通信场景1）通信正常应用程序发送数据至通信层，由通信层向 A、 B 双网发送相同数据，而接收节点可从两个网络收到数据

8、，但只有先到达的数据会被采用，后到的数据将会被通信层丢弃。如图 3 所示，节点 1 发送的数据通过 A、B 双网到达节点 2 后，节点 2 的通信层优先使用先到数据，后到数据被丢弃。为满足冗余要求，两个网络配置 C 类 IP 地址，节点节点并分配不同的 IP 地址段，如表 1 所示。表 1 IP地址分配序号网络地址 / 掩码12A网 B网 192.168.1.X/24192.168.2.X/24Tab.1 IP address allocationAB网APPAPP通信层数据丢弃通信层图 正常时通信流程数据2.2 通信层介绍为满足两个网络同时进行数据收发需求，在网络节点设备（服务器、工作站、控

9、制设备等）中通过软件的方式进行控制。同时，考虑到软件模块化、通用性、可移植性等要求，通常采用在系统层和应用层之间设置通信层（也被称为中间层）的方式，由通信层完成双网络的控制逻辑。同时，也可在通信层完成其他功能扩充，如实现铁路安全通信Fig.3 Normal communication flow2）单网故障在此场景下，由于在双网中同时有数据传输，因此当单个网络有故障时，会自动从正常网络获取到信息，无需进行切换，也不会造成时延。如图 4 所示。同时，通信层对两个网络的状态进行监视，如确定其中一个网络发生故障，则自动舍弃该网络，连续从另一网络收发数据。13T 技术创新ECHNOLOGICAL INN

10、OVATIONCopyright博看网 . All Rights Reserved.通信层APP节点图 单网故障时通信流程A网 B网节点APP通信层数据B网故障接管，提升整体的可用性。如图 1 中的 ATS 结构，对于数据库服务器，通常采用配置商用热备软件的方式，来进行管理和确保数据的完整性 ；但对于其他如应用服务器、接口Fig.4 Communication flow in case of single network failure2.4控制逻辑发送时，通信层将相同的数据向两个网络发送，进行双网传输。开始接收网络数据接收成功 No NoYes报文校验正确序号正确Yes No 设置错误代码向

11、应用层返回结束Yes接收时，通信层对两个网络的报文都进行接收，成功后向应用层返回报文。接收的流程如图 5 所示。服务器等，为了更加灵活和方便的控制，通常由信号系统自行设计的热备软件来进行控制。3.1 状态迁移图双机热备系统中，其中一方为主系，另一方为从系。主系接收数据，进行运算后对外输出 ；从系接收数据，独立进行运算，但不对外输出。当主系出现故障时，系统将自动进行主从系切换，主从系的状态迁移如图 6 所示。系启动系启动系主 停止系停止系停止主系 从系主系停止止停 停止系，系停止系，系停止图 主从状态迁移系启动图例：系停止系启动主系停止系 系止停 主系系停止系从 主系图 通信层接收流程Fig.5

12、 Communication layer receiving flow可在软件中通过绑定 INADDR_ANY 地址，即0.0.0.0 的 IP 地址的方式，对节点设备来自 A、B双网的数据同时进行接收。通过 CRC 等方式对报文正确性进行校验，此校验也可不在通信层实现，由应用层进行校验。通常序号范围可以从 0x0001-0xFFFF, 在每次报文发送时进行循环累加。正常情况下，接收到的序号应为累加状态。当序号相同时，说明接收的是双网络的冗余报文 ；当接收的序号变小时，报文传输可能存在问题，需根据不同情况来具体分析和应对。3 双机热备双机热备是在两台处理设备上运行各自独立的应用，当其中一台设备

13、故障时，由另一台设备进行14Fig.6 Main/standby state transition图 6 中，为了标记，热备的两台设备分别被命名为 1 系和 2 系。正常运行时，两系为一主一从，当故障发生时，进行切替。3.2 主从切替双机间通过心跳线和互发心跳报文的方式监测对方状态。本文直接将双机设备接入至冗余的双网中，作为心跳线。主从切替如图 7 所示。图 7 中，1 系为双机中的主系，2 系为从系，双方周期性互发心跳报文。当 2 系 3 个周期内未收到 1 系心跳时，判断 1 系故障，并根据图 6 中的迁移状态升级为主系，接替 1 系的控制。除以上被动的心跳监视进行切替的方式，同时对本机状

14、态进行自监视，当发现自身异常时，及时通知对方进行状态切替。铁路通信信号工程技术(RSCE)2022年1月心跳报文开始本机作为从系启动发送心跳信息接收对方心跳接收成功Yes对方是主系 No Yes本机为主Yes超时No系单机运行中 本机为从系双机运行中 执行默认主从配置结束 msB网A网系（从系）系（主系）图 主从切替Fig.7 Main/standby system switching3.3 信息孤岛的处理当 1 系与 A、B 双网的连接断开，会形成信息孤岛，如图 8 所示。此时由于 1、2 系都接收不到对方心跳，都会升级成为主系，因此当故障恢复时会造成双主状态，此种情况应避免。通过对本机的以

15、太网状态进行监视，当发现 A、B 双网都为断开时，程序自动停止，需通过人工介入的手动方式才可恢复，避免故障恢复后变为双主状态。系（主系）BA网网系（从系）图 系形成信息孤岛Fig.8 The system 1 forms an information island3.4 启动流程主从双方的心跳报文中包含本机的状态信息（即本机是主系或从系）。启动时，通过心跳报文的接收情况和状态信息来对自身状态进行设定。如图 9 所示，本机启动时，状态初始为从系，并根据接收心跳报文的情况确定是否进行状态迁移 ：如对方离线，则直接切换为主系运行 ；如对方在线，且以主系运行，则本机作为从系运行，无需切换 ；如对方在线

16、，且以从系运行，此时通过执行预先的默认配置来强制确定主从。如可默认双机中的 1 系为主系，2 系为从系。4 结束语双网控制和双机热备的冗余技术在信号系统中有着广泛应用。本文所提出的通过软件实现双网和Fig.9 Start-up flow chart图 启动流程线应用，通过实际应用证明，可满足系统的业务需求，并提升系统可用性和可靠性。参考文献1 王秀娟 . 调度集中系统中双机热备机制的实现 J. 北京交通大学学报，2009，33(2):26-29. Wang Xiujuan. Research and Realization of Hot Standby for Centralized Trac

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19、08.（下转 23页）15证列车以最优的路线抵达目标股道进行标准作业。 Dijkstra 算法的实现，大大减少信号调度人员的工作量，保证调度工作的准确完成，中间的全自动过程为后期实现全面无人驾驶打下了坚实的基础。参考文献1 张红麟 . 用虚拟坐标法计算指定顶点对间最短经路 J. 铁道学报，1993，15(2):114-116.2 丁昆 . 铁路编组站 C I P S 系统的研究 J . 中国铁路，2009(11):27-31.3 董飞 . 铁路编组站 CIPS 自动统计系统研究 J.中小企业管理与科技 ( 中旬刊 )，2016(5) :163- 164.4 丁昆 . 研发中的编组站综合集成自动

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