鐵路信號計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)容錯技術(shù)

文思揚

（中鐵第五勘查設(shè)計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

鐵路信號是指以燈光、圖像、聲音、特定標(biāo)志物等形式向鐵路行車人員傳送機車車輛運行條件、行車設(shè)備狀態(tài)和行車有關(guān)指示的技術(shù)與設(shè)備。其作用是保證鐵路運輸?shù)陌踩行?。簡而言之，鐵路信號就是輔助鐵路行車人員進(jìn)行日常工作，保持鐵路列車能夠正常穩(wěn)定運行的一種技術(shù)設(shè)備。如果沒有鐵路信號的輔助，我國的鐵路運行就相當(dāng)于沒有思想意識的機械馬車，無法按照預(yù)設(shè)的路線向前工作[1]。

2 釋義

2.1 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)

鐵路系統(tǒng)的運行需要多個系統(tǒng)之間相互協(xié)作。我國鐵路信號系統(tǒng)中所使用的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是負(fù)責(zé)在鐵路運行期間輔助工作人員發(fā)出控制指令和生成聯(lián)鎖信息，制約道岔、信號機、軌道電路等鐵路設(shè)備有序工作，保證列車能夠安全平穩(wěn)的運行。

2.2 計算機容錯技術(shù)

“容錯技術(shù)”顧名思義，就是將事故發(fā)生錯誤的概率不斷降低的一種技術(shù)手段。改革開放以來，我國高度重視信息技術(shù)的發(fā)展，計算機容錯技術(shù)在我國科技工作人員共同的努力下，取得了里程碑式的進(jìn)步，各種計算機系統(tǒng)故障概率大幅降低，這對計算機系統(tǒng)的運行的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。計算機容錯技術(shù)的發(fā)展又對信號聯(lián)鎖系統(tǒng)解決故障問題發(fā)揮舉足輕重的作用。即計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下，通過計算機容錯技術(shù)，也能保證鐵路信號系統(tǒng)的正常運行，有效的避免了因為故障發(fā)生導(dǎo)致列車停運的連環(huán)效應(yīng)[2]。

3 導(dǎo)致鐵路信號設(shè)備出現(xiàn)故障的原因

在鐵路信號系統(tǒng)的運行過程中，計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)經(jīng)常因為各種原因?qū)е逻\行出現(xiàn)故障。導(dǎo)致計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)發(fā)生故障的原因主要分為人為因素和物理因素。人為因素是指在鐵路信號系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)的操作人員因為注意力不集中或者自身專業(yè)水平不足而出現(xiàn)的誤操作；物理因素則是指在鐵路信號系統(tǒng)的運行過程中，因為內(nèi)部零件發(fā)生損耗或者鐵路外部氣候環(huán)境的干擾而產(chǎn)生的故障，具體的原因包括電纜路線施工不當(dāng)、檢修不及時造成的設(shè)備老化、列車運行時產(chǎn)生的振動導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生位移等。

4 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)容錯機制的具體表現(xiàn)

三模冗余技術(shù)和雙機熱備技術(shù)是計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的重要組成部分。利用三模冗余技術(shù)和雙機熱備技術(shù)，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對計算機的硬件、軟件等多個系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行容錯，保障計算機系統(tǒng)的正常運行。這為鐵路信號容錯技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[3]。

4.1 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中兩種工作技術(shù)的積極作用

三模冗余技術(shù)與雙機熱備技術(shù)為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的平穩(wěn)運行提供有效保障。而計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的平穩(wěn)運行又成為我國鐵路信號系統(tǒng)平穩(wěn)運行堅實的后盾。同時在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用的推動作用下，三模冗余技術(shù)與雙擊熱備技術(shù)作為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎(chǔ)容錯技術(shù)，兩者相互融合，產(chǎn)生出二乘二取二、二乘三取二等多種冗余結(jié)構(gòu)，為今后計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)容錯技術(shù)的發(fā)展提出了更多的可能性。

4.2 三模冗余技術(shù)的使用

三模冗余技術(shù)的工作原理是系統(tǒng)將需要運算的信息分別輸入三個相同的模塊得到三個運算結(jié)果；再將運算結(jié)果輸入表決器表決，從而得到最終的運算結(jié)果。

表決器的表決過程遵循“少數(shù)服從多數(shù)”的運算原則，這跟我們?nèi)粘Ｉ钪羞M(jìn)行選舉時的方法類似。也就是說，把經(jīng)過三個相同運算模塊運算得到的三個運算結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)表決，選取同意度最高的結(jié)果予以采用。整個過程經(jīng)歷了三次計算，保證了系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。而表決器的應(yīng)用，使在三個模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)均不一致的情況下，系統(tǒng)也會返回進(jìn)行計算，并最終得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。這不僅提升了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作質(zhì)量，還為鐵路系統(tǒng)工作的正常運行提供了有力保障[4]。

4.3 雙機熱備技術(shù)

與三模冗余技術(shù)不同，雙機熱備技術(shù)采用動態(tài)冗余方式，由兩個工作模塊構(gòu)建而成。在運行的過程中，正常情況下只有一個模塊進(jìn)行工作，另一模塊處于待機狀態(tài)，常態(tài)工作的模塊被稱為基本模塊，處于待機狀態(tài)的模塊叫做儲存模塊。如果系統(tǒng)在運行時出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會切換儲存模塊代替基本模塊繼續(xù)工作。動態(tài)冗余方式，可以冗余更多模塊，從整體上提升容錯率；但從計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用的角度，冗余更多硬件設(shè)備，會增加系統(tǒng)整體響應(yīng)時間和工程設(shè)備造價，所以在滿足需求的前提下計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)選用雙機熱備的硬件結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。

5 容錯系統(tǒng)

5.1 硬件冗余

鐵路信號系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)與我們?nèi)粘Ｋ褂玫幕ヂ?lián)網(wǎng)相比，因為其覆蓋面積小，信息交融少的特點，顯示出了高度的封閉性，能夠有力地抵御不法入侵和軟件病毒。同時局域網(wǎng)的維護升級費用也比較低，能夠帶來更加高質(zhì)量的使用效果及經(jīng)濟效益。局域網(wǎng)的應(yīng)用在鐵路信號系統(tǒng)信息有效傳遞的同時，保障了信息使用的安全性，滿足了系統(tǒng)安全高效運行的需求[5]。

仿真系統(tǒng)采用雙機熱備冗余結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。硬件冗余主要體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的冗余，輸入模塊、雙機熱備冗余結(jié)構(gòu)運算模塊、表決輸出之間采用雙物理通道，構(gòu)成兩套局域網(wǎng)絡(luò)。

5.2 軟件冗余

軟件冗余主要體現(xiàn)為兩個雙機熱備冗余結(jié)構(gòu)運算模塊采用雙份編碼形式，兩份編碼所使用的程序結(jié)構(gòu)和編程語言均不相同，最大程度保證系統(tǒng)兩部分運算的獨立性。

5.3 基于RTLinux的容錯計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

5.3.1 RTLinux的概念

RTLinux的全稱為為realtime linux, RTLinux是由美國過墨西哥理工學(xué)院所開發(fā)出的一種嵌入式硬實時操作系統(tǒng)，迄今為止，RTLinux已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了航空航天技術(shù)、科學(xué)儀器檢測、鐵路信號系統(tǒng)等多個領(lǐng)域。

5.3.2 基于RTLinux的容錯計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)主要由兩套獨立的子系統(tǒng)組成，雙機熱備冗余結(jié)構(gòu)；每套子系統(tǒng)又含雙套數(shù)據(jù)采集模塊和聯(lián)鎖邏輯運算模塊；在數(shù)據(jù)采集、邏輯運算、輸出驅(qū)動的各個環(huán)節(jié)均設(shè)置自檢功能，對系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的或接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行核查；各運行周期采用RTLinux時鐘進(jìn)行同步。

數(shù)據(jù)采集階段，自檢功能將操作指令與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)設(shè)的指令表進(jìn)行對比；如果無法正確匹配，認(rèn)為這些操作指令為操作人員的誤操作，系統(tǒng)不再響應(yīng)這些操作指令；如果通過自檢，數(shù)據(jù)將進(jìn)行邏輯運算。

邏輯運算階段，自檢功能將雙套采集數(shù)據(jù)分別運算的結(jié)果進(jìn)行比較；如果兩者計算結(jié)果不一致，將重新返回數(shù)據(jù)自檢后再進(jìn)行計算；重新返回計算達(dá)到規(guī)定的次數(shù)，則判定此子系統(tǒng)存在故障，切換至備用子系統(tǒng)工作；如果兩者計算結(jié)果一致，則輸出計算結(jié)果。

輸出驅(qū)動階段，自檢功能將輸出結(jié)果與設(shè)備執(zhí)行后的反饋進(jìn)行比較；如果兩者結(jié)果不一致，中斷程序發(fā)出報警；如果兩者結(jié)果一致，則根據(jù)設(shè)備執(zhí)行結(jié)果更新整個系統(tǒng)的狀態(tài)。

6 結(jié)語

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的容錯技術(shù)是我國鐵路信號系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的重要保障，起到了為我國的鐵路事業(yè)保駕護航的作用。隨著新技術(shù)、先進(jìn)裝備在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用，對信號系統(tǒng)也提出了越來越高的要求。容錯技術(shù)作為信號系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，使之更符合鐵路運行的需要，為我國鐵路運輸系統(tǒng)的安全高效運營提供技術(shù)保障。