計算機聯鎖硬件冗余結構

凌立

摘要

隨著現代計算機技術的發展，車站的聯鎖控制系統主要采用計算機聯鎖。對計算機聯鎖系統考核和驗證其優點時，安全是決定性因素，而安全性又是用可靠性來保證的。論文針對計算機聯鎖技術的安全性和可靠性，在計算機聯鎖硬件冗余結構方面進行了綜合分析和深入研究，提出了提高計算機聯鎖硬件系統的安全性、可靠性措施，大大提高了計算機聯鎖技術故障—安全性，進而保證了鐵路運輸安全。

【關鍵詞】計算機聯鎖 硬件 冗余結構

1 計算機聯鎖硬件冗余結構

冗余結構，顧名思義，就是多增加的硬件模塊。從系統完整性分析這是多余的且增加了系統的運行時間，但是這種冗余結構對系統的安全性和可靠性的提高起了決定性作用。鐵路車站計算機聯鎖發展了很長時間，出現了不同的計算機聯鎖系統，但共同的特點就是系統硬件采用可靠性和安全性冗余結構以保證聯鎖控制的可靠性和安全性。

1.1 單機故障安全系統

單機系統的優點是處理數據速度快，結構簡單，硬件數目少，占用面積少。因為單機系統中只有一個處理器，所以要把這個處理器的功能進行最大化利用，使處理信息速度快，大數據量處理。在設計這種單機系統時，要在輸入和輸出結構上都加入環狀檢查結構，這樣一旦系統的輸出和輸入出現了故障，就能在第一時間判斷出，減少發生事故的概率，其結構如圖1所示。

1.2 雙機儲備系統

雙機儲備系統需要兩個相同結構相同設置相同功能的計算機。其中的一臺在工作狀態，系統中的雙機切換輸出一直是開啟的，另一臺備份，其結構如圖2所示。工作時兩個計算機都是熱機，都在系統中運行，只是一個主機一個備用機，但是某一個計算機不是一直保持主機，它們之間可以相互互換，相互備用。一旦主機出現了故障，雙機切換裝置就發出命令，令備用機變成主機，繼續完成聯鎖任務。

雙機儲備系統需兩臺主機，且二者相互獨立、互不干擾。但是這兩個主機間又有一個電氣原件進行聯系，所以就會出現兩種工作形式。第一種是一個是熱機（處在工作狀態），另一個是冷儲備（沒有開啟工作，沒有通電）。這種工作形式有一個很大的缺陷就是一旦當熱機出現了故障不能進行工作，雙機切換輸出裝置就會發出一個命令啟動冷儲備操作機。但不管這個備機啟動的速度多么快，總有一個時間差，等冷儲備機變成主機時就會丟失一些數據，容易出現少操作的現象。為了克服這個缺點，應采用第二種工作形式——兩個主機都處在熱機狀態，它們之間相互獨立工作，但是二者必須同步。主用機完成所有的聯鎖任務，熱備機只接受信息不發送命令。

1.3 三機表決系統

三機表決系統是一種利用故障處理屏蔽技術構成的可靠安全性多重計算機聯鎖系統，三機表決系統的表決器輸入的是三路信號，經過一定的邏輯關系計算后，將表決結果作為輸出控制信號，其系統結構如圖3所示。

三機表決系統是一個三重硬件冗余系統，三個聯鎖機之間是相互間隔的，但是這個系統是一個并行系統，三個聯鎖機都參與表決，可以進行三重容錯，所以不會出現單個或者兩個聯鎖機出現問題從而影響整個聯鎖系統工作。

2 計算機聯鎖硬件系統應采用的安全性、可靠性措施

根據前面的分析研究，為了全面提高計算機聯鎖硬件系統的安全性、可靠性，應采用的措施如下：

2.1 上位機安全性、可靠性措施

上位機是一個人機對話平臺，是一個接收聯鎖設備傳送的信息以顯示且向聯鎖設備下達控制命令或者操作的平臺。雖然上位機和行車安全的聯系并不是那么緊密，但是從計算機聯鎖系統整體考慮，上位機是一個重要組成部分，如果上位機的可靠性不高，肯定會影響整個聯鎖系統，使整個系統的可靠性大大降低，最終影響行車安全。所以在車站聯鎖系統應用中，應該采用雙機結構，聯鎖系統中的上位機和維修機是同狀態運行且兩者之間從計算機配置到其他結構都相同。這是對上位機可靠性的一種考慮，一般情況下，上位機進行工作，維修機作為一個備機，同時也是聯鎖系統的一個監測設備，可儲存近十幾天的操作記錄和信息反饋記錄等重要相關數據。

上位機和維修機的選擇標準一定要適用于現場控制，對鐵路現場諸多干擾有較好抵抗作用的工業計算機并在硬件上做相關改動，使底板功能更加集中，改成無源總線母版，增加系統的插槽數目，使系統升級更加方便。提高機箱和驅動架的性能，使整個機箱抵抗災害和抗干擾能力更強。

2.2 聯鎖機的安全性、可靠性措施

計算機聯鎖系統主要控制車站中基礎信號設備如道岔、信號機和進路等，是整個信號控制系統中最重要的部分，它既要準確無誤地完成系統的控制功能還要在出現問題時能進行安全處理，嚴格遵循故障——安全原則。這對聯鎖機的硬件設計提出了更高的要求，為了保證行車安全，聯鎖機必須有高安全性和高可靠性特征，還要時刻遵守故障——安全原則。這就需要計算機聯鎖系統的容錯能力較強。所以計算機聯鎖系統應該采用三取二冗余結構。三取二冗余結構計算機聯鎖系統相對于單機和雙機結構的計算機聯鎖系統在地鐵和干線鐵路的優勢更為明顯。

三取二冗余系統結構需要三個相同主機，不過他們之間的時鐘信號都是各自獨立產生的。為了解決三個主機的同步問題，應把這三個主機用安全總線相連接，實現實時通信和解決同步問題。因為三個主機都要參與表決，所以它們之間的硬件和軟件要保持統一。但該系統也是變化的，若一個主機出現了問題，則這個系統就變成了一個二乘二系統。此系統的缺點是當有兩個主機同時故障，就會出現問題。這個問題的解決方法主要采用主機在輸出信號之前，先自檢一遍，是否出現了錯誤。然后主機之間進行互檢，這樣雖然增加了處理時間，但是卻有效地保證了行車安全。

聯鎖機的安全邏輯部分要增加對上位機發送的信號進行判斷，只有驗證正確才能操作這一信號命令，如果錯誤就直接拋棄并在驗證機制上進行改造，使其可靠性更高，在上位機和下位機之間采用回傳驗證機制以使聯鎖機的可靠性得到明顯提高。

總之，聯鎖的最終目的就是保證行車安全。可靠性冗余結構運用“或”這個二重邏輯關系，提高了系統的可靠程度，把系統硬件停止工作這種故障降低到最低。安全性冗余結構則是一個“與”二重邏輯結構，兩種結果相同才能進行輸出，兩個模塊的結果可以進行相互校對。這樣即使系統產生了故障，輸出發生危險操作命令的概率也大大降低。在鐵路車站計算機聯鎖硬件系統中，為了適應整個系統的高安全性和高可靠性要求，根據硬件所在層次不同，兼顧造價，系統結構應該采用冗余技術構成的雙機或三機系統，最終形成一個可靠性更高的信號控制系統。

參考文獻

[1]張毅.淺談計算機聯鎖“故障-安全”技術及其應用[J].城鐵科技，2013.