基于ADS的铁路信号监控系统集成方案与设计

孔青宁 ，樊 超

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，硕士研究生，甘肃 兰州 730070）

铁路信号设备是铁路运输的基础设施，是保证行车安全，提高运输效率和改善劳动条件的安全关键设备。铁路信号监控系统作为铁路信息化的组成部分，可以为行车调度、救援指挥、防灾安全、客运服务调度等提供直观先进的辅助决策手段，对于保障线路的安全运营，提升服务质量具有重要作用。

目前，在国内铁路信号控制系统之间，信号控制网络和铁路基础信息网络之间都还是彼此孤立的。为了适应铁路信息化的要求，根据信号系统的实际需求，应当建立起能够与其他铁路系统集成的监控系统，基于ADS的铁路信号监控系统集成，是可供选择的理想方案。

1 自律分散系统理论

自律分散系统ADS（Autonomous Decentralized System）是近年由日本东京工业大学Mori实验室的Kinji Mori教授首先提出的一个基于系统模型的概念。自律分散的思想是向生物学习而提出来的。在生物体中，每个细胞具有相同的遗传信息。据此，在ADS中构成系统的各个节点具有相同的潜在能力，任何一个节点可从其它节点接收信息，然后选择必要的信息加以自律地处理〔1〕。

1.1 ADS的基本构成 最基本的ADS由原子节点（atom）和数据域（data field）组成。其基本结构及信息形式，如图1所示。

图1 ADS体系结构示意图

1.2 节点 节点（atom）是ADS构成的最基本的自律单元。在物理网络中，它对应于计算机、智能设备或其他硬件。每个节点都能独立地从数据域中提取信息并进行内部处理，同时又主动以广播方式向数据域发送处理结果及其他内部信息，发出的信息在数据域中循环。节点之间没有直接耦合关系，因而降低了系统的整体复杂性。

1.3 数据域 数据域（Data Field）是ADS中信息传播的空间。物理概念上，它相当于网络或存储器。一方面所有节点主动地向数据域发送信息，同时各个节点又根据自己所需从数据域中取走信息，以完成内部模块的功能〔2〕。

1.4 组广播 在自律分散系统中，最基本的通信方式是广播。基于它的通信方式可以把同一数据域中关系相近的多个节点划分为1个组播组（Mutli⁃cast Group），这样便于信息发送管理。节点可以根据本身需求加入1个或多个组播组。组播组不能跨越数据域，其最大等于数据域。

数据域和广播的通信方式是实现ADS系统模型的关键。定义自律分散系统有2个前提：一是系统中有故障是正常现象；二是系统是由子系统组成。首先必须存在子系统，整体系统是不能事先定义的，只能定义为子系统的集成。其中某些子系统可能处于故障状态、正在进行改进或维修。

自律分散系统有两大特性：自律可控性和自律可协调性。利用这种系统特性构建的系统较好地保证了在线扩展、在线维护及容错，这些特点与不断发展变化的监控要求非常吻合。

2 铁路信号监控系统模式设计

铁路信号监控系统集成化设计应遵循如下原则：

1）系统应具有高适应力，能满足无法估计的需求，允许系统在线进化生长。铁路提速推动了信号技术的跨越式发展，提速道岔分动、多点牵引、外锁闭转换设备全面上道，对于信号监控系统而言，监测和控制对象的更新和增加，系统的规模逐渐扩大，监控系统只有具备良好的在线生长和扩展功能才能满足发展的要求。

2）系统应具有容错能力，故障修复时不影响系统稳定性。铁路信号设备种类多，当某一个设备或者子系统出现故障时，应不影响整个系统和其它的设备正常运行；系统的设备故障不能影响其他设备的工作，同时不能影响行车。

3）系统应具有快速反应力，能快速感应系统需求，并做出反应。信号监控子系统或者信号设备出现故障，监控系统应具备快速的反应力及识别能力。发生故障后能及时地将信息传送到控制中心。例如，在信号设备被盗或遭到破坏时，应能向车站值班人员报警。

4）系统应能快速重构，对于功能增减和故障恢复，能快速地恢复模块或子系统运行。根据信号微机监测系统收集的监测信息和故障信息，应用智能软件对发生的故障进行实时分析和判断，并提出正确有效的恢复对策，帮助工作人员准确确定故障位置，隔离故障区域，尽量恢复非故障区域和子系统的正常运行，将故障损失降到最低。

3 铁路信号监控系统集成方案

3.1 数据类型及处理方式 铁路信号监控系统是一个复杂的综合系统，既是一个控制系统，又是一个监测系统。在这个系统中存在着不同的数据流，不同的数据流在数据处理的驱动机制、方式及传输等方面有着诸多不同。因此，铁路信号监控系统数据流可以划分为信息数据流和控制数据流。

3.2 系统方案的集成 铁路信号监控系统集成模型是基于对其数据流的划分，其主要是将控制数据流和信息数据流分别发布到不同数据域中，数据异构问题由此转变为ADS中的数据域异构问题，对于数据域异构问题在此采用网关集成，其模型如图2。

图2 集成系统模型示意图

3.2.1 信息数据域 由铁路信号微机监测系统，与铁路行车有关的基础设备的状态信息、信号设备的信息等组成信息数据域。监测系统中有关信息系统的数据都将被发送到信息数据域。当某一子系统接收到满足触发应用模块的数据，触发该模块，执行结果发送到数据域，供其它信息子系统或者控制数据域中需要相关信息的子系统接受使用。这些系统可以是连接内外设备的计算机单机，也可以是信号微机监测系统中电源屏、转辙机、轨道电路、电缆绝缘、移频电码化等项目的监测信息。

3.2.2 控制数据域 由铁路信号控制系统的各个控制数据域组成，所有相关控制系统的数据都被发送到控制数据域。当某一子系统接收符合条件的数据后，触发应用模块，执行结果发布到控制数据域，供其他子系统或者信息数据域中子系统接收使用。在铁路信号监控系统中表现为铁路信号控制系统、微机联锁系统、进路办理等指令的控制子系统。

3.2.3 网关 网关是整个系统集成中的关键部分。网关作为一个自律子系统存在，负责对数据域需求的数据进行传送并注册。

4 网关子系统的设计

网关可以是单网关也可以是多网关组成的网关系统〔3〕。系统级上的可扩展性由它来实现。

网关子系统的设计，在此采用3网关组成的双环结构，如图3所示。图中所示网络中有3个网关，组成6个不同的网段，每个网关节点有4个网络接口。各个网段连接各个异构系统，通过这样的连接就实现了异构系统的集成。

图3 网关子系统拓扑结构示意图

采用3网关能够很好地解决单网关引起的网络流量瓶颈及单一故障点问题，同时还可以解决由于系统复杂度增加引起节点判断数据而带来的实时性和稳定性问题。多节点网关子系统，易于实现复杂系统在线功能扩展、规模扩展以及在线维护和容错。

5 结束语

随着铁路信息化的建设，实现控制系统和信息系统的统一成为铁路信号监控系统发展的必然趋势，而基于ADS通过多网关集成为此提供了极为可行的方案。它可有效地解决目前我国铁路信号控制系统之间，信号控制网络和铁路基础信息网络之间彼此孤立等问题，实现铁路信号监控系统的可扩展性、可维护性和容错性，适应铁路信息化的要求。

〔1〕刘志刚，谭永东，钱清泉，等.自律分散系统在电气化铁路监控系统中应用研究〔J〕.电力自动化设备，2001，21（10）：18-20.

〔2〕赵顺玲，于胜龙，吴德昌，谭永东.传统监控系统的不足及 ADS 解决方案〔J〕.电力自动化设备，2003，23（4）：81-84.

〔3〕KinjiMori.Applicationin Rapidly Changing Environments〔J〕.IEEE Computer，1998，31（4）：42-43.