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铁路信号计算机联锁控制系统容错技术

发表时间：2021/8/9 来源：《中国科技信息》2021年9月中作者：平一平

[导读] 随着科技水平的不断提升，计算机技术逐步发展成熟，铁路系统得到快速升级迭代，有效保障了列车运行安全和突发公共安全问题的及时解决。

中国铁路西安局集团有限公司延安运营维修段平一平陕西延安 716000

摘要：随着科技水平的不断提升，计算机技术逐步发展成熟，铁路系统得到快速升级迭代，有效保障了列车运行安全和突发公共安全问题的及时解决。然而由于各种技术资源和软硬件系统的持续输入，整个铁路系统内部架构日益庞大，内部操作系统和技术功能也愈加复杂，给系统的运行带来了巨大的安全隐患。而与此同时计算机信息化操作系统不断升级，自我防御性和操作对象也日益变强，由系统故障产生的安全问题频发，因此本文以计算机系统容错技术为研究对象，全面分析了铁路信号技术领域的难点特点和应用方法，详细阐述了有效提升铁路信号系统安全系数的作用路径，对铁路安全保障提供重要参考价值。
关键词：铁路信号；计算机；联锁控制系统；容错技术
        引言
        铁路信号是指以灯光、图像、声音、特定标志物等形式向铁路行车人员传送机车车辆运行条件、行车设备状态和行车有关指示的技术与设备。其作用是保证铁路运输的安全有序。简而言之，铁路信号就是传递铁路行车人员下达命令，保持铁路列车按要求正常稳定运行的一种技术设备。如果没有铁路信号的指示，我国的铁路运行就相当于没有规则的机械马车，无法按照预设的路线前行。
        1释义
        1.1 计算机联锁系统
        铁路系统的运行需要多个系统之间相互协作。我国铁路信号系统中所使用的计算机联锁系统是负责在铁路运行期间执行工作人员发出控制指令和生成联锁信息，保证道岔、信号机、轨道电路等铁路设备有序工作，确保列车能够安全平稳的运行。
        1.2 计算机容错技术
        “容错技术”顾名思义，就是将事故发生错误的概率不断降低的一种技术手段。改革开放以来，我国高度重视信息技术的发展，计算机容错技术在我国科技工作人员共同的努力下，取得了里程碑式的进步，各种计算机系统故障概率大幅降低，这对计算机系统的运行稳定性起到了关键作用[1]。计算机容错技术的发展又对信号联锁系统解决故障问题发挥举足轻重的作用。即计算机联锁系统在发生故障的情况下，通过计算机容错技术，也能保证铁路信号系统的正常运行，有效地避免了因计算机系统故障影响列车运行。
        2计算机联锁系统技术及容错机制的具体表现
        2.1 计算机联锁系统技术
        在计算机联锁系统中，主要融入的重要技术可以划分为以下两种：三模冗余技术和双机热备技术。利用计算机系统，可以获得更丰富的外部资源。在升级优化计算机硬件系统、软件系统多项功能的基础上，为铁路信号容错技术的应用打好基础，进而持续提升计算机系统的稳定性与安全性。
        2.1.1 三模冗余技术
        利用三模冗余技术，将系统指令中三个相同的模块，从共同的输入端，进入同一个计算机操作系统，获得最终的表决结果。应用三模冗余技术，始终都要坚持“少数服从多数”原则，具体工作原理为：三模块的输出结果属于计算机系统的核心依据，采用三选三、三选二等方式，得到相应的表决结果。如在此过程中，三模块输出结果相同，计算机系统仅仅需要从中选择任意一个模块输出结果。如果三模块的最终输出结果不同，那么就要遵循“少数服从多数”原则。实际上，一旦系统没有应用三模冗余技术，不可避免地会产生联锁效应，在执行后续计算期间，就要投入更多的资源甚至还不会得到确定的结果[2]。这样不仅会阻碍铁路信号系统各类信息梳理有效性的提升，也会产生相应的安全隐患。
        2.1.2 双机热备技术
        双机热备技术与三模技术有所不同，其由七个模块组合而成的，在动态冗余下此种技术被充分应用。双机热备技术不仅具有主模块，还具备自我检测装置和切换开关，广泛使用于切换工作模块、检查系统故障等方面[3]。在系统运行的时候，一般只有一个模块运行，其他模块待机。但是模块在获得指令之后，需要结合任务要求，打开其他模块的开关，使所有模块正常运行。通常情况下，模块正常待机被称作“储存模块”，也被称作基本模块。如果借助故障器可以尽早发现模块存在的故障，就可以自动完成切换工作，确保存储模块代替基本模块。如果没有特殊情况，系统仅需要开启一个存储模块，但由于存储模块也可能存在隐患问题，计算机系统就应当自我检查。在保证储存模块没有故障问题之后，才能够使其发挥切换开关的作用，使其他储存模块切入工作保证系统运行。
        考虑到计算机联锁系统始终都要处于持续性的运行状态，所以对于其他六块模块而言，就要最大程度上规避系统运行期间的各种问题，并且每一个模块都要保证其能够在较短时间内进行恢复，这样就有助于系统长时间安全运转[3]。在选择模块的时候，需要充分考虑实际要求，还应当分析维护成本、投资成本等多种因素。特别是在有多个储存模块的状况下，会产生更大的维修成本。

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        2.2 容错机制的具体表现
        2.2.1 软件冗余
        联锁模块在实际使用期间，以应用双份编码形式为主，保证每一份编码都能够在不同的物理空间下进行运算，这样不仅能够具有其自身独特的结构和存储，也能提升系统信息数据安全性。
        2.2.2 硬件冗余
        铁路信号系统在运行期间对安全性的要求非常高，需要实时传输各类信息数据，防止产生较长时间的系统故障。在铁路信号系统设计时，热备份是最核心方式，使其充分发挥功能作用，使操作表示机、联锁运算机的集线器连接在一起，将各项设备列入到具有严密性强，稳定性高的局域网中，这样不仅能够为系统设备高效传输信息提供保障，还能在工作的同时，全面提升数据信息安全性和完整性。在铁路信号系统中，将局域网与互联网进行比较，局域网的安全性更高[4]。局域网具有较强的封闭性，在其发挥作用的状况下能够抵御外部网络病毒的侵袭，也具有较强的经济型，在落实改造或升级任务时，投入的资金比较少，能够对各项资源进行充分利用。
        3基于RTLinux的容错计算机联锁控制系统
        3.1 故障产生的原因
        计算机联锁控制系统故障的产生原因主要有物理和人为等两方面。物理原因方面，包括系统运行的外部环境以及内部元器件存在的缺陷问题等。而元器件缺陷又包括生产期间氧化穿孔、安装出现开路问题以及通电运行期间产生的老化等方面；外部环境则包括机械冲击、机械振动以及电磁干扰等；人为原因方面，包括无意识的操作错误以及有目的的蓄意破坏等。
        3.2 系统结构
        人机会话、通信接口层以及维修管理；数据采集、命令驱动及联锁逻辑运算层等均属于系统的硬件结构。其中人机会话、维修管理以及通信接口层可以通过操作鼠标形成命令，并对系统的动态数据进行合法检查。此层系统双机同时运行时，物理层面保持相互独立，且同一时刻只有一台设备执行人工操作。且其可以有效屏蔽错误操作，接受联锁机的命令执行信息，帮助工作人员完成任务的同时在屏幕上动态显示联锁机运行模式。维修管理机仅凭借车站局域网则可以由人机会话机接受操作指令，不会向联锁机发送操作信息，从而便于记录站场变化信息、微机监测运行情况等，实现了记录系统的储存、打印等功能。同时，此系统还具备全站场室外信息的监测窗口，提升了操作的便捷性[5]。除此之外，通讯前置机还提供了车站综合广域网与局域网的通信接口，可以有效连接CTC系统、DMIS系统以及车次号输入系统等，且存在联锁测试通信接口。
        联锁逻辑运算层包括互为热备系统的联锁A、B机，可以执行人机会话机下达的联锁命令，并根据现场状态进行联锁运算，并将结果发送至人机会话层与采集驱动层。在此层级中的核心便是联锁逻辑运算层，其安全性直接影响着整个系统运行的可靠性。数据采集、命令驱动层主要负责执行人机会话机下达的控制命令，现场数据采集也全程采用电子化模式。
        系统容错机制在计算机联锁控制模式中，系统容错机制主要体现于软件冗余、智能自测以及硬件冗余等方面，其中硬件冗余也可被称为双模容错结构，且联锁机运行期间采用双模块系统模式，为了避免影响铁路信号，还应增设热备份。同时，利用集线器连接联锁机、维管机以及操作表示机，从而形成两个冗余局域网，两者之间采用了TCP/IP的通信协议，可以相互传递数据信息，不但确保了通信速率，还可以与外部网络实现有效连接。但由于网络通信过程中，局部网络故障问题会影响整个容错系统的正常运行，因此还应采用局域网络冗余结构，利用两套网线连接操作表示机与两联锁机，形成两套不同的局部网络，从而有效实现整个运行系统的容错功能。
        在软件冗余联锁模块中，编程人员主要利用双份编码，且为每一份编码均编制了不同编程语言，数据信息也来自于不同的物理储存空间与结构。为了减小故障的潜伏时间，同步控制器与软件比较器会监控比较数据采集后与联锁运算结果输出前信息，进行实地检测。运行过程中，两程序同步运行，利用RTLinux实时时钟根据其运行周期进行同步。若发现结果不一致时，则应调整自检程序重新运行，以便过滤故障问题。A、B机经过联锁运算得到2×2结果后，将其发送至联锁执行主机进行比较，若一致，则向M机发送确认指令，之后M机再将接收的信息与动态表原始指令进行比较，一致时则允许联锁执行主机结果，并将其自动发送至命令驱动层。不一致时，系统会重复向B机发送信号，对结果进行动态修改，之后重新运算A、B机。在超出限定次数后，如果运算结果依然不一致，则还应启动A、B机的自检程度测试故障，找出故障机进行切换。在切换中，M机主要发送OUTKEY允许信号，并设置work-cup全局变量，在比较后读取，若变量结果为A，则M机向A机发送允许指令，确保网络信号在传递过程中的无缝切换。
        结束语
        总而言之，计算机联锁系统的容错技术是我国铁路信号系统安全平稳运行的重要保障，起到了为我国的铁路事业保驾护航的作用。随着新技术、先进设备在铁路领域的应用，对信号系统也提出了越来越高的要求。容错技术作为信号系统的关键技术，需要进行不断的优化和改进，使之更符合铁路运行的需要，为我国铁路运输系统的安全高效运营提供技术保障。
参考文献
[1]黄祥.基于继电电路的计算机联锁控制逻辑研究[D].西南交通大学，2018.
[2]李胜.计算机联锁控制电路仿真系统的设计与研究[J].铁路通信信号工程技术，2018，15(01):20-24.
[3]毛俊.CAN总线在铁路信号系统中的应用研究[D].大连交通大学，2017.
[4]贾岛.试析铁路信号和联锁控制系统发展构建[J].科技创新与应用，2016(20):251.
[5]姚文韬.高铁计算机联锁仿真培训系统—联锁软件的研究[D].兰州交通大学，2016.
作者简介：平一平(1974年12月13日)，男，汉族，内蒙古包头，工程师，大本，研究方向：铁道信号