□　文/李妮

城市交通信號機(jī)的冗余方案研究

□文/李妮

隨著城市機(jī)動車保有量的快速增長，道路交通問題日益成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。交通信號機(jī)承擔(dān)著對城市交叉路口車輛指揮和疏異重要控制功能。但信號機(jī)惡劣的工作環(huán)境和長時(shí)間不間斷工作狀態(tài)，極易出現(xiàn)各種故障。雖然大部分信號機(jī)都具備故障檢測和處理系統(tǒng)，但處理措施只是簡單的降級黃閃，將錯(cuò)誤信息上報(bào)中心等待維修，缺乏更加及時(shí)有效的現(xiàn)場維持措施。本文提出了通過冗余技術(shù)大幅提升信號機(jī)的可靠性，在城市交通、公路交通等領(lǐng)域提高現(xiàn)場信號控制系統(tǒng)的安全性。

現(xiàn)有系統(tǒng)分析

系統(tǒng)組成

現(xiàn)在城市路口的交通信號控制系統(tǒng)大部分都有信號機(jī)、信號燈、信號燈驅(qū)動模塊以及電源模塊組成。部分產(chǎn)品會增加檢測模塊或保護(hù)模塊，或?qū)讉€(gè)模塊集成一體化。在現(xiàn)場的安裝過程中，信號機(jī)一般都安裝在路邊的金屬機(jī)柜中，通過線纜（部分產(chǎn)品用zigbee等無線模塊）連接信號燈驅(qū)動模塊，驅(qū)動信號燈進(jìn)行相位輸出。

故障點(diǎn)分析

信號機(jī)作為路口相位控制的核心設(shè)備，容易受到雷擊、水浸、高溫以及自身設(shè)計(jì)的缺陷造成故障，是信號控制系統(tǒng)的主要的故障點(diǎn)；信號燈驅(qū)動模塊一般都是通過功率放大電路來驅(qū)動信號燈，在長時(shí)間工作下容易造成驅(qū)動電路故障（如晶閘管短路和開路）；信號燈故障主要是led燈組長時(shí)間運(yùn)行壞損造成；通訊線纜容易在路口道路維護(hù)過程中意外破損造成通訊故障；電源模塊容易受到高溫、水浸、雷擊等環(huán)境因素?fù)p壞。以上故障一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)要么進(jìn)入某種保護(hù)模式，或者直接停止運(yùn)行，無論哪種處理方式，都無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)現(xiàn)場的控制邏輯。

冗余系統(tǒng)介紹

工業(yè)自動化領(lǐng)域，冗余控制是一種滿足連續(xù)工作要求，提高控制系統(tǒng)可靠性和可用性的有效手段。冗余控制嚴(yán)格來講是采用一定或成倍量的設(shè)備或元器件的方式組成控制系統(tǒng)來參加控制。當(dāng)某一設(shè)備或元器件發(fā)生故障而損壞時(shí)，它可以通過硬件、軟件或人為方式，相互切換作為后備設(shè)備或元器件，替代因故障而損壞的設(shè)備或元器件，保持系統(tǒng)正常工作，降低控制設(shè)備因故障而造成的損失。

冗余控制的一個(gè)重要功能是同步（synchronization）。它是指冗余系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)處理器之間要經(jīng)常比較各自的狀態(tài)，根據(jù)一定的規(guī)則以決定系統(tǒng)是否工作在正常的狀態(tài)。同步的處理算法也是冗余控制的核心算法，決定了該冗余系統(tǒng)的總體可靠性和運(yùn)行性能。

冗余控制的分類

冗余控制的方式在不同的領(lǐng)域和客戶需求下，采用的方式也不盡相同。一般冗余控制可分為：處理器冗余；通信冗余；I／O冗余；電源冗余。按冗余的切換方式來分大致可分為：熱備份（hotbackup），即硬冗余方式，當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)，通過特定硬件判別、備份方式無間隙地自動切換到備用設(shè)備上，保持系統(tǒng)正常運(yùn)行；溫備份(warmbackup)，即軟冗余方式，主要通過編程方式來實(shí)現(xiàn)冗余。由于軟冗余的實(shí)現(xiàn)受多方因素制約，系統(tǒng)切換的時(shí)間較硬冗余稍長，因此部分軟冗余可能會使主設(shè)備在發(fā)生切換時(shí)有間隙或需要人為簡單干預(yù)或預(yù)置才得以完善。冷備份(cold-backup)，即一套或部分冗余的設(shè)備不通電、不工作。當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)需要人工恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

城市交通信號機(jī)的冗余控制方案

根據(jù)前面對上述城市交通信號機(jī)組成和冗余控制的描述，城市交通冗余控制主要包含了信號機(jī)冗余、信號燈驅(qū)動模塊冗余、電源冗余、通訊冗余等。從成本和系統(tǒng)復(fù)雜度考慮，雙機(jī)熱備冗余技術(shù)可以滿足大部分城市交通信號機(jī)的可靠性要求。下圖是雙機(jī)熱備的城市交通信號機(jī)架構(gòu)圖：

▲圖1　雙機(jī)熱備冗余信號機(jī)架構(gòu)圖

信號機(jī)冗余的工作原理

作為城市交通信號控制系統(tǒng)的核心組件，信號機(jī)冗余也是整個(gè)雙機(jī)熱備冗余系統(tǒng)運(yùn)作的關(guān)鍵。在兩套獨(dú)立供電的信號機(jī)箱內(nèi)，將信號機(jī)通過通訊冗余線進(jìn)行物理連接。當(dāng)主機(jī)箱發(fā)生故障時(shí)，備用機(jī)箱自動投入運(yùn)行，稱故障切換或系統(tǒng)切換。

兩個(gè)信號機(jī)模塊一個(gè)為主信號機(jī)，一個(gè)為備信號機(jī)，正常運(yùn)行情況下、主信號機(jī)參與相位邏輯運(yùn)算，備信號機(jī)處于“熱備份"狀態(tài)，即備信號機(jī)在線工作，只是不參與通訊和控制。一旦主信號機(jī)出現(xiàn)故障，備信號機(jī)便可自動接替其工作，系統(tǒng)不受停機(jī)損失。主備信號機(jī)之間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信完成數(shù)據(jù)同步，每個(gè)信號機(jī)具有自檢功能，當(dāng)主信號機(jī)檢測到故障以后，將故障信息發(fā)送給備信號機(jī)，備信號機(jī)得知主信號機(jī)故障后，便會使能備用通訊和輸出功能，接替主信號機(jī)控制相位。

信號機(jī)冗余的同步算法

信號機(jī)冗余的同步算法是整個(gè)冗余系統(tǒng)的核心。主備信號機(jī)之間需要通過某個(gè)通訊線（以下稱作冗余線）進(jìn)行主備協(xié)商、數(shù)據(jù)共享和主備切換。通訊的介質(zhì)一般可以通過以太網(wǎng)接口，或普通的RS232/485接口。接口的通訊速率決定著冗余的切換時(shí)間。大部分冗余技術(shù)的同步算法基于復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙信號機(jī)熱備冗余的同步狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)大致如下：

1、兩個(gè)信號機(jī)在連接輸出冗余線的情況下，實(shí)現(xiàn)同時(shí)上電后只有一個(gè)信號機(jī)是主，一個(gè)是備。

2、主信號機(jī)運(yùn)行相位邏輯并進(jìn)行輸出通訊，備信號機(jī)同步主信號機(jī)的相位數(shù)據(jù)計(jì)算相位邏輯，但不輸出通訊。

3、冗余信號機(jī)在連接冗余線和輸出通訊線的情況下，主信號機(jī)斷電， 備信號機(jī)切換成主，并輸出通訊。

4、冗余信號機(jī)在連接冗余線和輸出通訊線的情況下，主信號機(jī)斷開輸出通訊線，備信號機(jī)切換成主，并輸出通訊。

5、冗余信號機(jī)在連接冗余線和輸出通訊線的情況下，主信號機(jī)運(yùn)行死機(jī)，備信號機(jī)切換成主，并輸出通訊。

6、冗余信號機(jī)在連接冗余線和輸出通訊線的情況下，斷開冗余線，主備狀態(tài)保持不變。

7、冗余信號機(jī)在主備切換時(shí)，輸出相位數(shù)據(jù)不出現(xiàn)明顯錯(cuò)亂。

信號機(jī)冗余的同步數(shù)據(jù)通訊

冗余信號機(jī)數(shù)據(jù)同步包括發(fā)起同步與接受同步：

1、發(fā)起同步：主信號機(jī)發(fā)送同步請求幀，并等接收到備信號機(jī)同步應(yīng)答幀后，發(fā)送同步確認(rèn)幀，并執(zhí)行同步后信息交換；

2、接受同步：備信號機(jī)在任務(wù)開始時(shí)，判斷是否收到同步請求幀，收到后回復(fù)同步應(yīng)答幀，并等收到主信號機(jī)同步確認(rèn)幀后，執(zhí)行同步后信息交換。

主備信號機(jī)同步算法是建立在主備冗余方式上的，在信號機(jī)同步之前必須規(guī)主信號機(jī)為同步發(fā)起方，備信號機(jī)為同步被喚醒方。同步通訊原理如下圖所示：

▲圖2　通訊原理

信號機(jī)冗余的狀態(tài)機(jī)

信號機(jī)冗余狀態(tài)機(jī)是主備信號機(jī)在上電以及正常運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的狀態(tài)以及轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件。

主備系統(tǒng)的狀態(tài)包含：

1、等待：信號機(jī)上電后進(jìn)入等待狀態(tài)，等待另外一臺信號機(jī)上電。等待狀態(tài)發(fā)送等待報(bào)文。

2、協(xié)商：信號機(jī)收到等待報(bào)文后進(jìn)入?yún)f(xié)商狀態(tài)，根據(jù)上電時(shí)間信息爭奪誰是主誰是備。

3、主運(yùn)行：協(xié)商爭奪的主信號機(jī)進(jìn)入主運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)送同步數(shù)據(jù)。主運(yùn)行狀態(tài)可以輸出相位信息到信號燈驅(qū)動模塊。

4、備運(yùn)行：協(xié)商爭奪失敗的備信號機(jī)進(jìn)入備運(yùn)行狀態(tài)。接收主同步數(shù)據(jù)。備信號機(jī)通過主的同步數(shù)據(jù)進(jìn)行相位邏輯運(yùn)算，但不輸出。

5、故障：當(dāng)主信號機(jī)在運(yùn)行過程中檢測到故障，著將故障信息同步到備，并放棄主的權(quán)利。

冗余狀態(tài)機(jī)的切換觸發(fā)：

1、等待狀態(tài)：超時(shí)為收到對方報(bào)文，進(jìn)入主運(yùn)行；收到等待報(bào)進(jìn)入?yún)f(xié)商；收到主同步報(bào)文進(jìn)入備運(yùn)行；

2、協(xié)商狀態(tài)：收到協(xié)商報(bào)文進(jìn)入主運(yùn)行或備運(yùn)行；超時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài)；

3、主運(yùn)行狀態(tài)：信號燈驅(qū)動模塊通訊中斷進(jìn)入備運(yùn)行；檢測到故障進(jìn)入故障轉(zhuǎn)該；收到對方爭主報(bào)文進(jìn)入?yún)f(xié)商狀態(tài)；

4、備運(yùn)行狀態(tài)：收到主運(yùn)行退出報(bào)文進(jìn)入主運(yùn)行；冗余線斷且信號燈驅(qū)動模塊未動作，判斷對方主斷電，切換為主；冗余線鏈路正常且信號燈驅(qū)動模塊未動作，判斷對方主死機(jī)，切換為主；

5、故障狀態(tài)：檢測到故障恢復(fù)，著進(jìn)入備運(yùn)行；

狀態(tài)機(jī)圖如下所示：

▲圖3　冗余狀態(tài)機(jī)

信號機(jī)冗余的故障檢測

為了保證當(dāng)主信號機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備信號機(jī)可以及時(shí)準(zhǔn)確地接替故障模塊工作，必須要求系統(tǒng)有精確的在線故障檢測能力，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)、定位、隔離和故障報(bào)警。雙機(jī)熱備冗余的信號機(jī)故障可以分為處理芯片故障、通訊故障、電源故障、內(nèi)部存儲器故障、外部存儲器故障等。

對于信號機(jī)的故障檢測技術(shù)，市面上的信號機(jī)產(chǎn)品都有較為成熟的技術(shù)方案，本文不進(jìn)行詳細(xì)描述。在雙機(jī)熱備冗余的信號機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)下，故障檢測技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是快速發(fā)現(xiàn)故障，并做主備切換和保護(hù)現(xiàn)場運(yùn)行。而傳統(tǒng)單一信號機(jī)架構(gòu)故障檢測無法避免對現(xiàn)場的控制變化。這也是冗余系統(tǒng)架構(gòu)對單一系統(tǒng)的絕對優(yōu)勢。

信號機(jī)冗余的無擾動切換

無擾動切換就是當(dāng)備信號機(jī)檢測到主信號機(jī)故障時(shí)，備信號機(jī)立即接替故障信號機(jī)工作，保證接管前后相位輸出狀態(tài)不變，同時(shí)保證故障信號機(jī)輸出控制信號對設(shè)備不產(chǎn)生干擾。故無擾動切換具有以下三個(gè)技術(shù)指標(biāo)：

1、出現(xiàn)故障后，冗余切換時(shí)間盡可能短（在100ms以內(nèi)）。該指標(biāo)由故障檢測時(shí)間決定，而故障檢測時(shí)間又受信號機(jī)同步算法周期影響，同步周期越短，故障檢測時(shí)間越短，冗余切換時(shí)間越短。

2、對故障信號機(jī)故障前輸出狀態(tài)的現(xiàn)場保存。該指標(biāo)是通過數(shù)據(jù)同步算法實(shí)現(xiàn)，每次同步完成后，都需要進(jìn)行輸出狀態(tài)存儲和共享。

3、故障信號機(jī)的隔離。該指標(biāo)是信號燈驅(qū)動模塊的冗余和回檢實(shí)現(xiàn)的，在雙機(jī)熱備冗余方式中，通過信號燈驅(qū)動模塊對故障信號機(jī)的輸出信號（或通訊協(xié)議）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號機(jī)輸出信號故障（或通訊超時(shí)），模塊對輸出進(jìn)行隔離。

結(jié)束語

本文針對城市交通信號機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境和運(yùn)行特點(diǎn)，將雙機(jī)熱備冗余技術(shù)運(yùn)用信號控制方式中。這種冗余技術(shù)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，大大提高了信號機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，具有很好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

作者單位：浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司