全電子計算機聯鎖系統中通信協議方案及安全性分析

郭杰

摘 要：全電子計算機聯鎖系統在實際應用過程中，需要全電子執行單元與聯鎖主機結合，但兩者在結合中存在通信協議選擇及通信協議安全性等問題，某種程度上阻礙了全電子計算機聯鎖系統的推廣。文章通過分析全電子計算機連鎖系統結構及工作原理、聯鎖主機與控制模塊間的信息傳輸，重點設計了全電子計算機聯鎖系統中通信協議，實現了通信協議的安全性分析與計算，為全電子計算機聯鎖系統的廣泛應用提供參考。

關鍵詞：全電子計算機聯鎖系統；信息傳輸；通信協議；安全性計算

全電子計算機聯鎖系統由于取消了傳統的重力式安全繼電器，可維護性明顯提升[1]，控制室占地面積縮減，施工工作量大大減少，是目前我國鐵路信號控制系統發展的重要趨勢。全電子計算機聯鎖系統在軌道交通中的應用，能夠有效提升軌道交通運營的安全性、智能性和高效性，減少軌道交通運營成本。通過對全電子計算機聯鎖系統通信協議方案探討，進行通信協議安全計算，可為全電子計算機聯鎖系統的廣泛應用提供科學依據。所以，本研究無論是對于軌道交通的發展，還是該系統在更多領域的應用都具有重要價值。

1 全電子計算機聯鎖系統

1.1 聯鎖系統結構

傳統的信號控制方法存在著維修不便、占地面積大、機械使用時間短等弊端。在當今科技飛速發展的環境下，新的全電子計算機聯鎖系統取消了重力繼電器，利用電子開關技術、通信技術等控制鐵路信號，有效提升了信號控制與數據傳輸的科學性與準確度。全電子計算機聯鎖系統包括聯鎖主機和全電子執行單元兩部分。聯鎖主機的任務是進行聯鎖邏輯運算；全電子執行單元由若干執行機柜組成，其任務是進行轉轍機、信號機、軌道電路等室外設備的控制和狀態采集，根據被控設備的不同，全電子執行單元包含11種控制模塊[2]。

1.2 聯鎖系統工作原理

全電子計算機聯鎖系統工作原理就是命令—執行與信息反饋，如圖1所示。由電子計算機上位機發出命令，繼而借助于聯鎖機將命令信息傳輸到電子執行單元。同時，電子單元采集室外設備信息，再借助于連鎖機進行信息處理，將處理后的信息傳輸到上位機，維修人員通過顯示存儲內容了解設備的機械故障，有效縮減了故障排查時間，提高了工作效率。

1.3 聯鎖主機與控制模塊間的信息傳輸

控制模塊的運行通過聯鎖主機下發命令來實現，從而對整個軌道系統進行控制?？刂颇K一般包括信號機模塊、轉轍機模塊、軌道電路模塊，如信號機模塊，列車信號機模塊有8個燈位，每個燈位都存在滅燈、閃燈、穩定燈3種狀態。連鎖機下達相應的命令，信號機模塊據此實現對各燈位的有效控制，實現列車安全穩定運行。

2 通信協議方案分析

全電子計算機聯鎖系統對安全性、實時性要求較高，安全性能需達到安全完整性等級（Safety Integrity Level，SIL）4級，系統工作周期不超過250 ms，本文設計通信協議方案如下。

（1）聯鎖主機與全電子執行單元各控制模塊間的通信通過控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線實現，波特率為500 kbit/s。從CAN總線負載與可靠性角度分析，每條CAN總線子網對執行機柜的通信控制不得超過2個，子網布置最多不超過3個。系統中CAN總線選擇呼叫應答方式，系統訪問周期應控制在250 ms之內，也就是說聯鎖主機需在250 ms內向整個網絡各控制模塊發送1次及以上命令幀。

（2）在命令幀和狀態幀中設置8 bit的源地址（聯鎖主機地址）和16 bit的目標地址（控制模塊地址），設置4 bit長度的報文類型碼。在命令幀中，設置8 bit的幀序列號，控制模塊需要記錄接收到的幀序列號，若本次接收的幀序列號比上次小，意味著幀順序有誤，若相等，意味著重發錯誤[3]。

（3）命令幀和狀態幀中的應用數據均設為3個字節。命令幀和狀態幀均選擇32位CRC校驗碼，校驗范圍為CAN數據幀中每幀的報文頭和安全校驗域。

（4）控制模塊通過比較本次與上次接收命令的時間差異判斷通信情況，每個控制模塊連續10幀收到錯誤報文時，輸出安全側狀態，1小時內共收到100幀錯誤報文時，輸出安全側狀態。聯鎖主機在1小時內共收到1 000幀錯誤報文時，整個系統輸出安全側命令[4]。

（5）每個控制模塊連續10幀收到錯誤報文時，輸出安全側狀態，1小時內共收到100幀錯誤報文時，輸出安全側狀態。聯鎖主機在1小時內共收到1 000幀錯誤報文時，整個系統輸出安全側命令。由此得到本文設計的全電子計算機聯鎖系統通信協議方案如表1所示。

3 通信協議的安全性分析與計算

在依據上述通信協議傳輸信息的過程中，如果出現信息傳輸錯誤且未被有效檢出，便會出現錯誤輸出。經綜合考量，本系統一般會在3種情況下出現信息傳輸錯誤：（1）CAN總線硬件失效造成的報文損壞；（2）外部環境對CAN總線干擾造成的報文損壞；（3）CAN總線編碼校驗器損壞，這時，各損壞的報文均可能被發送到控制模塊或聯鎖主機[5]。

若設N1為系統通信子網最大值；N2為各通信子網中控制模塊數量最大值；k為各控制模塊在1小時內接收的錯誤命令幀的最大值；NM為系統在1小時內輸出安全側前收到最大錯誤幀數量。在每個控制模塊1小時共收到100幀錯誤報文時NM值最大，且NM=N1N2k=3×64×100=1.9×104。

3.1 CAN總線硬件故障造成的錯誤失效率

每條CAN總線硬件故障造成的錯誤失效率RH1=mNM RHWpUS。其中，m表示安全余量，RHW表示CAN總線的硬件失效率，pUS表示安全編碼不能檢測出錯誤報文的概率。若令m=5，NM=1.9×104，RHW=10-5，pUS=2-32=2.3×10-10，則有RH1=2.2×10-10。

3.2 外部環境對CAN總線干擾造成的錯誤失效率

外部環境干擾造成的錯誤失效率RH2=pUTpUS NM。其中，pUT表示CAN總線自帶的12位的循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）碼不能檢測出錯誤報文的概率。由此保守估計得到，RH2≤pUS NM=4.4×10-5。

3.3 CAN總線編碼校驗器損壞造成的錯誤失效率

CAN總線編碼校驗器損壞造成的錯誤失效率RH3=pUS/T，其中，T表示連續接收規定數量的損壞報文轉入安全狀態的時間。由上述通信協議設計方案得到，T=250 ms×10=7.0×10-4 h，由此得到RH3=3.3×10-7。

4 結語

綜上所述，全電子計算機聯鎖系統通信協議與安全性研究，在系統設信息傳輸中具有重要作用，對于提升系統應用的安全性與科學性具有重要意義。本文結合全電子計算機連鎖系統結構及工作原理、聯鎖主機與控制模塊間的信息傳輸特征，設計的全電子計算機聯鎖系統中通信協議，通過安全性計算結果驗證了該協議的全電子計算機聯鎖系統在實際應用中的安全可靠性。

[參考文獻]

[1]謝林，楊揚.全電子計算機聯鎖信號控制模塊設計[J].鐵道通信信號，2016（9）：8-11.

[2]韓江龍.基于全電子計算機聯鎖的道岔控制監測模塊設計[D].成都：西南交通大學，2015.

[3]王瑞峰，劉濤，李瀅.區域計算機聯鎖系統站間安全通信協議的設計與分析[J].鐵道學報，2015（3）：59-63.

[4]蘇思琦.全電子計算機聯鎖系統信號模塊安全性分析[D].蘭州：蘭州交通大學，2013.

[5]張鑫.全電子聯鎖中聯鎖機和通信機間安全通信協議的研究[D].成都：西南交通大學，2012.endprint