電子計算機聯鎖系統通信協議設計及安全性分析

劉丹

摘 要 電子計算機技術正在廣泛的應用于各個部門，鐵道部也不例外。電子計算機的應用，能夠使鐵路運輸系統更加安全。由電子執行單元與聯鎖主機共同構成的電子計算機聯鎖系統增強了對聯鎖主機與信息模塊之間的信息交換與分析，通過科學的設計通信協議，確保其運行的安全性。本文通過介紹電子計算機聯鎖系統結構、工作原理以及連鎖主機與控制模塊之間的信息傳輸，提出了電子計算機聯鎖系統通信協議的設計，并分析了通信協議設計的安全性，為我國電子計算機聯網系統通信協議的設計提供一定的參考。

【關鍵詞】電子計算機聯鎖系統 通信協議設計 通信協議安全性

鐵道信號、信息是鐵路安全運輸安全性的基礎。隨著計算機技術的快速發展，鐵道部門摒棄了傳統的重力式繼電器，改用全電子計算機聯鎖系統控制鐵道信號。這種控制方法可以有效縮減鐵道信號控制室的面積，增強維護能力，而且施工量也較小。由于其自身的優越性，目前大多數鐵道部門正逐漸將其推廣。但是，電子計算機聯鎖系統在信息傳輸的過程中具有一定的風險，因此，必須設計相關的安全通信協議，保證鐵路信號可以得到有效的控制。

1 電子計算機聯鎖系統

1.1 電子計算機聯鎖系統結構以及工作原理

1.1.1 聯鎖系統結構

我國傳統的信號控制主要是通過6502電子集中聯鎖系統或者傳統電子計算機聯鎖系統控制重力繼電器來完成信號控制，這種控制方法占地面積大，維修難度大，機械的壽命周期短等。隨著通信技術與計算機技術的快速發展，新的電子計算機聯鎖系統采用全電子化控制，取消了重力繼電器，這將使信號控制以及數據傳輸更加科學與準確。

全電子計算機作為新的控制系統，其主要利用電子開關技術、計算機技術，通信技術、自動監測技術以及數字化技術對鐵路信號的控制。全電子計算機主要有上位機，聯鎖機和執行單元構成，其硬件采用了冗余結構形式。電子執行單元主要是由信號、岔道模塊以及其他不同的電子單元構成。

1.1.2 聯鎖系統工作原理

全電子計算機聯鎖系統主要的工作原理是命令-執行與信息反饋。電子計算機上位機發出命令，通過聯鎖機將命令信息發送給電子執行單元。電子單元采集室外設備信息，將信息傳送到聯鎖機，聯鎖機將設備信息進行處理，發送到上位機與顯示存儲上，維修人員通過檢查顯示存儲內容，就可以準確的找到設備的機械故障，這樣可以減少工作人員的時間。

1.2 聯鎖主機與控制模塊之間的信息傳輸

控制模塊主要包括信號機模塊、轉轍機模塊以及軌道電路模塊，通過聯鎖主機下發命令控制模塊的運行，從而控制整個鐵路系統。以信號機模塊為例，信號機模塊向聯鎖機上傳17種狀態信息，連鎖主機向信號機模塊下達16種命令信息。列車信號機模塊有8個燈位，每個等位有三種狀態：滅燈，閃燈，穩定燈。如圖1所示。

根據連鎖機下達的命令不同，信號機模塊通過命令信息控制不同的燈位，以此來達到信號的效應，保證列車的安全運輸。

2 電子計算機聯鎖系統通信協議設計以及安全性分析

2.1 電子計算機聯鎖系統通信協議設計

鐵路系統要求電子計算機聯鎖系統安全性高，安全等級必須達到SIL4級。這就要求電子計算機聯鎖系統必須采用內部封閉式的信息傳輸系統，避免信息在傳輸的過程中受到截取或者破壞，因此系統通信協議的設計必須注意其安全性與實時性。

在計算機聯鎖系統的設計中要關注重重復、插入、錯序、刪除、損壞、延時這六種隱患。因此，在設計中要充分考慮計算機聯鎖系統的可靠性與負載能力，保證聯鎖主機能夠準確，及時的控制三個子系統，能夠保證從命令下達到信息執行到信息反饋這一周期的時間不大于250毫秒，保證系統運行的及時性，才能確保運輸系統的安全性。在上位機與三個狀態模塊之間都要設計8bit的源地址和16bit的目標地址。在上位機的指令幀上，指令序號設為8bit，每完成一個指令周期，記錄模塊就會自動記錄，指令幀序號就會自動加一。當指令序號小于上一次的指令序號，模塊機就會將指令序號錯誤的信息發送于顯示記錄器，機組維修人員就可以及時維修指令機。如果指令序號和上一次序號一樣，就說明指令機在重發。根據聯鎖機傳遞給各個模塊的信息量以及幀的大小、長度不同，需要將狀態幀設為3bit。此外，為了確保系統的安全性與及時性，狀態幀和指令幀都應用了復雜的驗證碼。如果一個模塊一小時連續接受一百幀以內的錯誤驗證碼，這個連鎖系統依舊可以安全運行，如果一個模塊一小時內連續接收到接收到1千幀的錯誤密碼，聯鎖系統就會直接輸出安全指令，避免由于錯誤驗證碼對整個系統造成的損壞。如果狀態幀接收到信息實踐超過了250毫秒，那么就表明出現了通信延遲現象，該數據直接被視為無效數據。

2.2 電子計算機聯鎖系統通信協議安全性分析

如果在鐵路運輸過程中，電子計算機聯網系統信息傳遞發生誤傳、延時甚至信息傳遞錯誤等情況，這將直接導致鐵路運輸出現安全隱患，嚴重的情況下將會威脅人民的生命、財產安全。在系統信息傳輸的過程中，主要導致信息傳輸錯誤的有三種情況：

（1）控制器硬件發生損壞，最常見的損壞部位是隔離光柵和接口芯片。硬件損壞會導致基礎設備的參數的丟失，在沒有參數的基礎下，信息就無法辨認對錯，這將導致錯誤信息的發送，影響整體的網絡的安全。

（2）外部電磁對電子計算機系統的影響，這要求技術人員要加強對電子計算機的保護，避免電磁對計算機準確性形成不利影響。

（3）控制器局域網絡發生故障，這就要求技術人員要積極地應用現代數字信息技術，加強計算機網絡結構的嚴謹性與安全性。

3 結束語

綜上所述，電子計算機聯鎖系統通信協議的設計對于信息的傳送有著重要的作用，因此，要加強安全協議設的安全性與科學性。在設計的過程中，要保證實時性仿真，構建科學的仿真場景以及準確的分析仿真結果，從而來確保通信協議設計的科學性與安全性。

參考文獻

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作者單位

黑龍江工業學院 黑龍江省雞西市 158100