２０１５年２月 铁道通信信号 Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１５ 第５１卷第２期 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ ８乙ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ Ｖ０１．５１ Ｎｏ．２ 双机热备系统的主备切换研究 王江江 李志强 赵亮 摘要：双机热备是铁路信号设备提高可靠性最常见的方法之一。经过研究，提出一种新的热备 切换决策方法，采用同步机制和故障比较机制，使Ａ、Ｂ机均可快速得到确定的主备切换目标， 可保证双机热备系统一次切换成功，从而减少不必要的切换次数。 关键词：双机热备；故障比较；切换 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕａｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｈｏｔ—ｓｔａｎｄｂｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｓｉｇｎａ１ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｈｏｔ—ｓｔａｎｄｂｙ ｓｗｉｔｃ— ｈｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ Ａ ａｎｄ Ｂ ｔｏ ｄｅ— ｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｏｎｌｙ ｏｎｃｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ａｖｏｉｄ ｕｎｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｓｗｉｔｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｏｔ ｄｕａｌ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；Ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ；Ｓｗｉｔｃｈ ＤＯＩ：１０．１３８７９／ｊ．ｉｓｓｎｌ０００—７４５８．２０１５—０２．１４４８５ 通过对已有双机热备系统的研究，在传统主备 ３．会出现不必要的主备切换和双机因争抢导 切换决策方法的基础上，提出了有效的解决方案， 致的故障。比如有些系统设置了Ａ机优先于Ｂ机 形成了更准确、高效的主备切换决策方法。该方法 成为主机，那么在Ａ机发生间歇式故障时，会出 已在青藏铁路格拉线ＣＴＣ系统中得以应用，取得 现Ａ机故障后切换Ｂ机为主机，Ａ机故障暂时排 了良好的效果，并在２００８年获得专利局授权。 除以后，又切换回Ａ机。由于间歇性故障而导致 １ 既有双机热备切换技术的现状 主备机反复切换，从而导致系统不可用。 ４．对故障没有分级机制，只有故障状态和正 双机热备是铁路信号系统中用来提高设备可靠 常状态，不能根据故障等级的差异进行主备切换的 性的常见办法。使用一台机器做主机，另外一台做 决策。 备份。当主机故障时，备机自动成为主机继续运 行。这种简单互斥机制虽对设备可靠性和可维护性 ２对既有双机热备切换技术缺点的分析 都有明显的提升，但也表现出以下缺点。 在既有的主备切换中，无论是否向第三方仲裁 １．切换决定对单机是正确的，但从双机整体 模块申请成为主机，都是本机先做出主备切换的决 角度看，切换目标不一致，双机均想成为主机，可 策，然后通知伴机，通过互斥方法对决策结果再进 能导致反复切换或竞争。 行修正。在这个过程中，是先决策后协商。因此决 ２．主机不知道备机的状态，主机使用时，备 策结果存在一种不确定性，即本次切换可能由于伴 机的故障状态没有送给主机，备机也不参与整个系 机的原因而不能成功。主备切换并不是一台机器可 统的运算，因不能及时发现备机故障，等到主机也 以决定的，需要双机采取一致性行动。如果Ａ机 出现故障时，备机无法热备。 和Ｂ机的主备切换意图有冲突，那么双机热备的 主备切换都会出现反复和不确定性。即使暂时切换 王江江：卡斯柯信号有限公司 工程师１０００４５ 北京 成功，也会出现不必要的反复。为此，提出了一种 李志强：无锡地铁运营分公司工程师２１４１７１ 江苏无锡 赵亮：卡斯柯信号有限公司 工程师 １０００４５北京 先协商，后决策，确保双机采取一致眭行动的主备 收稿日期：２０１４一ｉ０—２８ 切换办法。 １ １．．．—— 铁道通信信号２０１５年第５１卷第２期 ３新的双机热备决策方法 该方法先由Ａ、Ｂ机分别检测自身的故障，然 后Ａ、Ｂ机之间进行同步，使２台机器均做到既了 解自己的工作状态，也了解伴机的工作状态，双机 记录的伴机状态字与对方的本机工作状态字相同）， 则表示完成一次工作状态字的同步，此时比较本机 和伴机工作状态字的大小，来决定本机是当主机还 是备机。如果本机的工作状态字大于伴机的工作状 态字，本机做主机，否则本机做备机。 ４．如果长时间无法收到伴机送来的工作状态 字，则认为伴机已经关机或死机，本机做主机。 热备结构图如图ｉ所示。２台机器分别根据故障比 较来自行决策是成为主机还是成为备机。具体步骤 如下。 ４既有方法和新方法的状态切换对比图 萎譬目 蓑厨萎譬国 图１双机热备结构 新方法和旧方法的状态对比图如 图２和图３所示，主要区别在于黑体 文字部分，新方法可保证２台机器的 主备切换目标一致，从而保 １．Ａ、Ｂ机根据自身的检测机制判断自身的故 障情况，然后加上本机的当前主备标记和Ａ、Ｂ机 切换成功。 发现对方机器为主机 或发现本机故障 标记，作为双机热备工作状态字。 双机热备工作状态字定义： Ｂｉｔ０：状态字的最低位，ＡＢ机位，如果是Ａ 机则为ｌ，否则为０，表示Ａ机具有变成主机的优 先权。 Ｂｉｔ１：主备机位，主机为１，备机为０，表示 主机具有继续保持主机的优先权。 Ｂｉｔ２：低级故障位，如果没有故障，则为１， 否则为０，表示没有故障的机器具有成为主机的优 先权。 图２既有双机热备切换状态 Ｂｉｔ３：高级故障位，如果没有故障，则为１， 否则为０，表示没有故障的机器具有成为主机的优 先权。故障级别低的机器具有成为主机的优先权。 收到伴机优先的工作状态字 双机切换目标一致 Ｂｉｔ４：更高级别的故障。 Ｂｉｔ５：再高级别的故障。 ＢｉｔＮ：最高级别的故障。 Ｂｉｔ２到ＢｉｔＮ又称为故障状态字。 ２．双机工作状态字的同步。使用多条串口和 网线同时负责双机的通信，保证通信有足够的冗 余。不管是Ａ机还是Ｂ机，每次通信均需要记录， 并向伴机发送２个工作状态字：一个是本机当前工 图３新方法的双机热备切换状态 ５新方案可行的扩展方法 １．在某些安全系统中，为了保证只有一个主 机，可以采用继电器做第三方仲裁机构，同步后， 如本机状态字大于伴机状态字时，不是直接切换为 作状态字，一个是本机上次从伴机收到的伴机工作 状态字。 ３．如果从伴机收到的２个工作状态字与本机 记录的２个工作状态字一致，（本机当前工作状态 字与对方送来的对方伴机工作状态字相同，且本机 １ ２ 主机，而是向第三方仲裁模块申请成为主机。同 （下转第５４页） 铁道通信信号２０１５年第５ｌ卷第２期 长期形成的不良习惯，结合风险管理要求，按照管 业检查力度。 理岗位、作业岗位分别制定了《安全风险卡控表》， ３．监督考核，让习惯符合标准。利用视频监 在人身安全、施工安全、故障处理、防洪安全、联 控系统，对现场设备的运用状态和人员的作业行为 锁安全、设备质量、机械室消防等风险点，一一对 实时监控。利用微机监测分析和现场抽查，排查有 应相关的卡控措施，通过落实作业标准改变不良 无违规上道作业。对发生违章违纪人员，进行处理 习惯。 和通报。２０１４年以来，段、车间分级分类通报处 ３推进检查常态化。夯实安全基础 理一、二、三级违章违纪１８３次，有效遏制了“两 违”的发生。审核下发上道作业命令３３２８个，没 １．建立多层次、全覆盖的安全、专业监督检 有发生违规行为。职工作业“两违”件数比上年减 查体系和对标检查评估制度。实行电务段职能部门 少１２ 。 日常动态抽查、月度互检、季度优胜车间检查、半 年安全评估检查，车间月度全面检查，工区月度质 ４结束语 量检查和班前、班中自我现场监督的体系。加强车 ２０１４年，洛阳电务段１７００名干部职工坚持 间安全员、班组安全员的管理、培训和指导，车间 “依靠标准保安全”的思路，大力加强管理标准化、 健全安全监督制度，对相关岗位人员量化检查工作 作业规范化、检查常态化建设，充分调动广大干部 标准。 职工遵章守纪、防控风险、干好工作的积极性和主 ２．加强安全、专业监督检查。按照业务职能 动性。经过广大干部职工的共同努力，实现了“夺 分工，把规章制度、技术标准、作业标准执行和重 取安全年”的预期目标，连续５年蝉联路局“安全 点工作（含生产任务）落实、安全关键风险管理等 生产标杆单位”，并荣获铁路总公司安全标准化段 内容作为重点项目，对严重问题及时预警，并追踪 荣誉称号。 复查整改情况，重点加强施工、“两违”、电缆等专 （责任编辑：温志红） （上接第１２页） 备状态。该方法充分利用了所有的故障信息，使所 样，如本机状态字小于伴机状态字时，也不直接切 有设备的故障、主备状态、ＡＢ机排序均被每一个 换为备机，而是向第三方仲裁模块申请成为备机。 双机热备决策模块所获知。采用了分布式计算的概 ２．为了实现人工强制切换，可以采集强制切 念，在热备决策过程中，杜绝了与伴机的反复信息 换开关，并将该采集位作为最高故障位。如此，则 交互，实现了给出任务，分布运算，从上到下一次 当强制切换开关指向Ａ机时，Ａ机的状态字必然 性完成热备决策。该方法强调了结果的惟一性，通 大于Ｂ机，从而成为主机。 过ＡＢ机排序，消除了决策结果的随机性；同时强 ３．本机不仅检测自身的故障，同时检测伴机 调了可扩展性，使用分级别的故障状态字，适配不 的故障，并将该故障纳入故障状态字的计算，然后 同的故障检测机制和未来的多机热备扩展，为未来 进行比较，即可实现对故障的冗余检测。避免本机 的多机热备和冗余故障检测预留了扩展的空间。所 故障导致本机故障检测模块出问题，而导致的故障 以该方法具有主机了解所有相关机器故障，单机的 判断失误。 间歇性故障不会导致主备反复切换，可根据故障级 ４．可将多个采用本策略的双机热备决策机进 别进行切换决策，便于扩展等优点。 行级连。从而实现多机热备。 参考文献 Ｅｌｉ王秀娟．调度集中系统中双机热备机制的实现［Ｄ］．北 ６结论及展望 京交通大学学报：自然科学版，２００９（２）． ［２］杨晓芬．实时数据库系统双机热备机制设计与实 新的双机热备方法逻辑简单，只需一次同步、 现＿Ｊ］．计算机工程与应用，２０１２（２９）． 一次比对，就可以迅速地让２台机器搞清自己的主 ［３］王飞，曹桂均．双机热备系统心跳失效的防护方案ＥＪ］． 铁路计算机应用，２０１３（３）． （责任编辑：温志红） ５４一
