高速鐵路信號系統(tǒng)安全性改進(jìn)研究

郝耕華

【摘 要】安全是高速鐵路永恒的話題。高速鐵路運(yùn)營一旦發(fā)生事故，將直接導(dǎo)致少則幾十多則上百的人身傷害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作為高速鐵路的“大腦與神經(jīng)”，信號系統(tǒng)是確保離速列車運(yùn)營安全和高效運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。隨著大量新設(shè)備和新技術(shù)的引入，如何保證信號系統(tǒng)在運(yùn)營中的安全成為目前亟待解決的問題。基于此，文章就高速鐵路信號系統(tǒng)安全性的改進(jìn)進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容供大家參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路；信號系統(tǒng)；安全性；改進(jìn)

高速鐵路在中國以及世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，人們對高速鐵路認(rèn)同程度不斷提高，同時(shí)對高速鐵路的安全性提出了期待和要求。參考民航飛機(jī)的安全性，自1970年起，飛機(jī)系統(tǒng)建立以1×10-9為特征的事故率標(biāo)準(zhǔn)。對于災(zāi)難性的事件，期望其發(fā)生的概率低于1×10-9時(shí)，認(rèn)為是極不可能發(fā)生的。目前高速鐵路要求達(dá)到的安全目標(biāo)，即不發(fā)生災(zāi)難性事件的概率，基本也是1×10-9數(shù)量級。人們對安全的追求是沒有止境的，高速鐵路相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也隨著工程實(shí)踐而改進(jìn)。

一、高速鐵路信號系統(tǒng)安全性改進(jìn)面對的挑戰(zhàn)

（一）復(fù)雜性增加

高速鐵路信號系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)用了大量的計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程技術(shù)、通信信息技術(shù)。高速鐵路的信號系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如TCC子系統(tǒng)、ATP子系統(tǒng)、RBC子系統(tǒng)、CTC子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)都運(yùn)行著復(fù)雜的軟件，有的子系統(tǒng)的代碼可能超過30萬行。這些子系統(tǒng)大部分是安全相關(guān)系統(tǒng)，承擔(dān)著保障鐵路安全運(yùn)行的功能，如果安全功能失效，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

（二）信息隱藏

高速鐵路的發(fā)展，帶來大量的計(jì)算機(jī)化技術(shù)、通信和信息技術(shù)、大量復(fù)雜的軟件。現(xiàn)代鐵路的信號系統(tǒng)，已經(jīng)由當(dāng)初的硬接線繼電系統(tǒng)，發(fā)展為基于大規(guī)模集成電路、邏輯器件和處理器為基礎(chǔ)的電子系統(tǒng)。而基于處理器的電子系統(tǒng)，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)流、邏輯流、控制流一般對外不可見，只能從系統(tǒng)邊界的輸入和輸出來推斷其內(nèi)部行為。除了設(shè)計(jì)人員，其他人員很難清楚內(nèi)部的處理邏輯、實(shí)現(xiàn)方式。在一定程度上，基于處理器的電子系統(tǒng)，內(nèi)部錯(cuò)誤更難以發(fā)現(xiàn)。

（三）多系統(tǒng)協(xié)同

現(xiàn)代高速鐵路系統(tǒng)是由多個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作的大系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間具有復(fù)雜的信息流、每一個(gè)子系統(tǒng)需要根據(jù)來自其他子系統(tǒng)的信息配合，并與其他子系統(tǒng)配合輸出相應(yīng)的信息。一個(gè)典型的CTCS-3信號控制系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)流向，如圖1所示。

由圖1可以看出，地面設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備三者間有復(fù)雜的信息交互和數(shù)據(jù)流向；地面設(shè)備各子系統(tǒng)內(nèi)部間，也有著復(fù)雜的信息流。

二、安全性改進(jìn)研究

（一）形式化

形式化方法（Formal Methods）的基本含義是借助數(shù)學(xué)方法來研究計(jì)算機(jī)科學(xué)中的有關(guān)問題。形式化方法提供一個(gè)框架，在框架中可以用數(shù)學(xué)的方式開發(fā)和驗(yàn)證系統(tǒng)。形式化方法在EN50129和EN50128中都有要求。由于軟件的錯(cuò)誤都是系統(tǒng)性故障，沒有隨機(jī)性故障，所以在EN50128中，多次出現(xiàn)對形式化方法的強(qiáng)烈推薦（HR）使用要求。如在EN50128中，表A.2軟件需求規(guī)范，采用形式化方法進(jìn)行軟件需求描述，被強(qiáng)烈推薦使用。

對于形式化方法來說，由于其基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)，具有嚴(yán)格的語法和語義定義，從而可以準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)模型，排除矛盾、二義性、含糊性等情況；同時(shí)，在對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格描述的過程中，將會幫助用戶明確其原本模糊的需求，并發(fā)現(xiàn)用戶所陳述的需求中存在的矛盾等情況，從而相對完整、正確地理解用戶需求，最終得到一個(gè)完整、正確的系統(tǒng)模型。形成完整的形式化模型后，則可以進(jìn)行形式證明。在EN50128表A.5，如表2所示，驗(yàn)證和測試中，形式證明技術(shù)在SIL3和SIL4等級中被強(qiáng)烈推薦使用。

形式證明的目標(biāo)是使用理論模型、數(shù)學(xué)模型及規(guī)則，就有可能在程序不需要運(yùn)行的條件下證明程序的正確性。

（二）信息可視化

可視化是指將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為一種視覺形式，其充分利用人們對可視模式快速識別的自然能力?？梢暬瘜⑷四X與計(jì)算機(jī)這兩個(gè)最強(qiáng)大的信息處理系統(tǒng)聯(lián)系在一起?？梢暯缑婺軌蚋行У乇O(jiān)視、操作、過濾、對比與理解大規(guī)模數(shù)據(jù)，并與之方便交互，從而可以極其有效地發(fā)現(xiàn)隱藏在信息內(nèi)部的特征和規(guī)律。此外，可視化是一種計(jì)算方法，它把計(jì)算機(jī)使用的數(shù)字和代碼轉(zhuǎn)換成幾何信息，使外部人員可以觀看他們的計(jì)算邏輯和結(jié)果。

對于基于計(jì)算機(jī)的鐵路信號設(shè)備來說，數(shù)據(jù)信息的可視化，應(yīng)包括將安全相關(guān)運(yùn)算和輸出結(jié)果信息以易于工程和操作人員理解、熟悉的圖形化形式直觀展示出來。

對于研發(fā)人員來說，關(guān)鍵信息的圖形化展示，每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)作為單個(gè)圖元元素表示，大量的數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，同時(shí)將數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。

對于工程、調(diào)試、運(yùn)營、維護(hù)人員來說，關(guān)鍵信息的圖形化展示，可以實(shí)時(shí)、全面地向使用人員交互設(shè)備狀態(tài)和輸出，作為圖形化信息的觀察者，可以方便、直觀地與自己的預(yù)期進(jìn)行比較，更容易發(fā)現(xiàn)問題。

（三）信息融合

多源信息融合（簡稱為信息融合）是指組合和合并多個(gè)來源的信息或數(shù)據(jù)以便形成一個(gè)統(tǒng)一結(jié)果的技術(shù)。它起源于軍事領(lǐng)域中的多傳感器綜合應(yīng)用，往往又叫多傳感器數(shù)據(jù)融合（或數(shù)據(jù)融合）。信息融合是一種多層次、多方面的數(shù)據(jù)處理過程，對來自多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)及組合等處理。對于高速鐵路信號控制系統(tǒng)這種多協(xié)作、多數(shù)據(jù)來源的大系統(tǒng)，有條件做信息融合處理。對于涉及行車安全的信息，當(dāng)具備多信息融合的條件時(shí)，應(yīng)采用自監(jiān)督或相互監(jiān)督的機(jī)制，對多數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、組合等處理，通過多數(shù)據(jù)源來提高安全性、同時(shí)防止錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)在子系統(tǒng)間有害傳播。

根據(jù)《鐵路車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖安全原則》TB/T3482如下兩條要求：

第一，來自其他安全系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)，如果經(jīng)安全校驗(yàn)后數(shù)據(jù)出現(xiàn)非預(yù)期或矛盾的結(jié)果，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)采取安全措施。推而廣之，所有安全相關(guān)的設(shè)備，作為信息使用方，可以在已有信息的基礎(chǔ)上根據(jù)冗余信息進(jìn)行規(guī)則符合性校驗(yàn)，避免單一信息出錯(cuò)造成不可接受的安全后果。某一信息接收方，當(dāng)具有一致或相近信息含義的數(shù)據(jù)具有多個(gè)來源時(shí)，應(yīng)對多來源數(shù)據(jù)進(jìn)行基于安全的一致性檢查。

第二，聯(lián)鎖軟件內(nèi)部同一設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)算結(jié)果，需要對外驅(qū)動(dòng)以及給多個(gè)外部系統(tǒng)發(fā)送時(shí)，對外驅(qū)動(dòng)以及給各系統(tǒng)發(fā)送的信息含義應(yīng)一致。推而廣之，所有安全相關(guān)的設(shè)備，軟件應(yīng)采取技術(shù)手段檢查輸出的一致性。如車載可根據(jù)收到的C2和C3信息，進(jìn)行基于安全的行車許可比較，提升系統(tǒng)安全性能。

三、結(jié)束語

通過對高速鐵路信號系統(tǒng)安全性的改進(jìn)，能夠進(jìn)一步滿足人們安全、高效出行的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉奔濤.中國高速鐵路信號系統(tǒng)分析與思考[J].信息通信，2015（11）：274.