楊艷

摘要：本文通過(guò)對(duì)城市軌道交通計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障——安全技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、I/O通道級(jí)和通信傳輸?shù)确治?，并根?jù)其特點(diǎn)采取了一系列有效的故障——安全措施和方法。

關(guān)鍵詞：可靠性；故障——安全保障技術(shù)；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖

中圖分類(lèi)號(hào)：U284.362 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）10-0225-02

城市軌道交通信號(hào)的安全包括兩個(gè)方面：一方面是在無(wú)故障的時(shí)候設(shè)備能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的工作，即功能安全；另一方面是即使發(fā)生故障的時(shí)候，設(shè)備應(yīng)該導(dǎo)向安全，即故障——安全。其中，故障——安全是指系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，在系統(tǒng)的任何部分出現(xiàn)故障和系統(tǒng)置于任何可能的外部環(huán)境中的情況下都是安全的。當(dāng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)生故障之后，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)不僅能自動(dòng)導(dǎo)向安全，還要具有維護(hù)安全的方法，確保后果不危及行車(chē)安全。

可靠性指在規(guī)定的時(shí)間和條件下完成既定任務(wù)的可能性，可靠性以系統(tǒng)減少故障率和維護(hù)系統(tǒng)的正常功能為目的。安全性指在規(guī)定的時(shí)間和條件下系統(tǒng)不處于危險(xiǎn)時(shí)刻的性能，以防止人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失為保障，安全性側(cè)重于設(shè)備出現(xiàn)故障之后的后果。由此可見(jiàn)，安全性與可靠性之間緊密相關(guān)，但兩者之間又有區(qū)別。由此可見(jiàn)，城市軌道交通信號(hào)設(shè)備的故障——安全技術(shù)必須建立在聯(lián)鎖設(shè)備的高可靠性基礎(chǔ)之上。本文分別從不同層面來(lái)分析故障——安全保障技術(shù)的實(shí)施。

1 系統(tǒng)級(jí)層面的故障

由于城市軌道交通信號(hào)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)于以電腦作為主體構(gòu)成的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)來(lái)講，在系統(tǒng)級(jí)層面上研究故障——安全技術(shù)則必須采取行之有效的方法來(lái)保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有故障——安全特性，其中有三種主要技術(shù)。

第一種技術(shù)方法是依靠自診斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的單機(jī)閉環(huán)自診斷的故障——安全計(jì)算機(jī)構(gòu)造法。這種方法一般采取對(duì)輸入和輸出電路的閉環(huán)校驗(yàn)等一些措施防止系統(tǒng)運(yùn)行失效，保證自診斷程序的正常運(yùn)行。其中，自診斷程序要準(zhǔn)確判斷故障是瞬時(shí)的還是永久的，并根據(jù)情況進(jìn)行診斷，如果沒(méi)有正確處理的話(huà)就會(huì)經(jīng)常造成系統(tǒng)故障——安全停機(jī)。

第二種技術(shù)方法是故障——安全計(jì)算機(jī)構(gòu)造法，采取軟件冗余的方式來(lái)完成。這種方法是一臺(tái)電腦內(nèi)配備兩套程序，這兩套程序功能相同，版本不同，然后程序依照獨(dú)立的方式分別對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比較。因?yàn)楣灿靡惶状鎯?chǔ)器和CPU，故必須嚴(yán)格程序編制獨(dú)立，其目的主要用來(lái)防止出現(xiàn)故障的時(shí)候，使兩套程序出現(xiàn)相同的結(jié)果。提高軟件冗余的可靠性主要是研究無(wú)錯(cuò)軟件和容錯(cuò)軟件。

第三種方法是采用硬件冗余的故障——安全計(jì)算機(jī)構(gòu)造法。目前，采用硬件冗余方法比較普遍的是三取二系統(tǒng)和二乘二取二表決系統(tǒng)。因?yàn)樵诒容^短的時(shí)間間隔內(nèi)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)相同錯(cuò)誤的可能性幾乎為零，所以基于多機(jī)硬件冗余的故障——安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越受到青睞。

2 設(shè)備層面的故障

設(shè)備層面的故障——安全保障技術(shù)主要從信息采集、信息輸出、信息存儲(chǔ)和信息處理這四個(gè)方面進(jìn)行研究。

第一種是數(shù)據(jù)故障——安全技術(shù)。依據(jù)與行車(chē)安全的關(guān)系，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的信息可分為安全信息和非安全信息。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤可以由外部干擾、硬件問(wèn)題產(chǎn)生或者程序錯(cuò)誤衍生，如果聯(lián)鎖數(shù)據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖運(yùn)算的錯(cuò)誤和失效，甚至使系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。目前主要采取以下幾種方法提高數(shù)據(jù)的安全性。

一是涉及安全的信息采用不對(duì)稱(chēng)編碼來(lái)表示。根據(jù)N個(gè)二值碼元可以有個(gè)組合方式，在這個(gè)組合中，分別取兩個(gè)代表變量的安全側(cè)值和危險(xiǎn)側(cè)值，剩余的都認(rèn)為是非法代碼或無(wú)效碼。當(dāng)N足夠大時(shí)，安全側(cè)代碼在傳輸處理過(guò)程中出現(xiàn)故障或干擾原因變?yōu)槲ｋU(xiǎn)側(cè)代碼的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錯(cuò)成非法代碼的概率。二是關(guān)鍵數(shù)據(jù)異地多份存儲(chǔ)。多份存儲(chǔ)的各份數(shù)據(jù)處于不同的存儲(chǔ)區(qū)域，具有不同的地址，從而在程序運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)多數(shù)表決法或比較法鑒別數(shù)據(jù)的合法性。三是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)生成方式進(jìn)行規(guī)范化。四是正確檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完好程度。

第二種是軟件故障——安全技術(shù)。若軟件編程過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)造成永久性故障，所以軟件系統(tǒng)的故障——安全技術(shù)必須保證程序的正確，除此之外還需要防止存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的程序代碼發(fā)生改變。

為了實(shí)現(xiàn)軟件的故障—安全性，必須在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中基于良好的軟件開(kāi)發(fā)工具環(huán)境，嚴(yán)格執(zhí)行軟件工程方法，首先應(yīng)當(dāng)編制優(yōu)良的軟件開(kāi)發(fā)說(shuō)明書(shū)，然后按照說(shuō)明書(shū)來(lái)制作故障—安全性和可靠性都比較高的軟件，同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采用優(yōu)秀的設(shè)計(jì)風(fēng)格以及正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按照結(jié)構(gòu)化和模塊化程序設(shè)計(jì)思想來(lái)完成設(shè)計(jì)。

第三種是輸入和輸出數(shù)據(jù)去向正確性保障的輸入和輸出故障——安全技術(shù)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用多種地址譯碼器，如果地址譯碼器發(fā)生問(wèn)題，即使數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)發(fā)生變化，但是數(shù)據(jù)的去向可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以輸入/輸出故障——安全保障技術(shù)即是正確保障計(jì)算地址和安全保障物理尋址。

3 I/O通道級(jí)層面的故障

為了采集軌旁設(shè)備的狀態(tài)和對(duì)其進(jìn)行控制，涉及到安全信息的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)必須要有故障——安全接口，其中主要包含故障——安全輸入接口和輸出接口。

3.1 故障——安全輸入接口

故障——安全輸入接口采取靜態(tài)輸入方式或動(dòng)態(tài)輸入方式來(lái)有效地實(shí)現(xiàn)要求。為了有效地抑制接點(diǎn)輸入電路的電磁干擾，接點(diǎn)輸入電路必須經(jīng)過(guò)光電藕合才能接到輸入接口。其中，采用編碼方式，將反應(yīng)監(jiān)控對(duì)象狀態(tài)的二值開(kāi)關(guān)量用多元碼元來(lái)表示是靜態(tài)故障——安全接入接口的設(shè)計(jì)思想。動(dòng)態(tài)故障——安全輸入接口的設(shè)計(jì)思想是當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出脈沖序列信號(hào)之后，在繼電器前節(jié)點(diǎn)閉合和電路沒(méi)有發(fā)生問(wèn)題這兩種情況下，輸入端也會(huì)收到相同的信號(hào)。當(dāng)電路出現(xiàn)問(wèn)題或者繼電器落下的時(shí)候，計(jì)算機(jī)收到該信號(hào)則表示收到了安全測(cè)信息。

3.2 故障——安全輸出接口

城市軌道交通計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)一般采用動(dòng)態(tài)變換電路和靜態(tài)變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全輸出。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法，當(dāng)輸出接口電路和通道中某個(gè)電路元件發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，就可以避免輸出常零或者常零狀態(tài)下產(chǎn)生的危險(xiǎn)輸出。

（1）代碼（動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變換電路。代碼（動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變換電路可以通過(guò)軟件變換和硬件變換這兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，聯(lián)鎖機(jī)輸出控制信息必須經(jīng)歷代碼（動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變換電路這個(gè)過(guò)程。其中，當(dāng)需要輸出“開(kāi)放信號(hào)”或者“轉(zhuǎn)換道岔”等危險(xiǎn)側(cè)控制命令的時(shí)候，軟件變換是依據(jù)系統(tǒng)計(jì)算的邏輯運(yùn)算結(jié)果使計(jì)算機(jī)不斷輸出脈沖序列。一旦輸出電路的任何點(diǎn)出現(xiàn)故障，就會(huì)利用脈沖序列自動(dòng)地變成穩(wěn)定輸出來(lái)達(dá)到故障——安全的目的。軟件變換方式雖然節(jié)省了硬件，但是占用了電腦的處理時(shí)間。硬件變換方式可以采用振蕩式的故障——安全邏輯元件或者移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變換電路（電平變換電路。只有當(dāng)輸入信號(hào)為規(guī)定的脈沖序列信號(hào)時(shí)，其輸出信號(hào)才能是高電平，而在其他任何情況下輸出信號(hào)都是低電平的電路稱(chēng)為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變換電路（電平變換電路，也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路或者故障——安全驅(qū)動(dòng)電路。

4 通信傳輸?shù)墓收?/p>

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)信號(hào)安全信息的傳輸任務(wù)，在信息傳送過(guò)程中，城市軌道交通計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)必須是故障導(dǎo)向安全的，否則出現(xiàn)傳輸設(shè)備故障或者傳輸通路噪聲的時(shí)候，都可以使傳送的信息發(fā)生錯(cuò)誤。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的故障安全傳輸，提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性一般采取冗余技術(shù)和避錯(cuò)技術(shù)，通過(guò)軟件和硬件容錯(cuò)技術(shù)措施，盡可能提前檢測(cè)出傳輸通路和傳輸設(shè)備可能發(fā)生的問(wèn)題，在傳輸信息發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，確保通信信息的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為信號(hào)系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣對(duì)于軌道交通的運(yùn)行起著非常重要的作用。一般來(lái)講，世上不存在絕對(duì)可靠的設(shè)備，即設(shè)備出現(xiàn)故障是不可避免的，所以為了使設(shè)備具備比較高的安全性，必須使設(shè)備在高可靠性的基礎(chǔ)上還要具備故障——安全。

參考文獻(xiàn)

[1]徐洪澤.車(chē)站信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社.2012：79-90.

[2]田文軍.信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖安全性可靠性分析[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù).2013（12）.

[3]趙志強(qiáng).淺談不同結(jié)構(gòu)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性與安全性[J].科技展望.2016（12）.