轨道交通安全计算机

1、.轨道交通的平安计算机轨道交通运行控制系统大多是实时、多任务和平安苛求的计算机控制系统，美国Wind River公司的V*Works是微核构造的多任务嵌入式实时操作系统(RTOS)，相当符合这种控制系统的要求。V*Works采用了中断驱动和基于优先级的抢占式任务调度方式，包括丰富的任务间通信与同步机制，例如共享存、互斥、信号量、消息队列、信号和管道等，它还提供了先进的存保护机制和容错管理框架。V*Works的可靠性和实时性在许多领域都得到了验证，是目前优秀的多任务嵌入式实时操作系统之一。为了进一步提高列车运行速度和线路运营效率，基于通讯的列车控制系统(munication Based Train Control system ,CBTC)成为城市轨道交通的主要开展趋势。在CBTC系统中，车载控制器、区域控制器和计算机联锁控制器是系统的核心组成局部，对整个CBTC的平安可靠运行具有重要影响。而作为这些系统载体的平安计算机，其平安性、可靠性、可用性和可维护性等性能指标也成为影响整个CBTC系统平安可靠性的重要因素。本文针对轨道交通领域对平安计算机在平安性能方面的苛刻要求，提出了一种基于三取

2、二表决构造的平安计算机系统的设计方法。1.1选题背景、目的和意义当今中国社会进步迅速、城市规模迅速扩大、城市人口过度密集以及根底设施建立未及时跟上，造成城市交通拥堵问题已经成为制约诸多大中城市开展的一道障碍。城市轨道交通(包括城市轻轨和地下铁)具有运能大、快捷方便、平安舒适以及相对与公路交通污染小、排放少、节能环保等优点，正在被越来越多的城市作为解决交通拥堵问题的主要解决途径，并加以积极开展建立。随着电子信息技术的开展，在轨道交通领域，传统的继电器联锁方式轨道交通信号系统正在逐渐被以计算机联锁为代表的平安计算机信号系统所代替。人们对城市轨道交通的要求越来越高，如何保证列车的平安、可靠、稳定、快速以及高效的运行是城市轨道交通信号系统函待满足的根本需求。如果系统不能够保证长期稳定、平安、可靠地运行，将可能出现不可预料的严重后果。系统的失效或者故障往往可能导致重大的生命财产损失，包括人员的伤亡、设备的损坏、环境的破坏和财产损失等严重后果，因此系统的平安可靠运行能力是轨道交通信号系统的一项重要指标。平安计算机作为城市轨道交通信号系统的核心，在保证行车平安、增强旅客乘坐舒适度、提高运营效率、提高

3、列车运行准确度等方面觉有决定性作用。保证平安计算机系统的平安可靠运行是平安计算机系统设计制造过程中的一项根本要求。目前轨道交通信号系统正朝着自动化、智能化、系统化、网络化和信息化的方向开展，基于通信的列车控制系统(CBTC)是目前全球轨道交通行业公认的最先进的列车运行控制技术，是当今世界围轨道交通信号技术的开展趋势fl。它的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面的双向通信，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。CBTC的突出优点是实现了车一地双向通信，而且数据吞吐量大，传输速度快，减少区间铺设电缆数量，减少一次性投资及日常维护工作，可以大幅提高轨道交通运营效率。我国的CBTC技术相比国外虽然起步较晚，但正处于迅速开展阶段。到目前为止，、等城市轨道局部线路己经正在使用CBTC系统，而大局部的在建线路以及一些老线路都准备应用CBTC系统或者进展CBTC改造。国目前在做CBTC国产化的企业和研究机构主要有:交大微联、卡斯科、阿尔卡特、浙大网新众合轨道、和利时等，在目前国家大力开展城市轨道交通，增加根底设施建立力度的大环境下，只要把握住时机和机遇，国产化CBTC系统将大有所为。CBTC系统

4、主要由车载子系统、区域控制子系统、ATS/ATC子系统、数据通讯子系统、联锁子系统构成f2l。其中车载子系统、区域控制子系统以及联锁子系统作为CBTC系统的重要组成局部，分别完成对列车运行的ATP/ATO控制、区域列车的移动授权、列车运行的移动闭塞、轨道信号系统的联锁逻辑运算等功能，其平安性和可靠性与列车运行平安息息相关，为了保证操作人员和旅客的人身平安，系统的可靠性和平安性必须得到更好的保证。因此在这些子系统中应用的计算机系统通常为基于多模冗余容错技术的平安计算机系统，本文在对常用平安计算机的平安性和可靠性进展分析比拟的根底上，提出了一种新型三取二平安计算机系统的设计方法。平安计算机。由于计算机和网络技术的长足开展，工业、交通、国防、日常生活都离不开计算机网络技术。计算机网络技术对于轨道信号的开展是革命性的。逐渐产生微机联锁系统、车地实施通信等高端技术使轨道运输自动化程度大大提高。计算机控制系统可以降低本钱，提供便利，增强系统功能，最大限度减少人为出错率。但是有利必有弊，计算机信号系统也有其弊端。一是计算机系统的杂性，软件硬件都是一个不小的问题，尤其是软件，简单的软件程序也有数以千计

5、的执行路径，这对于保证系统平安性能带来不小挑战，发生事故时，寻找失误之处也变得比拟困难。但是毕竟计算机信号系统是未来开展的趋势，人们于是把故障平安技术和计算机网络技术结合起来，形成了一些新的技术和方法。一般说来有故障检测与诊断技术、计算机容错技术，前者一般目的在于尽快发现故障，能够投入备份或者及时修复，后者主要通过冗余屏蔽错误的影响或是利用重构使系统缓慢降级。此题目研究的目的为开发一种新型的具有更高的平安性、可靠性的平安计算机系统，采用嵌入式操作系统和三取二冗余表决形式，实现在系统发生任一单点故障的情况下，系统的不连续正常运行，保证整个系统的可靠性和平安性。首先对平安计算机多种构造的可靠性和平安性进展了比拟，最后选取了三取二冗余表决构造作为平安计算机的最终实现形式。详细描述了平安计算机的运行原理和容错功能的实现机制，并对系统的软硬件总体组成构造进展了论述。从硬件方面详细说明了系统的硬件总体构造，采用模块化设计方法，对系统硬件进展了模块化戈分，并对每个功能子模块的部构造和组成进展了描述说明。讨论了在硬件模块电路中采用的故障一平安措施，以及这些措施的工作原理。从软件方面研究平安计算机系统的

6、实现方式，运用模块化的方法对系统软件进展了功能模块划分。研究的重点是平安计算机三冗余模块之间的同步、冗余数据的三取二表决、对外数据通讯的管理、系统故障的检测与识别等容。平安计算机研究及开展现状平安计算机系统是指在发生故障的情况下，能够实现系统的故障导向平安，即系统的输出在故障状态下导向平安侧，从而防止造成重大的生命财产损失。平安计算机在航空航天、军事军工、化工能源、轨道交通等平安苛求领域具有广泛的应用，要求计算机系统具有长时间稳定可靠运行的能力，和防止发生重大灾害的故障处理能力。由于当前的电子元器件计算机本身并不具有固有的故障一平安特性，从而导致由其组成的计算机系统在发生故障时的输出结果无法预料，因此必须通过采用特殊的容错构造和专用的操作系统使系统在计算机故障时处于平安状态3。设备故障是不可防止的，要使系统在设备故障时不出现危险的后果，必须采用适宜的系统构造和设计方法，而实现平安计算机的故障一平安特性最常用的技术就是容错技术。容错技术的根本出发点是成认系统故障的不可防止性，它的本质是容忍故障存在，进而采取措施解除故障影响的技术。容错技术最重要的思想是冗余和重组，其对故障的处理主要有以下

7、几种措施4 1 .故障限制:限制故障的影响围，一般采取隔离、模块化等技术措施。 2 .故障检测:实现对故障的检测和定位，方便维修和维护。可采用联机检测和脱机自检的方法一 1.重试:在*些环境因素(如电磁干扰)的影响下，系统出现瞬态故障。这种情况下可采用对操作进展重试，即可消除故障的影响。 2.恢复重组:即当检测到故障后，就启用冗余设备，进展重组，屏蔽故障的影响。 3.重启:当故障无法消除，计算机系统失效时，可以进展设备重启，消除故障。但是设备重启一般需要一定的时间，所以最好能够配合冗余和重组技术构建热备冗余系统。重启分为软重启和硬重启。 4.对故障部件进展修理使之复原。修复工作可以脱机进展，也可以联机进展。要进展脱机修复，要求系统硬件最好能够支持热插拔技术。 5.重构:将修复的设备重新装回系统，成为备用部件。随着轨道交通对列车运行速度和运能要求的提高，保证行车的平安性和可靠性成为越来越为重要的研究课题。轨道交通信号系统以及列车运行控制系统作为CBTC系统中的重要组成局部，普遍采用了平安计算机作为系统运行平台，其运行的平安性和可靠性是业非常重视的关键问题。早在1978年，瑞典的Erice

8、sson公司(现属于Adtrans公司)就研制出一台平安计算机作为城市地铁的联锁控制器在瑞典哥德堡站(Geteborg)投入运行。由于平安计算机相比以往的轨道继电器电路在性能和扩展性、维护性方面的诸多优势，平安计算机系统在轨道交通上的应用越来越为广泛，各家公司纷纷研制了自己的平安计算机系统。在国外，其中最具代表性的平安计算机系统主要有:1.德国西门子公司研制的SIMIS系统。该平安计算机采用二取二构造，即采用的两台完全一样的计算机组构成热备冗余构造，在系统的输出设有硬件比拟器，从而实现系统的故障一平安。2.德国西门子公司研制的SICAS系统。该平安计算机采用的是三取二构造，即采用的三台完全一样的计算机组构成三模冗余构造。这套系统的特点是构造简单、配置灵活，但不适用于控制单元多、联锁逻辑较为复杂的情况。3.瑞典Adtranz公司研制的EBILOCK系统。该平安计算机也是采用采用二取二双机热备冗余构造方式来提高可靠性和平安性。4.Alcatel公司研制的SelTra。系统5。该系统应用于基于无线通信的列车控制系统，作为系统中的区域控制器来实现列车运行的移动闭塞技术。该平安计算机采用的一是三

9、取二构造，通过对输出的三取二表决来实现系统的容错能力。5.Bombardier公司的Fle*iblok(现改名CITYFLO ) CBTC系统中的轨旁ATP(区域控制器)、联锁控制器和车载ATP(车载控制器)等皆为基于二乘二取二构造的平安计算机系统。6.USSI公司(已被Ansaldo收购)的MicroLock计算机联锁系统，采用的是热备冗余构造的平安计算机系统。7.GRS公司(己被Alstom收购)研制的VPI系统，采用的也是双模冗余技术来提高系统的可靠性国的公司和研究机构自80年代初就开场了轨道交通平安计算机的研制工作，但进展比拟缓慢。到90年代中后期，进入了快速开展阶段，平安计算机首先被应用于实现轨道交通信号系统的联锁功能，即计算机联锁系统。其中具有代表性的是: 1、铁道部科学研究院通号所的TYJL-II双机热备型、TY儿一TR9与TYJL-TR2000三取二型计算机联锁系统f-8102、通号公司研究计算机所的DS6-11双机热备、DS6-20三取二型、DS6-KSB二乘二取二型计算机联锁系统90 3、交大微联公司的JD-1 A双机热备型与EI32-JD型计算机联锁系统1 .0 4、卡斯科公司的iLock二乘二取二计算机联锁系统W0除此之外，国还有诸如和利时、华为技术、浙大网新众合轨道、大成等其他公司亦在研发自己的平安计算机系统。12 平安计算机理论研究及现状平安计算机系统最主要的功能是保证列车运行平安，降低事故发生可能性、提高列车运营效率，平安性、可靠性、可用性和可维护性是评价平安计算机系统优劣的重要指标。在对平安计算机系统不同构造的平安性、可靠性、可用性和可维护性进展量化分析方面，前人已经做过很多理论研究工作，有很多已经被证明为正确有效的方法。 Markov模型是分析平安计算机可靠性最为有效的方法之一。Markov过程认为系统在时刻to所处的状态和时刻to之前所处的状态无关，且将来时刻t的状态与现在的状态有关，而与过去状态无关

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