面向城轨信号系统的安全计算机平台软件设计

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1、面向城轨信号系统的安全计算机平台软件设计-->1绪论1.1研究背景及意义轨道交通因其运载能力大、运输速度快、乘坐舒适度高等特点，在城市交通运输领域中有不可替代的地位。如今，能源问题和环境问题对城市交通提出了更高的要求。如何能够在保证安全的前提下进一步提高设备的运载能力，降低其对资源、能源消的消耗和对环境的污染，这是城市轨道交通领域的重要课题。城市轨道交通系统所管理和维护的主体是高速度、大容量的公共交通工具，其安全性直接关系到乘客的生命安全[1]。在轨道交通系统中，信号系统是保证列车按计划安全高效运行的核心。当前环境下，传统的基于轨道电路的

2、列车运行控制系统（TrackCircuit-BasedTrainControl,TBTC)早巳经不能满足城市轨道交通对客运密度的需求，相比较而言，基于通信的列车控制系统(munications-basedtraincontrol,CBTC)是城市轨道交通信号系统的发展方向[2]。与传统的轨道电路通信不同，CBTC系统使用‘无线的方式实现车地双向通信，以进行列车的运行控制通信模式的改变让CBTC信号系统减少了需要铺设的辅助电缆，大幅提高了车地之间通信的速度和信息量，并使车次的计划和组织更加灵活目前CBTC系统是全球公认的城市轨道交通领域最先

3、进的列车控制系统。在未来一段时间内，CBTC系统也是轨道交通信号系统的发展方向。在CBTC系统中，安全计算机系统是核心需求⑸。安全奇求系统(Safety-criticalsystem)的定义源于欧洲铁路信号标准EN50129。在EN50129中，安全背求系统是指自身可以达到安全功能要求的安全完整性等级的系统[6]。安全苛求计算机系统（Safety-CriticalputerSystem)是以计算机作为核心组件的安全苛求系统。在城市轨道交通应用中，安全计算机系统首先要满足“故障-安全”原则。“故障-安全”(Fail-Safe，FS)是指发生

4、故障后导向安全侧的设计原则。在实际应用中，无法保证发生所有故障均能导向安全侧。因此FS原则又可以定义为在高可靠性系统中，通过设计手段，让发生故障后导向安全侧的概率远大于导向危险侧的概率的原则[7]。为了能够让计算机系统满足要求的安全完整性等级，就需要从硬件架构设计、到底层驱动和操作系统的优化、再到应用层软件开发综合努力。对于安全计算机系统的硬件来说，如何组织硬件架构，让系统能够高效的进行信号采集和处理是硬件设计的核心；对于安全计算机系统的软件来说，如何优化操作系统的组件和驱动程序，并且建立起能够发挥硬件架构优势的软件平台是软件设计的核心。

5、...............................1.2安全计算机软件技术发展现状安全计算机平台软件技术与安全计算机硬件架构的发展是紧密相关的。安全计算机系统是由基本的嵌入式系统发展而来，在早期并没有采用多重冗余，也不具备“故障-安全”的概念，仅为实现某一特定领域的特定应用从严格意义上来说，此时的控制设备并不能称为安全计算机，也就不存在安全计算机平台软件。为了更好的解决可靠性问题，设计者首先提出了冗余计算机的概念。最简单的冗余计算机架构是双机备份架构，其采用两套计算机子系统，呈主备关系，结构如图1.1所示。此时，如果某个子系统

6、发生单一故障，并不会导致整个系统失效，提高了整个系统的可靠性191。在这种架构下，安全计算机平台软件主要需要完成两个子系统之间的主备切换功能，保证主系出现故障时，备系能够在规定的时间内完成切换和输出。双机备份结构虽然一定程度上提高了系统的可靠性，但又引入一个新的问题：如何判断系统运行中子系统故障的发生。在双机备份结构中，主备切换是以平台软件能够发现子系统故障为前提的。但对于某些故障，软件很难根据本系数据进行分析和诊断，这就导致某些故障无法通过备份冗余结构进行规避，从而影响了整个系统的可靠性。为此，设计者又提出了二取二架构，通过对两系输出数

7、据进行比较得出系统是否发生故障。二取二结构如图1.2所示。在这种架构下，安全计算机平台软件需要完成两个子系统之间的时间同步、数据同步和表决，并根据表决结果冤成系统健康状态的诊断。后来，设计又将双机备份架构与二取二架构结合，产生二乘二取二安全冗余架构。二乘二取二架构兼具双机备份架构主备切换的特点与二取二架构错误定位诊断的特点，提高了整个系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性其架构如图1.3所示。此时的平台软件既要具备同一个二取二系统内部的同步、表决等功能，又要具备两个二取二系统之间的主备切換功能。随着安全计算机冗余架构越来越复杂，安全计算机

8、系统对平台软件的要求也越来越高，伴随着相关的软件技术也在不断发展。喻钢等在安全计算机软件需求的形式化建模方面做了深入的研究im，DavidPoetal.对三取二和二乘二取二架构的可靠性、可用性