軌道交通安全計算機可靠性分析

吳永城

摘? 要：以軌道交通運行過程中，計算機是保障交通安全性的重要技術設備。本文介紹了軌道交通的安全架構形式，通過分析關鍵性指，并在使用的冗余結構的基礎上，提出了優化計算機體系結構的相關設計。以期為其他軌道交通的計算機運行全性分析提供參考。

關鍵詞：軌道交通;安全計算機;可靠性;分析

中圖分類號：?? U285.4 文獻標識碼：A

引言

計算機系統平臺是軌道交通信號控制系統的安全管理平臺，被廣泛應用于公路、鐵路等設備運行控制系統，是軌道交通信號系統的重要組成。隨著各種交通運行速度的不斷加快，交通系統的維護周期要求越來越短。對控制命令和系統檢測維護的總線提出了更高要求。

1 軌道交通安防計算通訊機架構分析

軌道交通安防計算機通訊分為以太網和內部總線通訊。通常計算機和通信模塊通過以太網完的。為避免信號響應延遲，通信模塊與輸入輸出模塊的數據傳輸會使用總線。在總線設計中，通常使用工業通信總線，或根據實際情況按工業總線自行設計。安全計算機通信總線有兩種：控制器局域網和多功能車輛總線。 局域網總線最初用于汽車電子系統的控制，后來被廣泛應用于成為工業和航天控制領域的現場總線。多功能車輛總線總線目前多用于城市鐵路和地鐵軌道交通。鑒于這兩種總線的可靠性，在軌道交通領域，其安全計算機平臺常使用這兩種總線形式作為內部總線。軌道交通安全計算機，不僅要求總線要有極高可靠性，而且還必須具有一定的故障安全功能。在使用現有總線當作安全計算機的通信線路時，會增加一些故障檢測設計。主要信息編碼檢測和數據同步兩個方面來評估。通過信息檢測可以確定網絡是否正常運行。如果一定時間內沒收到報文，則可直接認為網絡有問題。根據信息位中的數字“1”設置監控位。當出現奇數個“1”時，會在控制位中重復。當“1”成對出現時，校驗位是信息位的反向碼。信息驗證被廣泛使用的信息檢測方法。定時錯誤檢測設計，是通過設置通信周期來完成的，以檢查循環次數是否一致，設計最大困難在于如何設置信息同步。在二換二架構中，其中個一是主系統，另一個是備份系統。系統的處理單元中，一個為主機，另一個定期向外發送同步數據，以保持系統同步。主機也向備用系統發送數據，以保持系統之間的信息同步。對于三換二架構，如果在兩架構的基礎上遵循同步原則，則設計會更加復雜。三臺主機要相互進行多次數據交換。降低了數據同步的效率。所以，多數系統都采用單獨的同步時鐘線來實現信息和相關數據的同步^[1]。

2 安全計算機的故障安全實施

2.1 內部式故障安全

內部式故障安全，允許單個元件執行安全功能。保證潛在的安全系統漏洞狀態無效。從根本上說，故障安全是使用組件或子系統安全特性，確保在安全功能故障下的系統安全。大多數情況下，安全設備利用相關元件的固有特性來確保整個系統的安全運行。例如內置繼電器利用彈力確保斷電。在計算機應用于軌道交通信號領域之前，內部式安全是最重要實現形式。通過信號繼電器對固有故障安全進行設計，保證了信號系統故障安全架構和冗余的正常運行。由于其安全性和實用性高，所以在計算機軌道交通信號領域迅速得到應用。內部故障安全功能，其實現取決于機械結構。為避免設備老化和過度使用導致的相關故障，因此需要定期進行檢查，增加了相應的系統維護工作量。

2.2組合故障安全

組合故障安全，要求信號系統中的安全功能，至少兩個相互獨立的元件執行。只有在指定的項目數量不變時，系統才能執行安全操作。在故障安全組合模型中，由A、B元件執行各自的功能。A、B是安全功能的兩個項目。通過一個AND門連接，只有當兩個元素一致時才允許輸出。A和B進行功能故障檢測，可能會在檢測到故障后拒絕安全功能輸出。同樣，可以基于三種組合架構，設計一個故障安全組合模型，包括 A、B 和 C 一起執行與安全功能，確保只有在至少兩個元素一致時才能生成。所以，在故障檢測中，組合式故障安全，可以有效及時響應單個故障或多個故障。并確保系統強制始終保持在安全狀態。

3 安全計算平臺的安全設計

3.1 安全計算平臺系統架構設計階段

為實現安全計算機系統的有效運行，必須通過采用結構化的方法進行架構設計。首先，采用二取二表決的設計方法解決安全問題。必須確定計算、比較和決定，判定輸入數據是否一致。如果一致，則數據可被傳輸出來。這里的兩個通道在邏輯上是相關的。因此，雙通道架構被稱為“二選一”。其架構安全設計和注意事項包括，①安全系統與不安全系統應分離：通信和電源等模塊要與安全輸入和輸出以及處理器相互分離。減少安全模塊和非安全模塊之間的聯系。②故障安全比較功能基于雙電子結構，采用二換二架構進行數據的輸入、處理和輸出。 ③要基于內部式故障安全電子結構，采用重力安全繼電器等故障安全裝置。④要基于故障安全測量的單一電子結構，確定系統進行自啟動監控、自檢以及輸入輸出通道檢查，當發現系統故障時確保及時切斷輸出。⑤系統要具故障安全比較功能，要使用不同的器件或電路進行異構設計，以有效減少常見系統故障原因的影響^[2]。

3.2安全計算平臺軟硬件實現階段

在軟硬件實施階段，必須按照規定進行安全設計，以滿足系統安全完整性的等級要求。其具體實施階段的安全設計措施包括：

1）誤操作保護：對登錄命令、防御編程電纜和開關等進行防止誤操作故障保護設計。

2）防止故意操縱故障保護：利用帳戶密碼、安全通信協議等方式，防止對相關數據信息的惡意操縱

3）防止單個故障：通過 FMEA 分析，識別所有危險故障，或被證明具有固有的故障安全性，可使用安全繼電器或增強絕緣要求，以避免系統發生故障。

4）集成電路器件單一故障保護：通過檢測所有集成電路的各種故障，以及時消除危害。確保在發現兩路時鐘頻率不一致時，系統能自動錯誤復位^[3]。

5）單點故障檢測：通過FMEA 分析每種故障模式及其影響。采用初始自檢、周期性自檢的方式查找故障，以保證系統的安全運行。同時要求軟件的檢測時間須在系統安全目標范圍內。

6）安全狀態維護：安全計算檢測到故障后，要及時切斷輸出電路的安全電源。 當檢測到危險側故障后，要確保CPU處于空閑工作狀態。如果安全通信協議遇到錯誤信息，應跳過錯誤信息并上報告警。如果主系統故障，系統要會自動切換到備用系統。如果主、備系統同時出現故障，系統要進入安全側。

7）系統多點故障：系統檢測和消除多點故障，應在安全目標范圍內。應用 FTA 分析系統，確保在發生未檢測到的故障時，對系統運行不會造成危害 。

8）應用動態故障檢測：在實施應用階段，可使用動態脈沖編碼，對系統輸入和輸出通道進行實時檢測。以及時恢復通道故障安全。

9）程序時序檢測：系統軟件必須監控程序時序和邏輯的運行情況，以及時可以發現故障時，能自動關閉故障單元，確保系統的安全^[4]。

結束語

隨著交通運行速度的不斷提高，對其控制系統的安全性的要求越來越高。軌道交通安全計算機，作為交通系統的重要部分，提高了交通系統的實用和數據的傳輸效率，提高了軌道交通系統的運行質量。通過簡化和優化故障安全設計框架和檢測功能關閉過程，提高了安全計算機控制性能。并對軌道交通安全計算機的反應故障安全進行優化，提升了安全計算故障安全系統準確性。

參考文獻：

[1] 杜思奇. 綜合考慮安全性與可靠性的安全冗余結構改進[D].北京交通大學，2019.

[2] 趙得亮. 基于VxWorks+QNX實時系統的異構安全計算機設計[D].北京交通大學，2019.

[3] 韓佳偉. 帶有第三方監控功能的安全平臺仿真軟件研究與設計[D].北京交通大學，2019.

[4] 高鶯，曹源，孫永奎，馬連川，洪春華，張玉琢.面向車車通信的安全計算機時間約束性分析驗證[J].通信學報，2018，39（12）：82-90.