CN102001348B - 基于cpci总线技术的双机热备系统切换的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法，其特征是它包括以下步骤：首先，为车头和车尾的驾驶室安装一台ATP和两台ATO，ATP为3取2架构，两台完全相同的ATO设备（ATO1、ATO2）互为热备；其次，列车正常运行时只有列车运行前方的车头驾驶室的ATP/ATO工作，车尾驾驶室不加电，当列车进入折返区域时，原前进方向的车头驾驶室司机通过按驾驶台上的“AR”键接通车尾驾驶室的ATP/ATO工作，车头和车尾的驾驶室中的ATP/ATO交换信息，按行驶方向交换驾驶权，原车尾驾驶室换向后变为车头驾驶室，并切断原车头驾驶室ATP/ATO的电源；第三，单套ATO冗余自动切换采用双机互备的热备方式。本发明系统硬件配置简单，系统成本较低，接口丰富，便于测试与调试。

Description

基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法

技术领域

本发明涉及一种轨道交通技术，尤其是一种轨道交通中用于提高运行安全可靠性的热备切换方法，具体地说是一种基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法。

背景技术

众所周知，ATO系统（列车自动驾驶）是城市轨道交通信号系统的重要部分，用来完成列车自动运行和在车站精确停车。在城轨交通系统中通过ATO系统功能的实现，能够达到提高行车效率、降低系统成本、减少司机劳动强度的目的。对提高城市轨道交通高效运行起到了重要作用。

作为地铁车辆运行的直接控制设备，采用双机热备的方式不仅保证了车辆的运行效率，而且提高系统运行的稳定性安全和可靠性。双机热备有多种应用模式，主要包括主从和互备等。

主从模式是指使用两台同样的设备，一台作为主机(Active)，运行系统任务。另一台作为备机，安装完全一样的应用系统，但处于待机状态(Standby)。当主机出现故障的时候，通过软件诊测将备机激活，保证应用在短时间内完全恢复正常使用。

双机互备，在双机热备的基础上，两个相对独立的应用在两台机器同时运行，但彼此均设为备机，当某一台设备出现故障时，另一台设备可以在短时间内将故障设备的任务接管过来，从而保证了应用的持续性。

据申请人所知，目前尚无相关的双机互备切换方法可供采用。

发明内容

本发明的目的是针对目前地铁系统中急需开发有双机互备系统，发明一种基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法。

本发明的技术方案是：

一种基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，在列车头尾驾驶室各安装一套ATP/ATO装置，每套装置由一台ATP和两台ATO组成。ATP为3取2架构，两台完全相同的ATO设备（ATO1、ATO2）互为热备；每台ATO内均采用基于CPCI总线的CPU板，计算速度曲线和管理接收到的数据，并提供以太网接口。所有输入和输出模块通过CPCI总线与主板进行信息交换。

其次，列车正常运行时只有列车运行前方的车头驾驶室的ATP/ATO工作，车尾驾驶室不加电，当列车进入折返区域时，原前进方向的车头驾驶室司机通过按驾驶台上的“AR”键接通车尾驾驶室的ATP/ATO工作，车头和车尾的驾驶室中的ATP/ATO交换信息，按行驶方向交换驾驶权，原车尾驾驶室换向后变为车头驾驶室，并切断原车头驾驶室ATP/ATO的电源；

第三，单套ATO冗余自动切换采用双机互备的热备方式，热备切换操作分为应用层和底层硬件两层；在应用层，主从机通过RS422串行接口发送心跳报文，由CPU监督对端的工作状态；一旦出现应用层的程序不正常时，系统软件本身无法切换设备的输出，此时在底层硬件通过CPLD的逻辑来实现对对端的监控，主从两端通过硬件电路得到对端的工作状态。

    所述的应用层切换是指，在应用层系统由两台ATO单元组成，驾驶室中车载信号控制设备内安装两台ATO，彼此互为热备，有主次之分。两台ATO的输入输出互联，正常情况下两台ATO控制器同时采集输入信号，接受相同的指令，运行相同的程序，各自独立工作并通过RS422串口通过心跳报文彼此交换状态信息，主ATO正常工作时，从ATO输出关闭；一旦主ATO出现故障，次ATO在允许的时间内切换顶替主机工作，同时在HMI上提示ATO故障信息，并切断主ATO输出；主ATO修复后，上电并取回控制权。

所述的底层硬件切换是通过ATO中的数字输入/输入板上的CPLD逻辑实现的，CPLD通过光电隔离实现对外的数字接口的输入输出，同时可以实现对对端板及模拟信号板的输出控制；ATO在正常工作的时候，CPLD的逻辑通过判断I/O端口的输入电平状态来监督对端的工作状态，以实现输出的互锁；在底层硬件上，ATO1和ATO2是对等的。

本发明的有益效果：

本发明采用基于CPCI总线技术的ATO系统，控制器采用了高速的CPCI总线，技术成熟、使用广泛，系统处理I/O数据的速度快，产品易于升级换代、接口方便扩展，性价比高，便于批产。而采用双机热备的方式可以提高系统性能指标，满足地铁运行的要求。有利于提高地铁系统的运行效率、缩短行车间隔、节能、保障旅客舒适度以及促进运营管理的现代化。

头尾驾驶室对称设计可满足城市轨道交通应用的需求。

一个驾驶室内ATO热备比在车头车尾驾驶室热备容易实现无扰切换。

系统硬件配置简单，系统成本较低，接口丰富，便于测试与调试。

操作简单，自动化控制程度高，提高了系统的可靠性和可用性。

附图说明

 图1是本发明的ATO系统配置示意图。

图2是本发明的ATO系统机箱布局示意图。

图3是本发明的单台ATO系统组成框图。

图4是本发明的主从机切换状态转换示意图。

图5是本发明的底层硬件切换框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1所示，本发明的ATO系统车头车尾各置一套，每套设备由2台相同硬件的ATO单元组成。

如图2所示，每台ATO主要由以下设备组成：

     CPU板：采用基于Intel微处理器的CPCI单板计算机控制ATO的输入和输出，计算速度曲线和管理接收到的数据，提供以太网接口。

     数字I/O板（两块，分别为数字I/O板1和数据I/O板2）：是一个基于PCI局部总线的8路输入，8路输出数字量接口电路板。

     通讯板：每台ATO控制器需要4路RS422接口，可通过CPCI总线进行扩展。

     模拟板：提供两路模拟信号（4-20mA）输出。

     电源板：提供24V直流电源。

单台ATO单元的组成框图如图3中虚线部分所示，各部分接口关系如下：

    串行通讯接口：提供ATO与车载ATP系统，TI和冗余ATO单元的的信息交互，以及测试维护接口。

     以太网接口：提供ATO与ATP、DCS等交互信息。

     数字I/O接口：主要通过继电设备实现车载ATO处理单元与列车门开关、指示灯等列车状态的控制。

     模拟接口：为车载传感器，如里程计与速度处理板等提供车辆控制器牵引、制动的量值信号。

本发明的ATO系统可实现的功能有：

     单套ATO冗余自动切换；

     列车折返ATO自动切换；

     采用实时操作系统VxWorks和CPLD逻辑器件，可实现应用层和底层的切换。

    系统各部分具有工作状态的自动诊断功能，提供故障告警与热备切换信息。

具体的切换方法如下：

一种基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法，它包括以下步骤：

    首先，为车头和车尾的驾驶室安装一台ATP和两台ATO，ATP为3取2架构，两台完全相同的ATO设备（ATO1、ATO2）互为热备；每台ATO的CPU主板采用基于Intel微处理器的CPCI单板计算机控制自身的输入和输出，计算速度曲线和管理接收到的数据，并提供以太网接口；ATO控制机箱采用标准3U高度加固型结构的CPCI计算机。

第二，        列车折返ATO自动切换

列车正常运行时只有列车运行前方驾驶室的ATP/ATO工作，后方驾驶室不加电。当列车进入折返区域时，原前进方向驾驶室司机通过按驾驶台上的“AR”键接通后方驾驶室的ATP/ATO工作，二驾驶室ATP/ATO交换信息，按行驶方向交换驾驶权，原后方驾驶室换向后变为前方驾驶室，并切断原前方驾驶室ATP/ATO电源。

第三，单套ATO冗余自动切换

本发明采用双机互备的热备方式。热备切换操作分为应用层和底层硬件两层。在应用层，主从机通过RS422串行接口发送心跳报文，由CPU监督对端的工作状态。但一旦出现应用层的程序不正常时，系统软件本身就会无法切换设备的输出。此时在底层硬件通过CPLD的逻辑来实现对对端的监控。主从两端通过硬件电路（常规电路，可参照本发明的图3、5自行设计实现）得到对端的工作状态，从而提高了系统的安全性和可用性。

（1）应用层切换

在应用层，系统由两台ATO单元组成，驾驶室中车载信号控制设备内安装两台ATO（在一个机箱内），彼此互为热备，有主次之分。两台ATO的输入输出互联，正常情况下两台ATO控制器同时采集输入信号，接受相同的指令，运行相同的程序，各自独立工作。通过RS422串口通过心跳报文彼此交换状态信息，主ATO正常工作时，从ATO输出关闭。一旦主ATO出现故障，次ATO在允许的时间内切换顶替主机工作，同时在HMI上提示ATO故障信息，并切断主ATO输出。主ATO修复后，上电并取回控制权。

ATO主从机切换状态转换图如图4所示：

     主机正常时，只输出主机的报文及信号，从机不输出。若从机此时不正常（主机收不到或收到的从机心跳报文错误），则主机上报从机错误状态。

     主机不正常时（从机收不到或收到的主机心跳报文错误），则由应用层将输出切换到从机，只输出从机的报文及信号，主机不输出。并由从主机上报主机错误状态。

     从机工作时，不断的监听主机的心跳报文，一旦主机正常工作，主机应用层立即切断从机的输出，夺回输出权。

     主、从机工作都不正常时，由于ATP读不到任何心跳报文，ATP将ATO关闭。

（2）底层硬件切换

本方案中的底层硬件的的切换通过DI/DO板的CPLD逻辑实现的。在本系统中CPLD主要通过光电隔离实现对外的数字接口的输入输出，同时可以实现对对端板及模拟信号板的输出控制。ATO在正常工作的时候，CPLD的逻辑通过判断IO端口的输入电平状态来监督对端的工作状态，以实现输出的互锁。在底层硬件上，ATO1和ATO2时是对等的。具体实现方式如图5所示：

     CPLD2的的数字光电输入读取CPLD1的逻辑输出。

当ATO1工作时，ATO1的CPLD的输出口发出一定频率的脉冲，ATO2通过光电输入读取ATO1的脉冲。一旦ATO2读不到ATO1的脉冲，则ATO2通过继电电路关闭对端的输出，同时通过CPLD上与ATP的交互信号上报ATP系统。

     CPLD1的数字光电输入读取CPLD2的逻辑输出。

当ATO2工作时，ATO2的CPLD的输出口发出一定频率的脉冲，ATO1通过光电输入读取ATO2的脉冲。一旦ATO1读不到ATO2的脉冲，则ATO1通过继电电路关闭对端的输出，同时通过CPLD上与ATP的交互信号上报ATP系统。

     当CPLD1和CPLD2的逻辑输出都不正常时，此时ATP收不到任何脉冲信号，立即关闭ATO整板输出。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于CPCI总线技术的双机热备系统切换的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

 首先，在列车头尾驾驶室各安装一套ATP/ATO装置，每套装置由一台ATP和两台ATO组成；ATP为3取2架构，两台完全相同的ATO设备（ATO1、ATO2）互为热备；每台ATO内均采用基于CPCI总线的CPU板，计算速度曲线和管理接收到的数据，并提供以太网接口；所有输入和输出模块通过CPCI总线与主板进行信息交换；

其次，列车正常运行时只有列车运行前方的车头驾驶室的ATP/ATO工作，车尾驾驶室不加电，当列车进入折返区域时，原前进方向的车头驾驶室司机通过按驾驶台上的“AR”键接通车尾驾驶室的ATP/ATO工作，车头和车尾的驾驶室中的ATP/ATO交换信息，按行驶方向交换驾驶权，原车尾驾驶室换向后变为车头驾驶室，并切断原车头驾驶室ATP/ATO的电源；

第三，单套ATO冗余自动切换采用双机互备的热备方式，热备切换操作分为应用层和底层硬件两层；在应用层，主从机通过RS422串行接口发送心跳报文，由CPU监督对端的工作状态；一旦出现应用层的程序不正常时，系统软件本身无法切换设备的输出，此时在底层硬件通过CPLD的逻辑来实现对对端的监控，主从两端通过硬件电路得到对端的工作状态；

所述的应用层切换是指，在应用层系统由两台ATO单元组成，驾驶室中车载信号控制设备内安装两台ATO，彼此互为热备，有主次之分；两台ATO的输入输出互联，正常情况下两台ATO控制器同时采集输入信号，接受相同的指令，运行相同的程序，各自独立工作并通过RS422串口通过心跳报文彼此交换状态信息，主ATO正常工作时，从ATO输出关闭；一旦主ATO出现故障，次ATO在允许的时间内切换顶替主机工作，同时在HMI上提示ATO故障信息，并切断主ATO输出；主ATO修复后，上电并取回控制权；

所述的底层硬件切换是通过ATO中的数字输入/输入板上的CPLD逻辑实现的，CPLD通过光电隔离实现对外的数字接口的输入输出，同时可以实现对对端板及模拟信号板的输出控制；ATO在正常工作的时候，CPLD的逻辑通过判断I/O端口的输入电平状态来监督对端的工作状态，以实现输出的互锁；在底层硬件上，ATO1和ATO2是对等的。

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