地铁车载广播系统主控热备方法与流程

本发明涉及一种应用于地铁车载广播系统中对其两个控制器进行热备的方法。

背景技术：

地铁列车上的地铁车载广播系统的拓扑结构如附图1所示，地铁列车的车头、车尾各具有一个司机室，每个司机室内各具有一套广播控制主机，即地铁车载广播系统的控制器，该控制器负责广播系统的报站语音、紧急广播、特殊广播控制及动态地图屏的站点内容更新、lcd屏显示内容的通知更新。每个控制器主要的对外接口为与地铁列车的列车控制总线(常采用rs485总线、电流环或mvb)连接的a接口、与广播系统的内部总线(can总线、rs485总线或网络)相连接的c接口和与存储设备相连接的b接口。a接口负责接收来自信号系统的信息、列车网络的信息、接收司机的操作指令，来执行报站、紧急提示、特殊广播、故障显示等功能，同时把广播系统内部的状态信息、故障信息上报给列车网络系统。b接口负责存储广播系统的系统配置信息、报站语音文件、紧急语音文件、站点信息、特殊语音文件及日志文件。c接口负责向广播系统内的各个车厢控制器、动态地图、lcd屏发送广播切换信息、站点显示更新信息。a接口故障，即控制器与列车控制总线的通信状态异常，会导致报站失效、站点显示失效、故障上传失效、状态上传失效。b接口故障，即控制器与存储设备的通信状态异常，会导致报站无声音、紧急广播无声音、特殊广播无声、站点出错、广播系统的配置出错。无法记录广播系统的运行日志。c接口故障，即控制器与内部总线的通信状态异常，会导致无法监控各个车厢的设备运行情况、无法更新动态地图的内容。

在上述地铁车载广播系统工作时，需要将一个控制器置于主工作模式，而另一个控制器置于从工作模式。主工作模式下的控制器承担控制总线调度的功能并能够发送相关信息来对广播系统进行控制。现有技术中常采用人工方式切换控制器的工作模式，增加了相关人员的工作量且无法根据系统状态及时进行切换。同时，两个控制器的信息往往并未同步，使得切换工作模式后容易出现广播信息错报等异常。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够根据地铁车载广播系统的工作状态而自动切换控制器的工作模式，从而提高系统自动化水平，降低对人员的依赖程度，降低局部故障或单端故障对广播系统的影响，提高广播系统工作的正常率的地铁车载广播系统主控热备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种地铁车载广播系统主控热备方法，应用于地铁列车上的地铁车载广播系统中，以实现分设于其车头和车尾的地铁车载广播系统的两个控制器互为热备，每个所述控制器通过a接口与所述地铁列车上的列车控制总线相通信、通过b接口与其对应的存储设备相通信、通过c接口与所述地铁车载广播系统的内部总线相通信；位于车头和车尾的两个所述控制器在地铁车载广播系统的中具有不同的地址码；

所述地铁车载广播系统主控热备方法包括主从切换方法和主从工作方法；

所述主从切换方法用于确定所述控制器的工作模式，所述工作模式包括主工作模式和从工作模式；

所述主从切换方法为：预设基于控制器地址码的优先规则、地铁列车钥匙激活状态改变切换原则、a接口故障检测切换的原则、b接口故障检测切换的原则、c接口故障检测切换的原则；

所述基于控制器地址码的优先规则为：具有小地址码的所述控制器进入所述主工作模式、具有大地址码的所述控制器进入所述从工作模式或具有大地址码的所述控制器进入所述主工作模式、具有小地址码的所述控制器进入所述从工作模式；所述地铁列车钥匙激活状态改变切换原则为：所述地铁列车的钥匙所在端的所述控制器进入所述主工作模式，所述地铁列车的钥匙未在端的所述控制器进入所述从工作模式；所述a接口故障检测切换的原则为：当一端所述控制器的a接口正常而另一端所述控制器的a接口通信故障时，则正常一端的所述控制器进入所述主工作模式，故障一端的所述控制器进入所述从工作模式；所述b接口故障检测切换的原则为：当一端所述控制器的b接口故障而另一端所述控制器的b接口正常时，则故障一端的所述控制器进入所述从工作模式，正常一端的所述控制器进入所述主工作模式；

对具有大地址码的所述控制器设置判断c接口物理层故障的时间门限值为limit11，对具有小地址码的所述控制器设置判断c接口物理层故障的时间门限值为limit12，limit11≠limit12；对具有大地址码的所述控制器设置判断c接口协议层故障的时间门限值为limit21，对具有小地址码的所述控制器设置判断c接口协议层故障的时间门限值为limit22，limit21≠limit22；

所述地铁车载广播系统初始上电时，所述控制器按照所述基于控制器地址码的优先规则而进入所述主工作模式或所述从工作模式；所述控制器对状态更改条件进行判断，以决定是否更改其工作模式，所述状态更改条件包括所述控制器与所述控制总线列车控制总线之间所述a接口的通信状态、所述控制器与所述存储设备之间所述b接口的通信状态、所述控制器与所述内部总线之间所述c接口的通信状态、地铁列车钥匙激活端状态四项：当各项所述通信状态均正常且所述地铁列车上未接入钥匙时，所述控制器保持其工作模式不变；当各项所述通信状态均正常且所述地铁列车上接入钥匙时，所述控制器按照所述地铁列车钥匙激活状态改变切换原则而进入所述主工作模式或所述从工作模式；当所述状态更改条件中所述控制器与所述控制总线列车控制总线之间所述a接口的通信状态异常时，所述控制器按照所述a接口故障检测切换的原则而进入所述主工作模式或所述从工作模式；当所述状态更改条件中所述控制器与所述存储设备之间所述b接口的通信状态异常时，所述控制器按照所述b接口故障检测切换的原则而进入所述主工作模式或所述从工作模式；当所述状态更改条件中所述控制器与所述内部总线之间所述c接口的通信状态异常时，所述控制器按照所述c接口故障检测切换的原则进行工作模式切换，若处于从工作模式的所述控制器基于其判断c接口物理层故障的时间门限值而判断出其与所述内部总线通信的物理层出现异常时，该处于从工作模式的所述控制器更换为主工作模式；若处于主工作模式的所述控制器基于其判断c接口协议层故障的时间门限值而判断出其与所述控制总线列车控制总线通信的物理层正常而协议层故障时，该处于主工作模式的所述控制器更换为从工作模式；

因接口故障而切换工作模式的优先级高于因钥匙激活状态而切换工作模式的优先级；

所述主从工作方法用于实现进入所述主工作模式或所述从工作模式的所述控制器的工作；

所述主从工作方法为：处于所述主工作模式下的所述控制器调度所述列车控制总线/或所述内部总线发送点名数据帧、控制数据帧和/或自身状态数据帧，从而实现所述地铁车载广播系统的广播内容控制及启动停止的控制、动态地图显示的内容控制、lcd屏的显示内容控制，所述点名数据帧包含点名指定回送信息的处于所述从工作模式下的所述控制器的地址和/或车厢控制器的地址，所述控制数据帧包含广播信息、动态地图显示信息、lcd屏显示内容，所述自身状态数据帧包含所述控制器的内部所含设备的工作状态和故障信息以及所述主从切换原则里涉及到的实时通信状态，处于所述从工作模式下的所述控制器通过所述控制数据帧和所述自身状态数据帧实现数据同步，被点名的所述从工作模式下的所述控制器/所述车厢控制器应答所述处于所述主工作模式下的所述控制器，通过发送自身状态数据帧作为应答帧而向处于所述主工作模式下的所述控制器上报工作状态和故障信息。

优选的，当所述控制器检测到所述物理层上无数据的时间达到其判断c接口物理层故障的时间门限值时，所述控制器判断出其与所述内部总线通信的物理层出现异常；当所述控制器检测到所述物理层上无数据的时间未达到其判断c接口物理层故障的时间门限值而所述协议层上未接收到完整数据帧的时间达到其判断c接口协议层故障的时间门限值时，所述控制器判断出其与所述内部总线通信的物理层正常而协议层故障。

优选的，limit11＝limit12+mt2，limit21＝limit22+nt2，t2为总线周期。

优选的，m、n是互质的正整数。

优选的，limit11≠limit21，limit12≠limit22。

优选的，limit11＜limit21，limit12＜limit22。

优选的，当所述控制器与所述列车控制总线之间所述a接口的通信状态异常或所述控制器与所述内部总线之间所述c接口的通信状态异常时，在处于所述主工作模式的所述控制器发送所述点名数据帧且处于所述从工作模式的所述控制器发送所述应答帧后，所述控制器更换其工作模式。

优选的，处于所述主工作模式下的所述控制器发送所述点名数据帧的周期与处于所述从工作模式下的所述控制器或所述车厢控制器应答的周期相同。

优选的，处于所述主工作模式下的所述控制器发送所述点名数据帧的周期包括发送有效时段和发送无效时段，处于所述主工作模式下的所述控制器在所述发送有效时段发送所述点名数据帧；处于所述从工作模式下的所述控制器或所述车厢控制器应答的周期包括应答有效时段和应答无效时段，所述应答有效时段与所述发送无效时段相对应，所述处于所述从工作模式下的所述控制器或所述车厢控制器在所述应答有效时段应答处于所述主工作模式下的所述控制器并上报工作状态和故障信息。

优选的，所述应答有效时段短于所述发送无效时段。

优选的，所述内部总线采用半双工总线或网络方式的全双工总线。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的方法应用于地铁车载广播系统中能够实现两个控制器根据其工作状态而自动切换工作模式，无需人员操作，能够更好的实现对地铁车载广播系统的自动化控制，最大限度地降低局部的故障对广播系统的影响，从而提高广播系统的工作正常率，从而提高系统自动化水平，降低对人员的依赖程度。同时两个控制器能够实现实时的数据同步，保证主从发生切换时广播信息、地图信息不出现错误，避免了在切换工作模式时导致后续控制出现广播信息错报的问题。

附图说明

附图1为地铁车载广播系统的拓扑结构图。

附图2为控制器判断总线故障的方法以及发生故障后进行主从切换的切换原则示意图。

附图3为内部总线采用半双工总线时车载广播系统内部总线的时序分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：地铁列车上的地铁车载广播系统包括有两个控制器，分别位于车头和车尾的两个司机室中，每个控制器通过a接口与地铁列车上的列车控制总线相通信、通过b接口与其对应的存储设备相通信、通过c接口与地铁车载广播系统的内部总线相通信。位于车头和车尾的这两个控制器在地铁车载广播系统的中具有不同的地址码，分别为大地址码和小地址码。当地铁车载广播系统正常工作时，一个控制器需处于主工作模式而承担总线控制和广播控制功能，另一个控制器需处于从工作模式。内部总线既可以是全双工总线，也可以是半双工总线。以下以采用rs485总线或类似的半双工总线为例。

两个司机室分别为第一司机室和第二司机室，第一司机室中的控制器的各接口分别为a1、b1、c1，第二司机室中的控制器的各接口分别为a2、b2、c2。各接口的状态与所实现功能的关系如下表所示：

影响到车上广播系统正常显示和广播的主要因素有：传输总线出错、广播控制主机自身故障、语音文件及参数存储文件的设备出错、广播主机与列车控制总线传输出现故障。

一种应用于上述地铁车载广播系统中以实现其两个控制器互为热备的地铁车载广播系统主控热备方法，包括主从切换方法和主从工作方法两方面。

一、主从切换方法

主从切换方法用于确定控制器的工作模式，工作模式包括主工作模式和从工作模式，因此主从切换方法用于确定各个控制器需进入主工作模式还是从工作模式。

主从切换方法为：

预设基于控制器地址码的优先规则、地铁列车钥匙激活状态改变切换原则、a接口故障检测切换的原则和b接口故障检测切换的原则、c接口故障检测切换的原则。

基于控制器地址码的优先规则为：具有小地址码的控制器进入主工作模式、具有大地址码的控制器进入从工作模式，或者具有大地址码的控制器进入主工作模式、具有小地址码的控制器进入从工作模式。本实施例中采用第一种规则，即具有小地址码的控制器进入主工作模式、具有大地址码的控制器进入从工作模式。

地铁列车钥匙激活状态改变切换原则为：地铁列车的钥匙所在端的控制器进入主工作模式，地铁列车的钥匙未在端的控制器进入从工作模式。

a接口故障检测切换的原则为：当一端控制器的a接口正常而另一端控制器的a接口通信故障时，则正常一端的控制器进入主工作模式，故障一端的控制器进入从工作模式。

b接口故障检测切换的原则为：当一端控制器的b接口故障而另一端控制器的b接口正常时，则故障一端的控制器进入从工作模式，正常一端的控制器进入主工作模式。

此外，对具有大地址码的控制器设置判断c接口物理层故障的时间门限值为limit11，对具有小地址码的控制器设置判断c接口物理层故障的时间门限值为limit12，且limit11≠limit12。对具有大地址码的控制器设置判断c接口协议层故障的时间门限值为limit21，对具有小地址码的控制器设置判断c接口协议层故障的时间门限值为limit22，且limit21≠limit22。上述各判断c接口物理层故障的时间门限值和各判断c接口协议层故障的时间门限值通常满足limit11＝limit12+mt2，limit21＝limit22+nt2，t2为总线周期，其中m、n是互质的正整数。且对于同一个控制器，其判断c接口物理层故障的时间门限值与判断c接口物理层故障的时间门限值也不同，即limit11≠limit21，limit12≠limit22，通常取limit11＜limit21，limit12＜limit22。

地铁车载广播系统初始上电时，控制器按照基于控制器地址码的优先规则而进入主工作模式或从工作模式。通常情况下，地铁列车两端同时上电，因此，按照基于控制器地址码的优先规则，小地址码的控制器进入主工作模式，大地址码的控制器进入从工作模式。

上电后，各个控制器按照设定的频率实时对状态更改条件进行判断，已决定其是否需要更改工作模式。状态更改条件包括控制器与列车控制总线之间a接口的通信状态、控制器与存储设备之间b接口的通信状态、控制器与内部总线之间c接口的通信状态、地铁列车钥匙激活端状态四项。其中地铁列车钥匙激活端状态包括地铁列车上是否接入钥匙和哪一端接入钥匙。

当各项通信状态(包括a接口的通信状态、b接口的通信状态、c接口的通信状态)均正常且地铁列车上未接入钥匙时，各控制器保持其当前的工作模式不变。

当各项通信状态均正常且地铁列车上接入钥匙时，控制器按照地铁列车钥匙激活状态改变切换原则而进入主工作模式或从工作模式，即钥匙所在端的控制器进入主工作模式，而钥匙未在端的控制器进入从工作模式。系统初始上电时地铁列车未必会接入钥匙，只有司机上车准备开车或需要进行测试时才会接入钥匙，此时以钥匙为优先条件而确定两个控制器各自的工作模式。

当状态更改条件中控制器与列车控制总线之间a接口的通信状态异常时，控制器按照a接口故障检测切换的原则而进入主工作模式或从工作模式，即a接口正常一端的控制器进入主工作模式，a接口故障一端的控制器进入从工作模式。

当状态更改条件中控制器与存储设备之间b接口的通信状态异常时，控制器按照b接口故障检测切换的原则而进入主工作模式或从工作模式，即b接口正常一端的控制器进入主工作模式，b接口故障一端的控制器进入从工作模式。

当状态更改条件中控制器与内部总线之间c接口的通信状态异常时，控制器按照c接口故障检测切换的原则进行工作模式切换，具体为：对内部总线通信的物理层和协议层进行监控。若处于从工作模式的控制器基于其判断c接口物理层故障的时间门限值而判断出其与内部总线通信的物理层出现异常，即内部总线无数据时，说明此时可能出现内部总线硬件断开/对方控制器故障/两个控制器均进入从工作模式的问题，通常两个控制器均进入从工作模式不会出现，因此着重考虑总线硬件断开/对方控制器故障。此时，处于从工作模式的控制器检测到内部总线无数据，则为了避免出现无主工作模式的控制器的情况，该处于从工作模式的控制器更换为主工作模式，保证至少有一个控制器处于主工作模式而对地铁车载广播系统进行控制。若处于主工作模式的控制器基于其判断c接口协议层故障的时间门限值而判断出其与内部总线通信的物理层正常而协议层故障时，表明当前两个控制器均处于主工作模式，例如前述列车控制总线硬件故障排除后可能会出现此状态，则该处于主工作模式的控制器更换为从工作模式，交出总线调度权。由于两端控制器判断c接口协议层故障的时间门限值相差n个总线周期，从而可以避免两端的控制器同时进行主从切换。

在上述控制器对物理层和协议层监控的过程中，两个控制器均设置有判断c接口物理层故障的时间门限值和判断c接口协议层故障的时间门限值。通过该判断c接口物理层故障的时间门限值和判断c接口协议层故障的时间门限值的设置，可以避免控制器工作模式切换时由于信号抖动而出现乒乓效应，频繁更换工作模式。

当控制器检测到物理层上无数据的时间(无数据的时间通过物理层计时器进行统计)达到其判断c接口物理层故障的时间门限值时，控制器判断出其与内部总线通信的物理层出现异常；当控制器检测到物理层上无数据的时间未达到其判断c接口物理层故障的时间门限值而协议层上未接收到完整数据帧的时间(未接收到完整数据帧的时间通过协议层计时器进行统计)达到其判断c接口协议层故障的时间门限值时，控制器判断出其与内部总线通信的物理层正常而协议层故障。

控制器除了判断与内部总线的通信是否正常以外，还需判断与存储设备的通信，即读写存储设备是否有效，若无效则需进入从工作模式。

上述控制器进行主从切换的过程中，因接口故障而切换工作模式的优先级高于因钥匙激活状态而切换工作模式的优先级。

附图2所示为上述控制器判断总线故障的方法以及发生故障后进行主从切换的切换原则。

二、主从工作方法

主从工作方法用于实现进入主工作模式或从工作模式的控制器的工作。

主从工作方法为：

处于主工作模式下的控制器调度列车控制总线和/或内部总线发送点名数据帧(点名帧)、控制数据帧(控制帧)和/或自身状态数据帧(状态帧)，从而实现地铁车载广播系统的广播内容控制及启动停止的控制、动态地图显示的内容控制、lcd屏的显示内容控制。点名数据帧的帧头包含点名指定回送信息的处于从工作模式下的控制器的地址和/或车厢控制器的地址，控制数据帧包含广播信息(包括站点信息、广播切换信息等控制显示的内容)、动态地图显示信息、lcd屏显示内容，自身状态数据帧包含该控制器内部所含设备的工作状态、故障信息、其所在端钥匙激活状态以及主从切换原则里涉及到的实时通信状态(如控制器内部状态、钥匙激活状态、故障信息等)。

处于从工作模式下的控制器通过控制数据帧和自身状态数据帧实现数据同步，以实现两个控制器的控制状态同步跟踪，内部控制模式一致，最终达到对地铁车载广播系统的控制效果最大限度地不受控制器工作模式切换的影响，处于从工作模式下的控制器相比于处于主工作模式下的控制器，仅不对外输出广播语音信息和显示内容信息，即不输出控制帧和点名帧。当帧头部分的需要应答的地址与本控制器地址一致时，即处于从工作模式下的控制器/车厢控制器被点名，则从工作模式下的控制器/车厢控制器获得总线发送权而应答处于主工作模式下的控制器，并通过发送自身状态数据帧作为应答帧而向处于主工作模式下的控制器上报工作状态、故障信息和其所在端钥匙激活状态。通过数据同步，使处于从工作模式下工作的控制器，其站点信息、报站控制、参数配置、报警信息等完全跟从处于主工作模式下工作的控制器，从而保证在发生主从切换时能无损伤切换，保证在主从切换时不会发生报站的语音错误和动态地图、lcd屏的站点更新错误。

如附图3所示，主工作模式下的控制器按周期t1发送点名数据帧，而处于从工作模式下的控制器或车厢控制器按周期t2进行应答。处于主工作模式下的控制器发送点名数据帧的周期t1与处于从工作模式下的控制器或车厢控制器应答的周期t2相同。

处于主工作模式下的控制器发送点名数据帧的周期t1包括发送有效时段t11和发送无效时段t12，处于主工作模式下的控制器在发送有效时段t11发送点名数据帧。处于从工作模式下的控制器或车厢控制器应答的周期包括应答有效时段t21和应答无效时段t22，应答有效时段t21与至少部分发送无效时段t12相对应，应答有效时段t21短于发送无效时段t12。处于从工作模式下的控制器或车厢控制器在应答有效时段t21应答处于主工作模式下的控制器并上报工作状态和故障信息。

在主从切换方法中，当控制器与列车控制总线之间a接口的通信状态异常或控制器与内部总线之间b接口的通信状态异常(全双工内部总线时包括与内部总线c接口的通信状态异常时)时，在处于主工作模式的控制器发送点名数据帧且处于从工作模式的控制器发送应答帧后，控制器才更换其工作模式。内部总线为半双工时，c接口通信发生异常时则按照物理层、协议层的判断原则进行切换。

以上是内部总线采用rs485总线或类似的半双工总线时的工作方式。若内部总线采用网络方式的全双工总线，则控制器的发送周期无需上述严格控制，可以把点名应答方式更换为状态发生改变即发送应答帧的方式即可。

通过以上热备方法，能够最大限度地降低接口故障对广播系统广播和站点更新的不良影响。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。