本發(fā)明涉及一種基于plc的仲裁冗余控制系統(tǒng)及方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通信。

背景技術(shù)：

1、在工藝鐵路領(lǐng)域，軟件系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色，它們負責列車調(diào)度、信號控制、安全監(jiān)控等關(guān)鍵任務(wù)。為了確保這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，特別是在面對硬件故障、網(wǎng)絡(luò)中斷或其他潛在風險時，采用仲裁冗余技術(shù)成為了一種常見的解決方案，仲裁冗余服務(wù)器技術(shù)通常與負載均衡器、數(shù)據(jù)庫復制、網(wǎng)絡(luò)冗余等技術(shù)相結(jié)合，形成一個完整的冗余解決方案。這種解決方案能夠確保系統(tǒng)在面臨各種挑戰(zhàn)時都能保持穩(wěn)定運行，為工藝鐵路的安全和高效運營提供有力支持。

2、現(xiàn)有技術(shù)大多使用仲裁冗余服務(wù)器，但仲裁冗余服務(wù)器存在以下缺點：

3、一、成本：仲裁冗余服務(wù)器需要額外的硬件和軟件資源，增加了系統(tǒng)的總體成本。同時，為了保持系統(tǒng)的冗余性，需要定期進行維護和更新，這也需要額外的投入。

4、二、復雜性：仲裁冗余服務(wù)器的配置和管理相對復雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作。如果配置不當或管理不善，可能會導致系統(tǒng)性能下降或出現(xiàn)故障。

5、三、資源利用率：在正常情況下，備份服務(wù)器可能處于空閑狀態(tài)，導致資源利用率不高。這可能會增加能源消耗和運營成本。

6、四、單點故障：雖然仲裁冗余服務(wù)器可以提高系統(tǒng)的容錯性，但如果備份服務(wù)器也出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將面臨單點故障的風險。因此，需要確保備份服務(wù)器的穩(wěn)定性和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于plc的仲裁冗余控制系統(tǒng)及方法，針對現(xiàn)有仲裁冗余服務(wù)器存在的缺點，采用plc來實現(xiàn)仲裁冗余功能，降低了建設(shè)和維護成本、降低了系統(tǒng)的復雜性和維護難度、提高了資源利用率、規(guī)避了單點故障的風險。

2、為達到上述目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于plc的仲裁冗余控制方法，包括：

4、接收服務(wù)器下發(fā)的主機切換指令；

5、響應(yīng)于收到任意服務(wù)器下發(fā)的主機切換指令時，判斷發(fā)出該指令的服務(wù)器的主備狀態(tài)；

6、響應(yīng)于發(fā)出該指令的服務(wù)器為主機時，拒絕響應(yīng)該指令；

7、響應(yīng)于發(fā)出該指令的服務(wù)器為備機時，對服務(wù)器的綜合健康度進行計算；

8、響應(yīng)于服務(wù)器的綜合健康度達到指定標準時，切換發(fā)出該指令的服務(wù)器為主機；

9、響應(yīng)于服務(wù)器的綜合健康度未達到指定標準時，拒絕響應(yīng)該指令，并對外發(fā)出故障信號。

10、進一步的，多臺所述服務(wù)器之間保持心跳連接，其中任意服務(wù)器響應(yīng)于到其他服務(wù)器的故障信號時，向plc下發(fā)主機切換指令。

11、進一步的，每臺所述服務(wù)器均連接有應(yīng)用終端，所述應(yīng)用終端能夠獲取服務(wù)器的主備狀態(tài)，以及，將備機服務(wù)器強制切換為主機服務(wù)器，所述服務(wù)器能夠向plc獲取本機的主備狀態(tài)，以及，向外提供本機的主備狀態(tài)；所述應(yīng)用終端數(shù)量為多個，且應(yīng)用終端之間是相互獨立的，所述備機服務(wù)器能夠單獨運行，且單獨運行時向plc下發(fā)主機切換指令；所述plc和多臺服務(wù)器之間均保持心跳連接，且plc接收到任意服務(wù)器下發(fā)的主機切換指令后，判斷plc本身與主機之間心跳是否正常：響應(yīng)于心跳不正常時，切換發(fā)出該指令的服務(wù)器為主機；響應(yīng)于心跳正常時，拒絕響應(yīng)該執(zhí)行。

12、進一步的，所述服務(wù)器的綜合健康度計算公式為：

13、h(t)＝α(t)×[σ(w_i×f_i)]+β(t)×c(t)+γ(t)×d(t)

14、式中：h(t)為服務(wù)器的綜合健康度，α(t)為實時性權(quán)重系數(shù)；β(t)為歷史趨勢權(quán)重系數(shù)；γ(t)為環(huán)境補償權(quán)重；w_i為各因子動態(tài)權(quán)重；c(t)為復合型健康指標；d(t)為設(shè)備老化衰減因子；f_i為基礎(chǔ)健康因子集合。

15、進一步的，所述基礎(chǔ)健康因子集合包括網(wǎng)絡(luò)通信因子、資源負載因子和環(huán)境適配因子，其中：

16、f_network＝ω_1×f_delay+ω_2×f_loss+ω_3×f_jitter

17、f_delay＝e^{-(δt/τ)^2}

18、f_loss＝1-(n_loss/n_total)^2

19、f_jitter＝1/(1+10×σ_jitter)

20、式中：f_network為網(wǎng)絡(luò)通信因子，w_1為延遲因子動態(tài)權(quán)重，f_delay為延遲因子，ω_2為丟包因子動態(tài)權(quán)重，f_loss為丟包因子，ω_3為抖動因子動態(tài)權(quán)重，f_jitter為抖動因子，δt為實測網(wǎng)絡(luò)延遲，τ為基準延遲閾值，n_loss為連續(xù)丟包次數(shù)，n_total為檢測周期總發(fā)包數(shù)，σ_jitter為延遲標準差；

21、f_resource＝0.4×(1-cpu_usage)+0.3×(1-mem_usage)+0.2×disk_health+0.1

22、×process_integrity

23、式中：f_network為資源負載因子，cpu_usage為cpu使用率，mem_usage為內(nèi)存使用率，disk_health為壞道數(shù)，process_integrity為關(guān)鍵進程存活數(shù)；

24、f_environment＝1-0.7×|t_current-t_opt|/t_range-0.3×vibration_level

25、式中：f_environment為環(huán)境適配因子，t_current為設(shè)備內(nèi)部溫度，t_opt為最佳工作溫度，t_range為允許溫度波動范圍，vibration_level為振動強度等級。

26、進一步的，所述實時性權(quán)重系數(shù)α(t)的計算公式為：

27、α(t)＝α_base+k_p×δh(t)+k_d×dδh/dt

28、式中：α_base為基礎(chǔ)權(quán)重，k_p為比例系數(shù)，k_d為微分系數(shù)，δh(t)為健康度變化量；

29、所述歷史趨勢權(quán)重β(t)的計算公式為：

30、β(t)＝ρ×β(t-1)+(1-ρ)×[1-mse(t)/mse_max]

31、式中：ρ為遺忘因子，mse(t)為最近n個周期預(yù)測誤差，mse_max為最大允許均方誤差；

32、所述環(huán)境補償權(quán)重γ(t)的計算公式為：

33、γ(t)＝tanh(η×e(t))×γ_max

34、式中：η為靈敏度系數(shù)，e(t)為環(huán)境異常指數(shù)，γ_max為最大補償權(quán)重。

35、進一步的，所述服務(wù)器的綜合健康度計算過程中結(jié)合了基于lstm的預(yù)測模型、卡爾曼濾波修正和設(shè)備老化補償模型，計算公式為：

36、

37、式中：為基于lstm的預(yù)測模型，m為時間窗口長度(默認10周期)，ε(t)＝白噪聲修正項；

38、

39、k＝p_pred/(p_pred+r)

40、式中：h_corrected(t)為卡爾曼濾波修正，k為卡爾曼增益，p_pred為預(yù)測方差，r為測量噪聲方差；

41、d(t)＝d_0×e^{-λ×(t-t0)}+d_offset

42、式中：d(t)為設(shè)備老化衰減因子，d_0為初始健康度，λ為老化速率系數(shù)，t0為設(shè)備投運時間戳，d_offset為最低健康度閾值。

43、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于plc的仲裁冗余控制系統(tǒng)，包括：

44、指令接收模塊：接收服務(wù)器下發(fā)的主機切換指令；

45、主備判斷模塊：響應(yīng)于收到任意服務(wù)器下發(fā)的主機切換指令時，判斷發(fā)出該指令的服務(wù)器的主備狀態(tài)；

46、指令執(zhí)行模塊：響應(yīng)于發(fā)出該指令的服務(wù)器為主機時，拒絕響應(yīng)該指令；響應(yīng)于發(fā)出該指令的服務(wù)器為備機時，對服務(wù)器的綜合健康度進行計算；響應(yīng)于服務(wù)器的綜合健康度達到指定標準時，切換發(fā)出該指令的服務(wù)器為主機；響應(yīng)于服務(wù)器的綜合健康度未達到指定標準時，拒絕響應(yīng)該指令，并對外發(fā)出故障信號。

47、第三方面，本發(fā)明提供了一種基于plc的仲裁冗余控制裝置，包括處理器及存儲介質(zhì)；

48、所述存儲介質(zhì)用于存儲指令；

49、所述處理器用于根據(jù)所述指令進行操作以執(zhí)行根據(jù)上述任一項所述方法的步驟。

50、第四方面，本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述任一項所述方法的步驟。

51、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達到的有益效果：

52、一、成本效益：在某些小型或中等規(guī)模的應(yīng)用中，使用plc替代仲裁冗余服務(wù)器具有更低的成本和更高的效率。在小型或中等規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用中，使用plc可能更加經(jīng)濟高效，因為它不需要額外的服務(wù)器硬件和軟件投資。另外，plc是專門為工業(yè)自動化環(huán)境設(shè)計的，通常具有更高的性價比，尤其是在需要控制簡單邏輯和過程的應(yīng)用中。

53、二、簡化配置和管理：plc通常使用面向控制過程的自然語言進行編程，使得配置和維護更加簡單易懂，通常不需要像仲裁冗余服務(wù)器那樣復雜的設(shè)置和維護，包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用程序等方面的維護，這降低了對專業(yè)技術(shù)人員的需求，使得系統(tǒng)更容易部署和維護。

54、三、實時性和響應(yīng)速度：plc通常具有較快的響應(yīng)速度和實時性，能夠確保在毫秒級的時間內(nèi)對輸入信號做出反應(yīng)，這對于需要快速響應(yīng)的工業(yè)自動化應(yīng)用至關(guān)重要。相比之下，仲裁冗余服務(wù)器在處理復雜任務(wù)時可能需要更多的時間。

55、四、適應(yīng)性和靈活性：plc是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的，能夠在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運行，如高溫、高濕、塵埃、振動等。而傳統(tǒng)的服務(wù)器可能對這些環(huán)境因素較為敏感，因此，在需要高度可靠性和穩(wěn)定性的工業(yè)應(yīng)用中，plc更具優(yōu)勢。plc的可編程性允許用戶根據(jù)實際需求進行定制開發(fā)，以滿足不同的控制需求。這使得plc在適應(yīng)性和靈活性方面更具優(yōu)勢，能夠應(yīng)對各種復雜的工業(yè)自動化應(yīng)用。

56、五、穩(wěn)定性和可靠性：plc具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中長期穩(wěn)定運行。此外，plc冗余系統(tǒng)能夠進一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)故障率。

57、六、本方案引入了控制論中的pid權(quán)重調(diào)節(jié)機制，融合物理環(huán)境感知的多維度因子，結(jié)合基于設(shè)備老化模型的動態(tài)衰減補償，并采用lstm+卡爾曼濾波的智能預(yù)測修正，克服了傳統(tǒng)方法中通過固定權(quán)重評估、單一網(wǎng)絡(luò)檢測、靜態(tài)閾值判斷和人工經(jīng)驗校準的問題。