一种双机热备切换系统的实现方案

卡斯柯信号有限公司 上海市铁路智能调度指挥系统工程研究中心 唐 成 潘 雷 刘可昌 杜 鑫 费振豪

在轨道交通信号调度集中系统中，核心设备自律机的双机热备工作是系统长期、可靠运行的基础。经过研究，提供一种切换更精准可靠、通用性更强、灵活性更高的自律机冗余切换方案，可有效减少双主、双备等误切换问题。

传统的自律机双机热备冗余切换方案，以自律机A、B系作为判断切换的主体，通过网络相互通信、交换工作状态作为切换的根本实现方式。根据实际应用中的需求检验，这种切换方案的缺点如下：

（1）主备机之间一旦通信发生中断，则主备机不知道对方的工作状态，只能同时为主或同时不为主，造成双主或双备的情况产生。

（2）冗余切换方案的应用，受限于与自律机通信的外设，如果与自律机通信的外设只有一个接口，则难以使外设的单一接口与自律机A、B机同时通信。

（3）主备机的判断，只能根据事先设定好的软件切换算法来判定，维护人员难以根据实际情况，自主设定主备机，不利于现场设备的调试与故障诊断。

为克服上述缺点，本文设计了一种切换更精准可靠、通用性更强、灵活性更高的自律机冗余切换方案。

1 技术方案介绍

为自律机A、B系的切换，专门设计一块切换电路板卡，该电路板卡由CPLD作为主控芯片，专门用于处理切换信息，实现切换功能，该方案主要特点如下：

（1）自律机A、B系不仅可以通过网络进行通信，而且可以通过切换电路板进行串口通信。

（2）自律机A、B系不仅通过网络和串口通信，以判断主备机，而且需要向切换电路板发送主备状态信息以及心跳信息。

（3）切换电路板会根据自律机A、B系发送的主备状态信息以及心跳信息，判断主备机，并向自律机A、B系发送主备裁决信息。

（4）切换电路板自带2个DB25接口以及4个DB9接口，自律机A、B系的最多4个串口，可以通过DB25接口，分别接入电路切换板。电路切换板的4个DB9接口与外部设备连接。当自律机A系为主机时，自律机A系的最多4个串口，可以通过电路切换板，经4个DB9接口与外部设备进行串口通信；党自律机B系为主机时，自律机B系的最多4个串口，可以通过电路切换板，经过4个DB9接口与外部设备进行通信。

（5）切换电路板自带切换开关，可以人为的设定自律机A机为主机、B机为主机、自动判断三种状态。

2 技术方案实现

如图1所示，该方案的基本工作原理如下：

图1 双机热备切换方案示意图

（1）自律机A、B系通过切换板的232串口相互通信，根据软件切换算法，自主决定A、B系发送的抢主信息。

（2）自律机A、B系通过232串口，向切换板发送抢主信号。

（3）抢主信号由RTS信号以及TX信号共同组成。当RTS信号为高电平，且TX信号在1s内有电压变化(心跳信号)时，切换板才认为该系自律机抢主信号有效；否则，切换板均认为抢主信号无效。

（4）切换板根据自律机A、B系发送的抢主信号，判断并裁决主备机，并通过232串口向自律机A、B系发送CTS信号，通知自律机A、B系为主机还是备机。切换板向自律机A、B系发送的CTS信号是相同的值，当CTS为高电平时，A机为主机，当CTS为低电平时，B机为主机。

（5）自律机A、B系的4路串口（COMA1-4与COMB1-4），分别连接到切换板上，并通过切换板的4路串口（COMC1-4）与外部设备相连。当切换板裁决自律机A系为主机，则通过控制切换板内部的继电器，使COMA1-4与COMC1-4相连通；当切换板裁决自律机B系为主机，则通过控制切换板内部的继电器，使COMB1-4与COMC1-4相连。从而实现自律机A、B系与外部设备单一接口的通信热备功能。

3 技术方案优点

与现有技术相比，上述技术方案包括以下创新点及有益效果（优点）：

（1）现有技术，A、B系间通信中断导致切换异常的故障比较多，本方案，通过切换板的232串口，专门用于A、B系间通信，增加了自律机A、B系的通信通道，提高了A、B系间的通信的可靠性，进一步保证了自律机A、B系相互通信的稳定性。

（2）现有技术，A、B系间的主备切换机制，主要靠A、B系自身的切换逻辑进行主备机的判断，当A、B系通信中断，A、B系均需要一定的时间来确认对方的状态，切换速度慢，且容易造成双主、双备等不良现象。本方案，通过基于CPLD芯片的专用切换板卡，作为A、B系主备切换的基本依据，当A系或B系出现故障，切换板卡根据自身的切换逻辑，可以迅速作出判断，并发送切换信号，通过A系或B系为主机。

（3）本方案，切换板自带与外部设备通信的4路DB9串口。可以实现A、B系设备同时与外部的单系设备进行串口通信，并实现A、B系与外部设备的冗余。

结论：本文方案在CTC3.0系统LiRC-3自律机中得到了实用，长期应用结果表明，方案可靠性高，可维护性强，可推广至其他高可用系统中。随着自主化趋势发展，建议方案采用自主化芯片。