計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中冗余技術(shù)的比較分析

左建輝

0 引言

由于鐵路信號(hào)系統(tǒng)是一種“故障-安全”系統(tǒng)，當(dāng)采用計(jì)算機(jī)構(gòu)成聯(lián)鎖系統(tǒng)時(shí)，必須采用所謂的安全型計(jì)算機(jī)，即在故障情況下能夠防止出現(xiàn)危及人身安全及重大裝備損失的計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)本身并不具有這一“安全性”，因此必須通過(guò)合適的結(jié)構(gòu)方式使系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)故障時(shí)處于安全狀態(tài)。

冗余技術(shù)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中常采用的一種技術(shù)，是提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的最有效方法之一。為了達(dá)到高可靠性和低失效率相統(tǒng)一的目的，通常會(huì)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中采用冗余技術(shù)，即重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間，合理的冗余設(shè)計(jì)將大大提高系統(tǒng)的可靠性。

1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖冗余技術(shù)原理及特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中通常采用軟件冗余或硬件冗余方式來(lái)滿足“故障-安全”要求。

1.1 軟件冗余方案原理及特點(diǎn)

圖1為軟件冗余方案示意圖，即帶結(jié)果比較的計(jì)算機(jī)2次處理（“一硬二軟”方案）的原理框圖。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)2套輸入電路讀入，在1臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)有2套彼此獨(dú)立的程序：程序A和程序B同時(shí)按照獨(dú)立的格式依次對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在正常無(wú)故障的情況下，2套獨(dú)立程序處理的結(jié)果應(yīng)該是相同的，經(jīng)過(guò)比較器電路進(jìn)行結(jié)果比較，在結(jié)果一致時(shí)，經(jīng)2套輸出電路輸出，圖中接點(diǎn)A，B吸起，接通控制電路。在發(fā)生故障時(shí)，由于程序A、B的獨(dú)立性，致使處理的結(jié)果不一致，該結(jié)果導(dǎo)致比較器電路輸出為零，圖中接點(diǎn)A、B落下，切斷控制電路的供電。由于聯(lián)鎖邏輯是遵循故障-安全準(zhǔn)則的，所以控制電路失電必然導(dǎo)向安全的結(jié)果。

圖1 帶比較結(jié)果的“一硬二軟”軟件冗余方案示意圖

在軟件冗余方式中，由于存儲(chǔ)器、CPU等都是共用的，所以程序編制必須嚴(yán)格獨(dú)立，至少應(yīng)該由2人分別獨(dú)立編制，以防止一個(gè)硬件上的故障使2套程序產(chǎn)生同樣的結(jié)果。從理論上說(shuō)，2套程序的絕對(duì)獨(dú)立是不可能的，通常認(rèn)為每一項(xiàng)硬件故障使2套程序產(chǎn)生同樣錯(cuò)誤的概率為10-3，因此，采用“一硬二軟”的軟件冗余方案時(shí)2次危險(xiǎn)結(jié)果之間的間隔時(shí)間為

式中，MTBF為計(jì)算機(jī)的平均故障間隔時(shí)間。

該類“一硬二軟”軟件冗余方案所占內(nèi)存空間較大，處理時(shí)間較長(zhǎng)，輸入電路有一些共用部分（如電源），二次電路不是完全獨(dú)立的，孿生性故障隱患仍然存在。在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的起始階段，該方案在價(jià)格上的優(yōu)越性是明顯的，但隨著硬件價(jià)格的不斷降低，而編寫(xiě)用戶程序的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，該“一硬二軟”的軟件冗余方案的價(jià)格優(yōu)勢(shì)正在逐步喪失。

1.2 硬件冗余方案

1.2.1 “二取二”硬件冗余系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

圖 2為帶有結(jié)果比較的雙機(jī)并行處理的原理圖，又稱為“二取二”系統(tǒng)。在正常情況下，2臺(tái)相同的計(jì)算機(jī)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的處理結(jié)果是相同的，該處理結(jié)果經(jīng)比較確認(rèn)后，就使同步器的控制脈沖命令得以通過(guò)比較器，于是輸出電路給出控制命令。在發(fā)生故障時(shí)，雙機(jī)的處理結(jié)果不相同，比較器電路一方面通過(guò)同步器切斷計(jì)算機(jī)的處理過(guò)程，并鎖住控制命令的發(fā)出；另一方面通過(guò)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換電路切斷控制電流，并給出故障報(bào)警。

圖2 “二取二”硬件冗余方案示意圖

2套比較器電路是彼此獨(dú)立的，逐位檢查2臺(tái)計(jì)算機(jī)處理的一致性。比較器在每收到一次監(jiān)視脈沖后開(kāi)始工作，計(jì)算機(jī)在每一步節(jié)拍之前先給出一個(gè)監(jiān)視脈沖，然后檢測(cè)一下比較器通道是否暢通。如果上一步節(jié)拍2臺(tái)計(jì)算機(jī)處理結(jié)果是一致的，則比較器通道暢通。同時(shí)，比較器給同步器一個(gè)無(wú)故障回執(zhí)，同步器收到回執(zhí)之后才給出下一步節(jié)拍脈沖。用該方式實(shí)現(xiàn)每一步節(jié)拍后校準(zhǔn)雙機(jī)的一致性，倘若出現(xiàn)不一致，比較器阻塞，不給出無(wú)故障回執(zhí)，于是同步器也不給出下一步節(jié)拍脈沖，計(jì)算機(jī)停止處理信息，給出故障報(bào)警，切斷控制電路的電源。顯然，這樣的并行計(jì)算機(jī)硬件冗余系統(tǒng)是符合故障-安全準(zhǔn)則的?！岸《庇布哂嘞到y(tǒng)有如下特點(diǎn)：

（1）計(jì)算機(jī)本身并不具有故障-安全特性，但圖 2所示的帶結(jié)果比較的雙機(jī)并行系統(tǒng)具有故障-安全特性，故可用于鐵路信號(hào)控制。

（2）2套計(jì)算機(jī)在空間上是分開(kāi)的，可以用相同的程序，即“一軟二硬”硬件冗余。

（3）由于是并行處理，所以在處理時(shí)間上是最優(yōu)的。

（4）如上所述，個(gè)別故障不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)，設(shè)出現(xiàn)雙重故障的概率為W，與前述相同，取10-3，則2次危險(xiǎn)結(jié)果之間的間隔時(shí)間為

（5）隨著硬件價(jià)格的逐步降低，該方式在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)因其節(jié)省一套軟件而日趨明顯。

1.2.2 “三取二”硬件冗余系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

“二取二”硬件冗余系統(tǒng)很容易擴(kuò)展為安全性、適用性更高的三機(jī)并行系統(tǒng)，即所謂“三取二”系統(tǒng)。

圖3為“三取二”硬件冗余系統(tǒng)原理圖。每一臺(tái)計(jì)算機(jī)帶2個(gè)硬件比較器，當(dāng)3臺(tái)計(jì)算機(jī)全部正常工作時(shí)，6個(gè)比較器電路均獲得一致的結(jié)果，控制命令能正常執(zhí)行。一旦有一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障，例如計(jì)算機(jī)2故障，于是比較器12、21、23、32因輸入信號(hào)不一致而阻斷控制命令，但比較器13及31仍能保證控制電流通過(guò)。與此同時(shí)，由于比較器21和23同時(shí)阻斷，經(jīng)與門(mén)使計(jì)算機(jī)2的同步器不給出下一節(jié)拍脈沖，計(jì)算機(jī)2停止工作，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)稱為完整的雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。也就是說(shuō)，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)從“三取二”過(guò)渡到“二取二”，從而并不影響信號(hào)系統(tǒng)的使用，也不對(duì)行車構(gòu)成影響。顯然，該系統(tǒng)對(duì)于提高行車效率是十分有利的。

圖3 “三取二”硬件冗余方案示意圖

2 各種硬件冗余技術(shù)的對(duì)比分析

通過(guò)上面對(duì)軟件冗余和硬件冗余原理及特點(diǎn)的闡述不難看出，硬件冗余技術(shù)明顯優(yōu)于軟件冗余，軟件冗余在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中也基本退出歷史舞臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，其硬件冗余技術(shù)也經(jīng)歷了從雙機(jī)冷備、雙機(jī)準(zhǔn)熱備到如今的雙機(jī)熱備、二乘二取二、三取二等過(guò)程。表1就這幾種計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖冗余系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

3 各種制式的應(yīng)用

目前，雙機(jī)熱備型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)已得到廣泛使用，技術(shù)也基本成熟，如國(guó)外雙機(jī)熱備型聯(lián)鎖系統(tǒng)有法國(guó)ALSTOM（阿爾斯通）公司VPI聯(lián)鎖、美國(guó) USSI公司 MICROLOCK聯(lián)鎖、英國(guó)WESTINGHOUSE（西屋）公司 SESTRACE聯(lián)鎖系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)雙機(jī)熱備型聯(lián)鎖系統(tǒng)如鐵科院TYLJ-II型、通號(hào)設(shè)計(jì)院DS-11型、北京交通大學(xué)JD-IA型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)等。

隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展以及城市軌道交通建設(shè)的蓬勃興起，對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的安全性也提出了更高的要求，代表目前最先進(jìn)水平、具有更高安全性的“二乘二取二”、“三取二”型冗余技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)外采用“三取二”型冗余技術(shù)的有德國(guó)SIEMENS（西門(mén)子）公司SICAS計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、加拿大ALCATEL（阿爾卡特）公司VCC計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)采用“三取二”型冗余技術(shù)的有鐵科院TYJL-TR9型聯(lián)鎖、通號(hào)設(shè)計(jì)院DS6-20型聯(lián)鎖、和利時(shí)HOLLiAS VSI2000A型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)采用“二乘二取二”型冗余技術(shù)的有通號(hào)設(shè)計(jì)院 DS6-K5B型、北京交通大學(xué) EI32-JD型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)等。

表1 各種計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖冗余系統(tǒng)比較表

4 結(jié)束語(yǔ)

從以上分析比較不難看出，“三取二”或“二乘二取二”硬件冗余配置的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)不但使計(jì)算機(jī)故障對(duì)行車幾乎沒(méi)有影響，而且相對(duì)于其他3個(gè)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。因此，“三取二”或“二乘二取二”硬件冗余技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，也將是未來(lái)幾年計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖冗余技術(shù)的發(fā)展方向。

[1]趙志熙.微機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1995.

[2]吳汶麒.國(guó)外鐵路信號(hào)新技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

[3]TB/T 3027-2002 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件.