面向車車通信的安全計算機時間約束性分析驗證

高鶯，曹源，孫永奎，馬連川，洪春華，張玉琢

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2. 北京交通大學(xué)軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044；3. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

1 引言

現(xiàn)代軌道交通列車運行控制系統(tǒng)采用分布式、疊加結(jié)構(gòu)，通過地面子系統(tǒng)設(shè)備和車載子系統(tǒng)設(shè)備之間的通信實現(xiàn)列車運行控制[1]。但是隨著現(xiàn)代無線技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)將從車地協(xié)同控制模式向更加智能化的車車通信模式發(fā)展，以滿足日益增長的行車組織要求。車車通信技術(shù)旨在盡可能減少地面子系統(tǒng)設(shè)備，并將地面子系統(tǒng)功能整合到車載子系統(tǒng)中，使列車運行控制模式由列車和地面子系統(tǒng)協(xié)同控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱熊囍g直接協(xié)同控制[2]。由于車車通信技術(shù)對車載安全計算機功能的要求愈加苛刻，其軟件應(yīng)用也將愈加龐大，使面向車車通信的安全計算機成為多周期性應(yīng)用并發(fā)的實時控制系統(tǒng)。支持多任務(wù)并發(fā)的系統(tǒng)雖然具有資源整合共享、降低系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)勢，但也存在影響系統(tǒng)運行實時性及應(yīng)用執(zhí)行時間不確定延時的問題。

時間約束性是安全關(guān)鍵系統(tǒng)重要的特性。安全計算機在規(guī)定的時間內(nèi)完成安全控制邏輯，才能保證行車安全。IEC61508標(biāo)準(zhǔn)和EN50128標(biāo)準(zhǔn)均對安全關(guān)鍵系統(tǒng)的軟件功能提出時間約束性要求[3]。由于時間約束性在安全關(guān)鍵系統(tǒng)中的重要性，針對實時系統(tǒng)的時間約束性問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出相關(guān)的驗證和建模方法。文獻(xiàn)[4]中提出了一種實時系統(tǒng)的時間約束建模和一致性驗證方法，可針對性地檢驗系統(tǒng)的時間缺陷。文獻(xiàn)[5]中提出了基于時間Petri網(wǎng)的實時系統(tǒng)可調(diào)度性分析方法，說明了時間Petri網(wǎng)能有效地分析實時系統(tǒng)的時間特性。也有學(xué)者利用Petri網(wǎng)對實時系統(tǒng)進(jìn)行組合可調(diào)度性[6]和獨立性[7]分析，說明該方法適用于分析安全關(guān)鍵系統(tǒng)的特性。文獻(xiàn)[8]通過分析具有標(biāo)記的時間 Petri網(wǎng)系統(tǒng)的可診斷性，說明時間Petri網(wǎng)適用于安全關(guān)鍵系統(tǒng)的故障診斷。文獻(xiàn)[9]分析了時間約束 Petri網(wǎng)模型及其可調(diào)度性，從而驗證了時間Petri網(wǎng)能有效描述和分析時間約束性問題。文獻(xiàn)[10]研究了基于時間Petri網(wǎng)的實時并行設(shè)計過程，定量分析了實時并行過程的時域性，說明時間Petri網(wǎng)可為并行設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

在軌道交通領(lǐng)域，時間Petri網(wǎng)主要用于分析列車運輸調(diào)度問題。文獻(xiàn)[11]提出基于時間Petri網(wǎng)的推理算法，驗證了時間約束的列車運行調(diào)整方案的可行性。文獻(xiàn)[12]提出了基于模糊時間Petri網(wǎng)的列車運行時間不確定問題的處理方法。然而，目前國內(nèi)外針對安全計算機安全性方面的研究，主要集中在硬件安全設(shè)計方法，如2乘2取2架構(gòu)、3取2架構(gòu)等。同時為了確保軌道控制設(shè)備的安全性和可靠性，車載安全計算機只采用經(jīng)過反復(fù)驗證的計算機硬件，其性能遠(yuǎn)低于主流的計算機。由于車載安全計算機硬件安全結(jié)構(gòu)和性能等方面的限制，同時也缺乏針對多周期性應(yīng)用時間約束性的驗證和評估方法，導(dǎo)致其系統(tǒng)軟件設(shè)計更加保守化，嚴(yán)重制約軌道交通控制技術(shù)的發(fā)展。因此本文以目前安全計算機硬件結(jié)構(gòu)和性能現(xiàn)狀入手，針對面向車車通信的車載安全計算機多周期性應(yīng)用的時間約束性問題，首次采用時間 Petri網(wǎng)建模驗證，以說明多周期性應(yīng)用能夠滿足車載安全計算機時間約束性的安全需求。

2 車車通信系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)是目前國內(nèi)外大部分城市軌道交通使用的信號系統(tǒng)技術(shù)。CBTC系統(tǒng)主要采用車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)相互協(xié)作實現(xiàn)列車行車控制和移動閉塞功能，因此線路中存在許多區(qū)域控制器（ZC, zone controller）、計算機聯(lián)鎖（CBI, computer-based interlocking）等地面設(shè)備。然而，復(fù)雜的地面設(shè)備導(dǎo)致子系統(tǒng)之間接口復(fù)雜化，系統(tǒng)維護(hù)成本高，運營靈活性差等諸多問題。為解決以上問題，國內(nèi)外開始研究軌道交通信號系統(tǒng)車車通信技術(shù)，以簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，精簡軌旁設(shè)備，提高并優(yōu)化系統(tǒng)性能，如法國里爾地鐵1號線已經(jīng)采用了以目標(biāo)控制器和列車為核心的控制系統(tǒng)[2]。

在基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)中，區(qū)域控制器、聯(lián)鎖設(shè)備的功能被智能化的目標(biāo)控制器和車載設(shè)備所取代，從而改變現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)以地面控制設(shè)備為核心的架構(gòu)，使車載系統(tǒng)成為行車控制核心。通過現(xiàn)代無線通信（如wlan、LTE-M）和移動控制算法[13-14]等技術(shù)實現(xiàn)列車與列車之間，列車與目標(biāo)控制設(shè)備之間直接協(xié)同控制，降低系統(tǒng)對軌旁設(shè)備的依賴，減少系統(tǒng)控制流中間環(huán)節(jié)，如圖 1所示。基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)復(fù)雜度，降低維護(hù)成本，提高運營的靈活度，并將全面提高對車載安全計算機的性能需求。多個獨立控制功能模塊整合到車載安全計算機中，使其設(shè)計面臨多應(yīng)用并發(fā)和系統(tǒng)實時性之間的矛盾。列車運行控制系統(tǒng)作為安全關(guān)鍵實時控制系統(tǒng)，其應(yīng)用邏輯設(shè)計基本采用周期性時限執(zhí)行的控制算法，對執(zhí)行的時間約束性要求高。而目前CBTC系統(tǒng)的車載安全計算機只考慮簡單應(yīng)用需求場景，缺少對多個獨立功能模塊整合的并發(fā)系統(tǒng)的研究，針對該問題，本文對安全計算機多應(yīng)用并發(fā)性進(jìn)行時間約束性分析，對CBTC系統(tǒng)由車地通信模式向車車通信模式轉(zhuǎn)換有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 車車通信系統(tǒng)架構(gòu)

3 時間約束性分析

3.1 時間Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)概念最早于1962年由德國Carl Adam Petri提出，直觀的圖形表示特點和完善的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)使其特別適合描述異步并發(fā)系統(tǒng)。隨著時間因素在實際應(yīng)用分析中愈加重要，出現(xiàn) TPN分支理論[9]。TPN也是 IEC61508和 EN50128軟件完整性等級SIL4所推薦的建模方法。下面以圖2為例分析TPN模型的參數(shù)含義。

如圖2所示的TPN模型描述的是在T0時刻庫所sn開始等待接收托肯，由于傳輸延時，托肯到達(dá)庫所存在延時。

圖2 基本TPN模型片段

定義1可調(diào)度性。若考慮變遷tn和庫所托肯到達(dá)的時間，且變遷tn滿足式(1)，則稱其具有強可調(diào)度性。若不考慮庫所托肯到達(dá)的時間，則稱為弱可調(diào)度性[9]。

變遷滿足可調(diào)度性是指在一定的可調(diào)度范圍內(nèi)，通過調(diào)度調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)滿足時間約束性變遷，而不是在任何時間點都能實現(xiàn)變遷[9]。

3.2 安全計算機TPN模型

目前，國內(nèi)外車載安全計算機基本采用分布式2乘2取2容錯結(jié)構(gòu)，每系獨立劃分為通用計算域、安全管理域[3]。實時系統(tǒng)的應(yīng)用運行在通用計算域，并由安全管理域監(jiān)督。安全計算機應(yīng)用運行采用基于時間觸發(fā)式的調(diào)度機制，在限定周期內(nèi)完成一次應(yīng)用執(zhí)行邏輯，即周期性控制算法。為提高控制精確度，將一個應(yīng)用執(zhí)行周期T劃分 3個子周期：數(shù)據(jù)輸入子周期、應(yīng)用運算子周期、數(shù)據(jù)輸出子周期。每個子周期在規(guī)定時間內(nèi)完成相應(yīng)邏輯處理后，向安全管理域報告運行狀態(tài)，由安全管理域根據(jù)時間約束性判斷應(yīng)用執(zhí)行邏輯是否滿足安全要求，如圖4所示。

圖3 TPN片段時間流描述

圖4 安全計算機時間調(diào)度算法

若應(yīng)用出現(xiàn)故障不滿足時間約束關(guān)系，則容錯安全管理域能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)應(yīng)用故障，從而采取有效安全措施防止事故發(fā)生。由安全計算機控制過程可知，車載安全計算機中系統(tǒng)應(yīng)用在安全控制邏輯中被周期性調(diào)用執(zhí)行，只要周期性應(yīng)用不滿足時間約束要求，就會觸發(fā)安全計算機安全處理邏輯，使系統(tǒng)導(dǎo)向安全。根據(jù)圖4安全控制邏輯流程，對時間觸發(fā)式控制算法建立TPN模型，如圖5和表1所示。

圖5 安全計算機時間調(diào)度算法TPN模型

表1 TPN模型變遷含義

由圖5可知TPN模型能直觀描述安全計算機平臺邏輯的時間約束特性。由于多任務(wù)多應(yīng)用的復(fù)雜并發(fā)系統(tǒng)存在有限的資源（輸入輸出資源、CPU資源等）復(fù)用問題，需要增加調(diào)度機制實現(xiàn)多個應(yīng)用并發(fā)管理。假定單應(yīng)用的TPN模型變遷都是可調(diào)度的，即在單任務(wù)的簡單控制系統(tǒng)中，滿足時間約束性要求的條件下，只要增加的調(diào)度變遷是可調(diào)度的，則多應(yīng)用并行就能在滿足時間約束關(guān)系條件下成功變遷。

3.3 調(diào)度變遷可調(diào)度條件

3.3.1 應(yīng)用調(diào)度變遷

在多個周期性應(yīng)用并行模式下，應(yīng)用通過多線程（或多任務(wù)）調(diào)度機制實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。由于系統(tǒng)基于嵌入式實時操作系統(tǒng)，線程上下文切換開銷時間與應(yīng)用邏輯處理時間相比可忽略不計。設(shè)應(yīng)用執(zhí)行調(diào)度變遷為k，系統(tǒng)各應(yīng)用的變遷運算處理耗時為ti，則n個應(yīng)用并行情況下，最長可能變遷延時為

在應(yīng)用執(zhí)行階段只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)邏輯處理，數(shù)據(jù)獲取和傳輸都在其他時間段執(zhí)行，因此Ta(sk)=0，Tl(sk)=0，并且托肯的使能時間約束區(qū)間與觸發(fā)約束區(qū)間相同。同時該變遷的某個時間約束段可能屬于多個應(yīng)用的時間約束區(qū)間，這種情況下該時間約束區(qū)取各個應(yīng)用中最短的時間約束區(qū)間，即

且由定義1可知，若要滿足強可調(diào)度，則變遷k需滿足式(4)。

3.3.2 輸入調(diào)度變遷

在多應(yīng)用并發(fā)執(zhí)行模式下，每個應(yīng)用輸入變遷增加了數(shù)據(jù)排隊到達(dá)的調(diào)度延時，則到達(dá)延時為

其中，αi為各應(yīng)用輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐抨犙訒r，Tc為外部通信延時（如無線通信延時）。

輸入變遷k負(fù)責(zé)將接收的外部數(shù)據(jù)交給應(yīng)用執(zhí)行變遷處理，因此其離開庫所延時Tl(sk)=0。由定義1可知若要滿足可調(diào)度性，則各變遷k需滿足

3.3.3 輸出調(diào)度變遷

輸出變遷的 TPN模型可看成輸入變遷的逆過程，主要不同的是離開延時Tl(sk)。設(shè)每個應(yīng)用排隊離開的延時為βi，同樣設(shè)外部通信延時為Tc，則排隊離開的調(diào)度延時為

由定義1可知輸出變遷若要滿足可調(diào)度性，需滿足

根據(jù)輸入、輸出、應(yīng)用調(diào)度變遷的可調(diào)度性條件，對并發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用并發(fā)數(shù)量與其時間約束特征進(jìn)行分析。假設(shè)系統(tǒng)的周期性應(yīng)用數(shù)為n，計算機性能度量修正參數(shù)為tarr，以安全計算機實驗平臺單核1GHz主頻的處理器性能為基準(zhǔn)，應(yīng)用邏輯運行時間基本在 1～10 ms范圍，因此可取其最大值tarr= 10 ms作為性能指標(biāo)。

假定輸入輸出調(diào)度器均基于先到先服務(wù)策略，由文獻(xiàn)[15]可知輸入輸出排隊延時與并發(fā)應(yīng)用數(shù)n之間存在關(guān)系，則輸入輸出排隊延時Ts為

根據(jù)實時操作系統(tǒng)調(diào)度策略，由于各應(yīng)用具有相同優(yōu)先級，采用 Round-Roin調(diào)度（也稱輪詢調(diào)度），則td∝ (n)，由式(2)可得

其中，g(n)為n個應(yīng)用并行情況下，最長可能變遷延時。

設(shè)關(guān)于變量n的可觸發(fā)區(qū)間函數(shù)為T(n)，表示最早可能觸發(fā)開始到最晚可能觸發(fā)結(jié)束的時間長度，則有

由TPN可調(diào)度性和定義1可知，f(n)-g(n)≥ 0表示該變遷具有可調(diào)度性，否則不具有可調(diào)度性。并可用R(n) =f(n) -g(n)表示n個應(yīng)用并發(fā)執(zhí)行情況下該變遷的可調(diào)度時間范圍。R(n)值越大，說明調(diào)度范圍越大，系統(tǒng)的時間冗余度越高，安全性也越高，但是資源利用率越低。

首先分析計算機性能參數(shù)tarr與并發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)n之間關(guān)系。由于 CBTC系統(tǒng)采用無線（如WLAN）和有線（如光纖通信）通信組網(wǎng)方式實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的協(xié)同控制，由文獻(xiàn)[16-17]可知，其通信延時在 40～50 ms，因此可設(shè)外部通信延時Tc= 50ms。雖然外部通信延時與列車速度等現(xiàn)實因素有一定的關(guān)系，但要保證列車安全運營，無線基站的布置滿足列車運營需求即可，所以本文沒有重

4 時間約束性驗證

4.1 可調(diào)度驗證方法

點闡述列車速度等因素對通信傳輸速率的影響。CBTC系統(tǒng)中安全計算機控制周期時間為200 ms，其時間約束區(qū)間為0～200 ms。則一個周期內(nèi)可調(diào)度時間范圍為

令tarr= {10, 1, 0.1}，表示不同計算性能的安全計算機，繪制不同計算性能下，R(n)與應(yīng)用數(shù)n的關(guān)系圖，如圖6所示。當(dāng)tarr=10ms時，在滿足現(xiàn)有的系統(tǒng)應(yīng)用時間約束的條件下，可最大支持的并發(fā)應(yīng)用數(shù)n=4，而目前 CBTC系統(tǒng)中安全計算機實際只運行一個應(yīng)用功能，其資源利用率η只有25%。而當(dāng)計算機性能提高到tarr=0.1ms時，并發(fā)應(yīng)用數(shù)最大可達(dá)n=49，表明計算機性能的提升會為安全計算機提供更大的設(shè)計冗余空間，并可進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。同時，由圖 6可知，隨著n的增大，時間冗余度也相應(yīng)降低，為保證系統(tǒng)安全可靠運行，在系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮一定的時間可調(diào)度冗余性。

圖6 不同計算計算性能下R( n)與n的關(guān)系

上述分析基于每個應(yīng)用均與外部子系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行通信的假設(shè)，而實際在車車通信系統(tǒng)中，各個控制功能模塊之間的交互變成了計算機內(nèi)部線程的交互，數(shù)據(jù)通信延時將會極大地降低，從而系統(tǒng)性能能得到進(jìn)一步優(yōu)化，安全性也能得到進(jìn)一步提升。假設(shè)計算機性能參數(shù)tarr=10 ms ，則可調(diào)度時間范圍為

則根據(jù)式（13）可繪制不同通信延時下，R(n)與應(yīng)用數(shù)n的關(guān)系圖，如圖7所示。通信延時減小，系統(tǒng)的時間冗余度能夠得到提高，有利于提高系統(tǒng)的安全性。

圖7 不同通信延時下R( n)與n的關(guān)系

根據(jù)上述分析可知并行應(yīng)用數(shù)與其可調(diào)度區(qū)間關(guān)系。可調(diào)度區(qū)間代表時間約束的冗余度，時間冗余度越高，說明系統(tǒng)容錯能力越強，系統(tǒng)安全性越高，但系統(tǒng)性能利用率越低。通過TPN建模可以對時間約束冗余度R(n)與應(yīng)用數(shù)n建立聯(lián)系，從而定量地確定系統(tǒng)并發(fā)設(shè)計要求。通過對安全計算機性能以及通信延時這2個方面進(jìn)行分析，表明安全計算機性能的提升及通信延時的降低能夠增加可調(diào)度區(qū)間，即滿足軟件綜合化的時間約束關(guān)系，且能進(jìn)一步優(yōu)化時間約束參數(shù)，同時也表明在當(dāng)前硬件條件下，車載安全計算機可滿足多個周期應(yīng)用調(diào)度需求。另外，TPN模型能準(zhǔn)確描述系統(tǒng)時間約束關(guān)系和影響時間特性的主要因素，為進(jìn)一步優(yōu)化時間參數(shù)提供理論依據(jù)。

4.2 時間約束特性實例設(shè)計

為了驗證基于 TPN的時間約束性分析評估方法在評估安全計算機性能及周期性應(yīng)用并發(fā)數(shù)關(guān)系上的有效性，本文在車載2乘2取2安全計算機硬件設(shè)備條件下，測試3個周期性應(yīng)用的時間運行關(guān)系，驗證該安全計算機是否滿足3個周期性應(yīng)用的時間約束性。限于安全性和可靠性方面考慮，該安全計算機平臺的硬件采用已驗證的單核主頻1 GHz的PowerPC系列的處理器。同時分別設(shè)計3個周期性應(yīng)用A/B/C，其周期分別為35 ms、40 ms、50 ms。通過記錄每個應(yīng)用的周期開始和結(jié)束時間，以及應(yīng)用執(zhí)行的開始和結(jié)束時間來確定多應(yīng)用并發(fā)情況下是否滿足周期性時間約束。

首先說明面向車車通信的安全計算機與目前CBTC系統(tǒng)中安全計算機的主要差別。CBTC系統(tǒng)主要由分散的子系統(tǒng)ZC和CBI完成控制功能，而車車通信系統(tǒng)將這些功能集中到車載系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)中的車載安全計算機只執(zhí)行車載列車超速防護(hù)（ATP, automatic train protection）功能，而車車通信系統(tǒng)中，車載安全計算機除了實現(xiàn)車載ATP安全關(guān)鍵功能外，還將整合CBTC系統(tǒng)中ZC和CBI的ATP安全苛求功能，如軌旁設(shè)備控制命令下達(dá)、車門管理等，如圖8所示。功能的整合必然使得車載安全計算機成為復(fù)雜的并發(fā)系統(tǒng)，而車載計算機是典型的安全關(guān)鍵實時控制系統(tǒng)，不僅需要保證處理邏輯功能的正確性，還必須具有嚴(yán)格的周期性特征，即必須在嚴(yán)格限定的時間內(nèi)執(zhí)行相關(guān)命令，否則可能造成嚴(yán)重的安全事故。

圖8 車車通信車載安全計算機結(jié)構(gòu)

4.3 調(diào)度時刻特性分析

根據(jù)上述實例設(shè)計，獲得周期性應(yīng)用的運行時間特性數(shù)據(jù)，依據(jù)時間變量關(guān)系將其整理成離散點圖，如圖9所示。其中，3個周期性應(yīng)用分別為應(yīng)用A、應(yīng)用B和應(yīng)用C，橫軸表示應(yīng)用在系統(tǒng)調(diào)度中的運行時刻表，每個片段表示應(yīng)用在計算機中被選中調(diào)度的實際運行時長。案例設(shè)計中，記錄應(yīng)用在其每個控制周期內(nèi)的運算開始和結(jié)束時間點，表示周期內(nèi)的有效執(zhí)行時間。

圖9 各應(yīng)用周期調(diào)度實際運行時刻

由圖9可知，安全計算機安全苛求應(yīng)用實際運行時間是離散化的，而非連續(xù)的。這與宏觀上觀察的安全計算機應(yīng)用存在本質(zhì)區(qū)別。在周期調(diào)度策略中，就安全計算機安全關(guān)鍵應(yīng)用對資源的競爭力而言，其邏輯不可能完全保證自身的有效運行時間，必須依靠安全計算機平臺的調(diào)度策略來保證。

取局部樣本分析，如圖 10所示。周期性調(diào)度策略會根據(jù)每個應(yīng)用聲明的調(diào)度周期，在時間約束內(nèi)靈活調(diào)度多個應(yīng)用安全并行。從圖 10的實際測試結(jié)果可知，在目前軟硬件條件下，安全計算機平臺能滿足3個應(yīng)用周期性調(diào)度。

圖10 各應(yīng)用局部時間特性

圖 10中每個應(yīng)用都能在其周期約束內(nèi)完成運行邏輯。每個周期內(nèi)應(yīng)用實際執(zhí)行時間占整個周期時間的比率為 10%～30%，符合前面分析結(jié)果。同時各個階段的有效運算時長比率存在波動，圖 10中應(yīng)用的執(zhí)行時間在每個周期內(nèi)不盡相同，但執(zhí)行時長都約束在 10%～30%比率內(nèi)。造成該現(xiàn)象的原因是多應(yīng)用并行存在資源競爭，導(dǎo)致任務(wù)阻塞，從而增加處理延時。這種情況符合實時操作系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度特性，也是多應(yīng)用并行影響原有系統(tǒng)的時間約束性的主要表現(xiàn)。

5 結(jié)束語

針對CBTC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，研究了面向車車通信的車載安全計算機中多個周期性應(yīng)用并發(fā)能否滿足時間約束性要求的問題。列車運行控制系統(tǒng)的功能整合，導(dǎo)致多個安全關(guān)鍵的周期性應(yīng)用在車載安全計算機上并發(fā)運行。然而限于目前車載安全計算機的硬件性能，需要對安全計算機能否滿足多周期性應(yīng)用的時間約束性進(jìn)行驗證和評估。本文以目前的安全計算機硬件結(jié)構(gòu)和性能入手，首次采用TPN分析多個周期性應(yīng)用的并行時間特性。通過建立TPN模型，分析了可調(diào)度性區(qū)間，結(jié)果表明目前使用的2乘2取2車載安全計算機性能滿足3個周期性應(yīng)用的時間約束性要求。同時，論證了在滿足各周期性應(yīng)用時間約束條件下，計算機性能、通信延時與可支持的周期性應(yīng)用數(shù)之間的關(guān)系。

基于車車通信的列車運行控制是未來城市軌道交通列車運行控制的發(fā)展方向，而車載安全計算機必然也會變得更加復(fù)雜化和多功能化。因此，研究車載安全計算機支持多個周期性應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)具有實際意義。在將來的研究中，我們將考慮更多現(xiàn)實環(huán)境因素，并對TPN加以改進(jìn)，應(yīng)用于合適的應(yīng)用場景。