梁豆豆， 范多旺，陳光武

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070 )

車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的重要控制系統(tǒng)，目前隨著計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)的日趨完善，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制成為聯(lián)鎖控制的主要形式，實(shí)現(xiàn)高可靠的通信模塊進(jìn)行聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。目前套接字（Socket）為開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序非常有效快捷的工具，可以很方便訪問TCP/IP。本設(shè)計(jì)就使用Socket來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的通信模塊。

1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，本設(shè)計(jì)中分別由監(jiān)控機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)、模擬機(jī)（模擬實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層和室外設(shè)備層）實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控機(jī)發(fā)送操作控制命令給聯(lián)鎖機(jī)，并接收來自聯(lián)鎖機(jī)的命令執(zhí)行結(jié)果及站場中各信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)表示信息，將其顯示到屏幕上。

聯(lián)鎖機(jī)負(fù)責(zé)接收監(jiān)控機(jī)的操作控制命令，根據(jù)來自模擬機(jī)的現(xiàn)場設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控機(jī)和模擬機(jī)。

模擬機(jī)接收來自聯(lián)鎖機(jī)的控制命令，改變信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，并且模擬現(xiàn)場信號(hào)設(shè)備的故障狀態(tài)。

2 客戶機(jī)/服務(wù)器模式及套接字

2.1 客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式

在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通信的兩個(gè)進(jìn)程間相互作用的主要模式是C/S模式，即客戶機(jī)向服務(wù)器提出請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后提供相應(yīng)的服務(wù)。

C/S模式在操作過程中采取主動(dòng)請(qǐng)求的方式。服務(wù)器方要先啟動(dòng)并根據(jù)請(qǐng)求提供相應(yīng)的服務(wù)：

（1） 打開一個(gè)通信通道并告知本地主機(jī)在某一地址和端口上接收客戶請(qǐng)求。（2） 等待客戶請(qǐng)求到達(dá)該端口。（3） 接收到服務(wù)請(qǐng)求，處理該請(qǐng)求并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。服務(wù)完成后關(guān)閉與客戶端的通信鏈路，并終止。（4） 返回第二步，等待另一客戶請(qǐng)求。（5） 關(guān)閉服務(wù)器。

圖1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客戶端：

（1） 打開一個(gè)通信通道，并連接到服務(wù)器所在的主機(jī)特定端口。（2） 向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文，等待并接收應(yīng)答；繼續(xù)提出請(qǐng)求。（3） 請(qǐng)求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止。

2.2 套接字

套接字是一個(gè)通訊標(biāo)示，由一個(gè)短整數(shù)表示，實(shí)際上是一個(gè)句柄，代表網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含了通信雙方的IP地址和當(dāng)前連接狀態(tài)等信息，由協(xié)議、地址、端口來描述并唯一確定。

套接字的類型有流式套接字,數(shù)據(jù)報(bào)式套接字，原始套接字。流式套接字實(shí)際上是基于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，它提供面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、無重復(fù)的發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。本設(shè)計(jì)使用流式套接字實(shí)現(xiàn)。

3 聯(lián)鎖系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)各組成部分之間的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

（1）按鈕控制命令包括：列車按鈕、調(diào)車按鈕、道岔按鈕、閉塞按鈕以及功能按鈕。其中功能按鈕包括上（下）行引導(dǎo)總鎖閉按鈕、總定位按鈕、總反位按鈕、單鎖按鈕、單解按鈕、封鎖按鈕、封解按鈕、進(jìn)路故障解鎖按鈕、區(qū)段故障解鎖按鈕、關(guān)信號(hào)按鈕、總?cè)∠粹o、總?cè)私獍粹o。

（2）信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息包括：信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段、進(jìn)路的狀態(tài)信息。具體如下：

a.信號(hào)機(jī)：信號(hào)顯示、燈絲狀態(tài)；b.道岔：定位、反位、四開、擠岔、封鎖、單鎖；c.區(qū)段：占用狀態(tài)。d.進(jìn)路：鎖閉狀態(tài)。

（3）設(shè)備控制命令包括：道岔轉(zhuǎn)換命令、道岔單鎖命令、道岔單解命令、道岔封鎖命令、道岔封解命令、信號(hào)顯示改變命令。

（4）信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息包括：信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段狀態(tài)信息，與（2）中的相同。

4 Socket通信方式及實(shí)現(xiàn)

在C/S通信模式中，聯(lián)鎖機(jī)作為聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心控制監(jiān)控機(jī)、模擬機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，所以聯(lián)鎖機(jī)為客戶端，監(jiān)控機(jī)和模擬機(jī)為服務(wù)器端。

4.1 系統(tǒng)通信要求

聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)通信要求具體如下：

（1）監(jiān)控機(jī)：能即時(shí)發(fā)送按鈕控制命令，同時(shí)能即時(shí)接收聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送的現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息。

（2）聯(lián)鎖機(jī)：能夠即時(shí)接收監(jiān)控機(jī)發(fā)送的按鈕控制命令和模擬機(jī)發(fā)送的現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息，定時(shí)向監(jiān)控機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息，且定時(shí)向模擬機(jī)發(fā)送設(shè)備控制命令。

（3）模擬機(jī)：即時(shí)接收來自聯(lián)鎖機(jī)的設(shè)備控制命令，并定時(shí)向聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息。

（4）整個(gè)系統(tǒng)通信周期小于300 ms。

4.2 通信實(shí)現(xiàn)方式

4.2.1 監(jiān)控機(jī)顯示界面

監(jiān)控機(jī)顯示界面用VC++實(shí)現(xiàn)，考慮到通信模塊與界面顯示模塊之間的兼容以及監(jiān)控機(jī)的通信要求，用MFC中的CAsyncSocket類來實(shí)現(xiàn)，CA-syncSocket類對(duì)Windows Socket API進(jìn)行了簡單的封裝，可以在較深層次上控制通信過程。聯(lián)鎖機(jī)在Win32控制臺(tái)下用C語言實(shí)現(xiàn)，所以通信部分用Windows Socket API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，為保證聯(lián)鎖程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，使用多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中讀和寫分別為單獨(dú)的線程。編程時(shí)序圖如圖3。

4.2.2 監(jiān)控機(jī)具體的實(shí)現(xiàn)過程

（1）初始化套接字AfxSocketInit()。

（2）調(diào)用Create函數(shù)創(chuàng)建ClisteningSocket內(nèi)嵌的SOCKET句柄，ClisteningSocket.Create()，并開始偵聽端口ClisteningSocket.Listen()。

（3）當(dāng)有聯(lián)鎖機(jī)連接請(qǐng)求時(shí)，觸發(fā)CListening-Socket 類OnAccept()函數(shù),在OnAccept()函數(shù)中調(diào)用Accept()函數(shù)接收連接，同時(shí)返回CClient-Socket內(nèi)嵌的SOCKET句柄。

圖3 編程時(shí)序圖

（4）當(dāng)有數(shù)據(jù)被接收時(shí)，觸發(fā)CClientSocket類OnReceive()函數(shù)，在OnReceive()中調(diào)用Receive()函數(shù)讀取數(shù)據(jù)。

（5） 在按鈕響應(yīng)函數(shù)中用CClientSocket.Send()發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2.3 聯(lián)鎖機(jī)具體的實(shí)現(xiàn)過程

（1） 加載套接字庫。（2） 創(chuàng)建套接字Socket()。（3） 向監(jiān)控機(jī)發(fā)起連接請(qǐng)求 Connect()。（4）發(fā)送數(shù)據(jù)Send()，接收數(shù)據(jù)Receive()。

聯(lián)鎖機(jī)采用多線程來實(shí)現(xiàn)，存在多個(gè)線程對(duì)同一資源的讀寫問題，例如對(duì)于設(shè)備狀態(tài)信息，聯(lián)鎖機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算的過程中會(huì)改變這些狀態(tài)，同時(shí)要讀取來自模擬機(jī)的現(xiàn)場信息，還要向監(jiān)控機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息，有可能會(huì)出現(xiàn)非同步的結(jié)果。這就涉及到線程同步的問題，線程同步的方法有很多，最常用的有互斥、臨界區(qū)、信號(hào)量、事件等。

4.2.4 線程同步方法

（1）互斥就是一個(gè)線程對(duì)共享資源進(jìn)行訪問時(shí)排斥其他的線程，互斥對(duì)象建立之后，程序運(yùn)行時(shí)只有擁有互斥對(duì)象的線程有訪問共享資源的權(quán)利，如果線程對(duì)共享資源訪問結(jié)束，則釋放互斥對(duì)象，好讓其他線程擁有對(duì)共享資源的訪問權(quán)利。

（2）臨界區(qū)和互斥類似，臨界區(qū)是一段以獨(dú)占方式訪問共享資源的代碼段，只要進(jìn)入臨界區(qū)的線程沒有離開，其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)的線程將被掛起而進(jìn)入到等待狀態(tài)，并一直持續(xù)到進(jìn)入臨界區(qū)的線程離開。

（3）信號(hào)量允許多個(gè)線程在同一時(shí)刻訪問同一種資源，但是需要限制在同一時(shí)刻訪問此資源的最大線程數(shù)目，超過這個(gè)最大數(shù)的線程將不允許訪問此資源，如果將最大線程數(shù)設(shè)為一，那么跟前面的用法類似。

（4）事件內(nèi)核通過通知操作的方式來保持線程的同步。

（5）聯(lián)鎖機(jī)與模擬機(jī)之間的通信與前者相似。

5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/h2>

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕捎帽苠e(cuò)和容錯(cuò)相結(jié)合的技術(shù)。避錯(cuò)技術(shù)是采用可靠的器件，抗干擾的通道介質(zhì)以及嚴(yán)格的工藝措施等以減少故障發(fā)生的概率，但不一定能滿足系統(tǒng)的可靠性要求。因此必須結(jié)合容錯(cuò)技術(shù)。容錯(cuò)技術(shù)從傳輸網(wǎng)絡(luò)和傳輸編碼兩方面考慮。傳輸網(wǎng)絡(luò)可采用多路冗余工業(yè)以太網(wǎng)。采用合適的編碼可以達(dá)到一定的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，從目前使用的安全系統(tǒng)來看，多采用標(biāo)準(zhǔn)的編碼形式。

在聯(lián)鎖實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)及時(shí)刷新，因此可利用周期循環(huán)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)采取比較或表決方法提高數(shù)據(jù)接收與輸出的安全性。考慮到數(shù)據(jù)信息傳輸與處理的連續(xù)性，聯(lián)鎖數(shù)據(jù)應(yīng)不斷的進(jìn)行存儲(chǔ)與刷新,在存儲(chǔ)的信息中加以時(shí)間標(biāo)志,用新的狀態(tài)碼核心的時(shí)間標(biāo)志覆蓋原存的內(nèi)容. 例如采用2 個(gè)字節(jié)代表一個(gè)數(shù)據(jù)信息，第1字節(jié)為設(shè)備狀態(tài)，第2字節(jié)中加入時(shí)間標(biāo)志，在使用時(shí)檢查它的時(shí)間標(biāo)志是否過時(shí)，從而提高安全性。

6 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)采用基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信，能達(dá)到系統(tǒng)通信性能指標(biāo)要求，并且計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)是一個(gè)可靠性要求很高的系統(tǒng), 運(yùn)用相關(guān)的避錯(cuò)容錯(cuò)技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)，保障數(shù)據(jù)信息傳輸中的安全性，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)尤為重要。

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