鐵路信號計算機聯鎖控制系統容錯技術

文思揚

（中鐵第五勘查設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

鐵路信號是指以燈光、圖像、聲音、特定標志物等形式向鐵路行車人員傳送機車車輛運行條件、行車設備狀態和行車有關指示的技術與設備。其作用是保證鐵路運輸的安全有序。簡而言之，鐵路信號就是輔助鐵路行車人員進行日常工作，保持鐵路列車能夠正常穩定運行的一種技術設備。如果沒有鐵路信號的輔助，我國的鐵路運行就相當于沒有思想意識的機械馬車，無法按照預設的路線向前工作[1]。

2 釋義

2.1 計算機聯鎖系統

鐵路系統的運行需要多個系統之間相互協作。我國鐵路信號系統中所使用的計算機聯鎖系統是負責在鐵路運行期間輔助工作人員發出控制指令和生成聯鎖信息，制約道岔、信號機、軌道電路等鐵路設備有序工作，保證列車能夠安全平穩的運行。

2.2 計算機容錯技術

“容錯技術”顧名思義，就是將事故發生錯誤的概率不斷降低的一種技術手段。改革開放以來，我國高度重視信息技術的發展，計算機容錯技術在我國科技工作人員共同的努力下，取得了里程碑式的進步，各種計算機系統故障概率大幅降低，這對計算機系統的運行的穩定性起到了關鍵作用。計算機容錯技術的發展又對信號聯鎖系統解決故障問題發揮舉足輕重的作用。即計算機聯鎖系統在發生故障的情況下，通過計算機容錯技術，也能保證鐵路信號系統的正常運行，有效的避免了因為故障發生導致列車停運的連環效應[2]。

3 導致鐵路信號設備出現故障的原因

在鐵路信號系統的運行過程中，計算機聯鎖控制系統經常因為各種原因導致運行出現故障。導致計算機聯鎖控制系統發生故障的原因主要分為人為因素和物理因素。人為因素是指在鐵路信號系統運行過程中，系統的操作人員因為注意力不集中或者自身專業水平不足而出現的誤操作；物理因素則是指在鐵路信號系統的運行過程中，因為內部零件發生損耗或者鐵路外部氣候環境的干擾而產生的故障，具體的原因包括電纜路線施工不當、檢修不及時造成的設備老化、列車運行時產生的振動導致設備發生位移等。

4 計算機聯鎖系統技術容錯機制的具體表現

三模冗余技術和雙機熱備技術是計算機聯鎖系統中的重要組成部分。利用三模冗余技術和雙機熱備技術，計算機聯鎖系統對計算機的硬件、軟件等多個系統設備進行容錯，保障計算機系統的正常運行。這為鐵路信號容錯技術的應用奠定了基礎[3]。

4.1 計算機聯鎖系統中兩種工作技術的積極作用

三模冗余技術與雙機熱備技術為計算機聯鎖系統的平穩運行提供有效保障。而計算機聯鎖系統的平穩運行又成為我國鐵路信號系統平穩運行堅實的后盾。同時在計算機聯鎖系統應用的推動作用下，三模冗余技術與雙擊熱備技術作為計算機聯鎖系統的基礎容錯技術，兩者相互融合，產生出二乘二取二、二乘三取二等多種冗余結構，為今后計算機聯鎖系統容錯技術的發展提出了更多的可能性。

4.2 三模冗余技術的使用

三模冗余技術的工作原理是系統將需要運算的信息分別輸入三個相同的模塊得到三個運算結果；再將運算結果輸入表決器表決，從而得到最終的運算結果。

表決器的表決過程遵循“少數服從多數”的運算原則，這跟我們日常生活中進行選舉時的方法類似。也就是說，把經過三個相同運算模塊運算得到的三個運算結果進行系統表決，選取同意度最高的結果予以采用。整個過程經歷了三次計算，保證了系統輸出的數據更加準確。而表決器的應用，使在三個模塊產生數據均不一致的情況下，系統也會返回進行計算，并最終得出相應的數據結果。這不僅提升了計算機聯鎖系統的工作質量，還為鐵路系統工作的正常運行提供了有力保障[4]。

4.3 雙機熱備技術

與三模冗余技術不同，雙機熱備技術采用動態冗余方式，由兩個工作模塊構建而成。在運行的過程中，正常情況下只有一個模塊進行工作，另一模塊處于待機狀態，常態工作的模塊被稱為基本模塊，處于待機狀態的模塊叫做儲存模塊。如果系統在運行時出現故障，系統會切換儲存模塊代替基本模塊繼續工作。動態冗余方式，可以冗余更多模塊，從整體上提升容錯率；但從計算機聯鎖系統應用的角度，冗余更多硬件設備，會增加系統整體響應時間和工程設備造價，所以在滿足需求的前提下計算機聯鎖系統選用雙機熱備的硬件結構是最優的。

5 容錯系統

5.1 硬件冗余

鐵路信號系統的網絡采用局域網網絡。局域網與我們日常所使用的互聯網相比，因為其覆蓋面積小，信息交融少的特點，顯示出了高度的封閉性，能夠有力地抵御不法入侵和軟件病毒。同時局域網的維護升級費用也比較低，能夠帶來更加高質量的使用效果及經濟效益。局域網的應用在鐵路信號系統信息有效傳遞的同時，保障了信息使用的安全性，滿足了系統安全高效運行的需求[5]。

仿真系統采用雙機熱備冗余結構、局域網網絡。硬件冗余主要體現為網絡結構的冗余，輸入模塊、雙機熱備冗余結構運算模塊、表決輸出之間采用雙物理通道，構成兩套局域網絡。

5.2 軟件冗余

軟件冗余主要體現為兩個雙機熱備冗余結構運算模塊采用雙份編碼形式，兩份編碼所使用的程序結構和編程語言均不相同，最大程度保證系統兩部分運算的獨立性。

5.3 基于RTLinux的容錯計算機聯鎖控制系統

5.3.1 RTLinux的概念

RTLinux的全稱為為realtime linux, RTLinux是由美國過墨西哥理工學院所開發出的一種嵌入式硬實時操作系統，迄今為止，RTLinux已經被廣泛的應用到了航空航天技術、科學儀器檢測、鐵路信號系統等多個領域。

5.3.2 基于RTLinux的容錯計算機聯鎖控制系統的系統結構

仿真系統主要由兩套獨立的子系統組成，雙機熱備冗余結構；每套子系統又含雙套數據采集模塊和聯鎖邏輯運算模塊；在數據采集、邏輯運算、輸出驅動的各個環節均設置自檢功能，對系統運行過程中產生的或接收到的數據進行核查；各運行周期采用RTLinux時鐘進行同步。

數據采集階段，自檢功能將操作指令與系統當前狀態預設的指令表進行對比；如果無法正確匹配，認為這些操作指令為操作人員的誤操作，系統不再響應這些操作指令；如果通過自檢，數據將進行邏輯運算。

邏輯運算階段，自檢功能將雙套采集數據分別運算的結果進行比較；如果兩者計算結果不一致，將重新返回數據自檢后再進行計算；重新返回計算達到規定的次數，則判定此子系統存在故障，切換至備用子系統工作；如果兩者計算結果一致，則輸出計算結果。

輸出驅動階段，自檢功能將輸出結果與設備執行后的反饋進行比較；如果兩者結果不一致，中斷程序發出報警；如果兩者結果一致，則根據設備執行結果更新整個系統的狀態。

6 結語

計算機聯鎖系統的容錯技術是我國鐵路信號系統安全平穩運行的重要保障，起到了為我國的鐵路事業保駕護航的作用。隨著新技術、先進裝備在鐵路領域的應用，對信號系統也提出了越來越高的要求。容錯技術作為信號系統的關鍵技術，需要進行不斷的優化和改進，使之更符合鐵路運行的需要，為我國鐵路運輸系統的安全高效運營提供技術保障。