改进的铁路信号安全计算机硬件结构设计

摘要：本课题探究的是轨道交通信号系统的硬件结构，对现在信号系统结构的不足，给出了如何优化信号系统的方法，该方案能够应用到列车运行控制系统以及列车控制系统的车载信号系统。本课题探究的安全计算机硬件是由逻辑处理单元以及外部设备管理单元还有容错和安全管理这三部分组合而成。该文中根据IEC 61508的安全标准，来完成安全计算机硬件结构的分析，并通过建立平台的可靠性框图，利用PDS方法计算以及对安全性指标PFH做了详细的研究，最后判定覆盖率DC对PFH的具体影响是比较大的，所以就需要尽量去增加诊断覆盖率DC。

关键词：安全计算机；差异性结构设计；安全管理单元；计算机硬件

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0232-02

1 航空电子系统结构的发展和特点

目前为了能够解决一系列战斗机以及商用飞机的问题，一些发达国家都已经开始了航空电子系统技术的探究。航空电子技术从刚发展到现在，大部分都已经有了分散，联合以及整合再到高度整合四个阶段；而航空的电子系统结构也是这样，已经经历独立的类型，联合类型，全面综合还有模块化航空电子结构设备这四个阶段。

现在航空电子综合程度已渐渐提高，刚刚开始每个子系统都有传感器和控制器还有显示器和计算机等 ，再到后来已经有各种共享资源模块来完成硬件以及软件共享，每个子系统的界限已经是无法清除区分了。这种类型的系统研究和开发以及采购等等，与最先看的这独立结构还有联合式结构发生了质变。科学技术已经不断进步，将来的综合航空电子系统也一定是朝着更模块化，综合化，通用化的发展。

1.1综合化

系统的功能综合实现应该是从顶部到底部的设计方式，也就是把航空电子系统作为一个子系统，完成系统优化设计以及系统总体设计。综合航空电子系统设计可以压缩空间，并且还可以一定程度上减轻飞机重量，提高稳定性以及灵活性，并且能让系统有更好的可靠性等。

1.2平台化

航电系统的这未来趋势就是能够提供平台，不当当是航空电子的计算机。平台本身是没有航电系统的这功能，只可以对航电系统软件层计算和通信还有存储提供具体的服务。

1.3模块化设计

模块化能够更好地完成简化以及集成结构，这是完成系统重建的重要基础。为了能够达到比较好的模块化效果，本课题中探究的是采用模块化系统结构。应该使用通用的外场能够变换模块，还可以减少特殊LRM的具体数量。

1.4通用化设计

通用化的概念表示系统中能够以尽可能大地利用同一种类型的这模块，从而能够更好地实现系统重构的能力，最后能更好加强保障的能力以及在一定程度上减少安全的成本。

2 改进的铁路信号安全计算机的具体设计

2.1基于差异性原则的结构设计

利用COTS技术的现有控制计算机很多都没有“故障安全”的功能。不过在轨道交通信号控制这一领域，倘若计算机系统无法正常工作，那么会导致设备输出带有危险性控制信号，导致重大人员伤亡以及财产损失等等。因此请求信号控制系统是比较高可靠性而且高安全性的系统。对于信号系统对于安全系数要求比较高的系统，倘若要达到比较高的可靠性和安全性，那么最为方便直接的方法是使用硬件冗余的结构。

不过如果采用了冗余的这种结果，共因失效的这概率相对会更大，这是由于空间环境设计，还有认为的因素等均有可能导致多个组件失败，是一种依赖失败事件，这里每个组件失败事件并不是相互独立的。更多的产品失败是因为同样的原因引起的。需达到较高可靠性并且较高安全性的这种系统，一般来说就要采用冗余设计，这里的冗余或者是备件假若发生失败，那么应该就是系统的可靠性降低了一些数量级。通常来说如果一个通道或者是模块错误，引起另一个通道或者模块有相同的误差概率较大。对一些人来说，对冗余结构的这样系统，需要想办法尽量去减少总共因的失效概率。

改善安全计算机平台，本课题中针对现在安全计算机平台设计一般使用相同的硬件架构以及操作系统，还有编程语言等等，因为需要减少安全计算机平台的故障率，因此包括硬件和软件之间差异的设计原则。利用硬件的选择不同的处理器架构，选择不同的这样操作系统，不一样的编译器，编程语言和开发环境的选择也不一样。

2.2改进的安全计算机硬件结构设计

双机主体结构的安全热备份计算机系统由两个不一样的计算机硬件结构构成，按照一定的逻辑关系设置主机移机备用机，主机才会有结果输出。在这主机的工作单元检测自己存在的错误，拨动变换开关单元，从而让备用机进入到主工作的一个状态。

地面信号系统是能够由核心部分还有远程主机外围部分组合而成，核心的这主机和远程外围部分是基于通用计算机平台安装而成。核心主机一般来说是放置在机械信号室内，主机要有比较高安全性并且高可靠性还有强大的这种逻辑处理能力和外部输入和输出能力的安全与稳定；硬件连接和控制对象的现象要短一些，关键是能够达到轨道电路以及输入和输出功能 ，需要安全并且稳定的这种输入和输出效果。车载信号系统只要基于主机安全计算机平台的一部分，不用接近现场的这一远程外设部分。

信号系统的这些功能需求，那么通用安全计算机平台上是能够配置为核心的基于主机的配置类型、外围硬件的远程配置两种形式。典型的核心基于主机的配置包括逻辑处理单元还有外部设备管理单位以及容错与安全管理单元。能够比较适合于信号系统的核心主机，应用于地面以及车载信号系统。通常远程外围类型配置是由外部设备管理单位还有容错以及安全管理单元这两打部分和安全通信网络VCIN组合而成，可以应用于地面远程外围信号系统。

3 安全性指标计算机方法

3.1 IEC 61508的安全性指标计算方法

IEC 61508已经对安全完整性水平做了定义，是完成系统开发的目标与基础，是评价体系可以保证安全的重要基础。对于安全完整性水平是行业公认的这样安全指数，在较低的需求，高需求又或者是连续方式分配给安全相关系统安全特性目标失败的数量。低需求模式的量化指标要求，危险的失败率，高需求模式或者是连续模式相关的这一量化指标，即“每小时危险失效的一平均频率。因为信号系统是有连续工作这一要求，是“高需求模式或者是连续需求模型”。

3.2 PDS安全性指标计算方法

在IEC 61508，已经是说到了常用简单的冗余结构的PFH算法，不过因为它是简单的冗余街头，而且还没有具体的普遍用公式，这在计算复杂冗余结构 PFH是比较不适合的，因此，本课题中探究了工业技术研究所冗余结构定量计算的这一安全指数以及PDS的开发方法。根据IEC 61508的安全标准，来完成安全计算机硬件结构的分析，利用PDS方法计算以及对安全性指标PFH做了详细的研究。PDS是一种不同于IEC 61508中说到的方法，不过还是遵循IEC 61508标准体系移机有关规定的一些结论。

4 安全计算机原型样机的实现与测试

4.1安全计算机原型样机的硬件方案

本课题中设计改进的安全计算机平台简化的轨道交通信号系统，通常是在地面系统以及车辆系统中比较适合，还好车辆的安全信号计算机结构和地面信号结构类似于电脑主机的安全的核心部分。地面系统的这一核心主机是计算机基于核心主要飞机的安全配置，远程外围设备是基于远程安全计算机外围设备类型配置。核心主机的安全计算机主要就是包括逻辑处理单元以及外部设备管理单位还有FTSM。远程周边安全计算机包括外部设备管理单位以及FTSM两部分。外围设备管理单位和远程设备主机外部设备管理单元包括功能于结构都比较相像，关键就是完成安全通信的一个转发。在实验室中，利用硬件以及软件资源，与主机安全计算机平台的核心架构原型样机完成测试。

主机处理单元的核心逻辑以及外部设备管理单位等等都是用到硬件差异的安全结构设计，两个高产loo2硬件配置，完成2次相同的乘法形式。因此，构建一个系统在实验室loo2结构逻辑处理单元移机loo2结构的设备管理部门，和一个loo2 FTSM结构。优先FTSM测试基于不同的结构设计以及逻辑处理单元、安全管理的同步功能，并完成转发外部设备管理的安全通信。

4.2安全计算机原型样机的软件方案

因为安全环境的实时计算机平台的应用程序的要求非常高，这个平台的计算机操作系统用到的是实时操作系统VxWorks。操作系统VxWorks是有比较好的可持续发展以及高性能的内核和用户友好的开发环境。VxWorks是迄今为止最成功、最好的嵌入式实时操作系统之一，是特地给实时多任务操作系统的嵌入式系统开发的，能够给程序员带来高效的实时任务调度以及中断管理还有实时任务之间的通信效果。

5 结束语

航空电子系统的经验可以学习到，独立的类型结构再到IMA结构，往往是更加综合的，更加模块化和平台方向改进，复杂结构的轨道交通信号系统也能够实现简化。建立了一个计算机平台原样机在实验室中，通过loo2结构处理单元，还有loo2结构的外部设备管理，和loo2 FTSM组成结构。通过实验原型样机试验，FTSM可以完成设计的功能，管理安全计算机每个通道。利用到SPAN技术以及外部设备管理可以为特定的输出信号反馈监控。

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