計算機聯鎖系統安全可靠性設計淺析

為此在計算機聯鎖系統中，信號、道岔、軌道電路等監控對象的狀態信息依然是用安全型繼電器的接點狀態來反映的，輸人接口的任務就是將這種電平形式的二值邏輯數據安全地采集到聯鎖機中來。

2．4 其他方面的安全可靠性分析

考慮計算機聯鎖系統硬件設備的其他方面的安全可靠性，對包括電源、計算機、數據通訊線路、輸人輸出接口、機架結構及地線設置等方面采取了電磁兼容設計和防雷設計，以保證在規定等級的運用環境中，設備必須正常工作，不產生任何指標下降和功能上非期望值的偏差。

3 軟件系統的安全可靠性分析

在計算機聯鎖控制系統里，各種復雜的功能主要依靠軟件來實現。嵌入在安全控制系統中的軟件，不僅要能完整地實現系統的控制功能，還要能保證實現系統在發生意外時的安全防護即故障—一安全功能。

一般在汁算機聯鎖控制系統中，普遍采用以下軟件技術來提高系統的安全可靠性：

(1)采用信息編碼技術，以便出錯時能被及時識別。例如，對于涉及行車安全的邏輯變量，用多元代碼來表示安全變量的兩個值—一安全側值和危險側值。這樣，當代碼在存儲或傳輸過程中，由于存儲器硬件故障或者外界干擾而發生畸變，一旦錯成非法碼時，就可由軟件自動檢出并導向安全側。

(2)采用軟件冗余技術，保證軟件運行的安全性。

(3)采用軟件檢測技術及時發現故障，以進一步采取措施防止危險側信息的發生和輸出。

(4)利用軟件對輸人數據的合理性進行檢查，劉輸出的控制信息進行反饋重復檢查等等。

圖1 計算機聯鎖系統數據處理模型框圖

圖1是一個從安全角度去考慮的計算機聯鎖系統的框圖，實際上也是計算機聯鎖系統的一個安全性模型，只是僅從保障安全的角度把計算機聯鎖系統描述成為一個典型的數據處理系統。對于計算機聯鎖系統來說，保障安全就是保障框圖中的數據流和控制流這兩種信息處理的安全；退一步講，即便信息處理發生錯誤也不會導致危險的后果。。

聯鎖機和外部設備的輸入/輸出信息具有兩種特性，—是開關性；二是安全性。外部設備向聯鎖機提供的輸入信息具有開關性。同樣，聯鎖機的輸出信息也具有開關性，這種開關性可由表示兩個狀態的器件如繼電器來反映。輸入/輸出信息的安全性是根據信息與行車安全的關系來界定的。一類是與安全無關的信息，稱作非安全信息；另一類是與安全有關的信息，稱作安全信息。

聯鎖機和監控對象之間交換的信息屬于安全信息，因此必須考慮當輸凡輸出通道發生故障時，一定要確保傳送信息的安全。為此，在通道設計上必須采用安全輸凡輸出接口。在CPU與輸入和輸出模塊間采用專用總線以保證傳送的正確性，對輸入電路采用光電隔離電路讀取。輸入值，以檢測“粘連”狀態，對各個輸出信號在提供給繼電器前進行表決，不致因輸出模塊本身的故障而影響信息安全。一般在具體的系統設計中，可采取如下措施：

(1)安全信息的輸入：在計算機輸出每種信號設備狀態碼的第一位后，待輸出電平穩定(如20ms)，再將每種信號設備狀態碼的第一位讀入儲存，并立即輸出第二位代碼；讀入全部代碼后，經計算機整理后再傳給每個對象的存儲模塊。

(2)安全信息的存儲與更新：計算機聯鎖中監視現場設備狀態的存儲單元，在宏觀上必須與被監視的對象建立不斷的聯系，當聯系中斷時，系統必須立即倒向安全。

(3)安全信息的運算：聯鎖條件滿足時，程序的走向和運算結果都是預知的。為了提高安全性和防止漏檢查聯鎖條件，在每次判斷條件成立后，將該條代碼進行按位累加，聯鎖關系全部檢查正確時，其累加值應與預期結果相符。

(4)安全信息的輸出：計算機的開關量的輸出是非故障安全的。為了保證安全，可對輸出環節進行連續的監視，如出現不應有的危險側輸出，應快速地在現場設備未動作前予以切斷。

(5)安全信息在計算機間的傳遞：為了符合信號系統的傳統做法，遵循故障安全的要求，在計算機聯鎖的設計時，應采用點對點的循環傳送方法，而不采用變化檢出、一次傳送的方法。

計算機聯鎖的串行數據在傳輸過程中，由于干擾而引起誤碼是難免的，在檢查數據位和冗余位之間的關系是否正確時，應著重防止在傳輸中錯誤地出現危險側代碼。為了確保信息傳輸的安全可靠，一方面可以采用冗余度小、檢錯能力高的循環碼(CRC)作為檢錯碼；另一方面就是在軟件編程時對傳輸的信息進行特殊編碼，并以反饋重發方式糾錯。

根據編碼理論，利用n位二值碼元可生成一個具有2”種伏態的碼字或代碼的集合。在這2”種狀態的代碼組合當中，僅取一種狀態代表危險側碼字(例如用危險側碼字10101 010代表對應繼電器吸起)，再取另一種狀態代表安全側碼字(例如用安全側碼字01 010101代表對應繼電器落下)，其余的均認為是非法碼字，則這種代碼便具有典型的故障—一安全特性。由于非法碼字在正常的聯鎖運算時也被認做安全側碼字，故而該編碼組合僅有1種碼字對應危險側，其余2“—1種狀態均對應安全側。但在實際的運行中要真正能做到故障導向安全，還需對軟件編程的安全編碼進行科學的分析和認真的考慮。

我們認為編碼中各個碼元發生差錯的概率是相同的且不同碼元發生差錯的事件是獨立的。假定每一碼元發生差錯的概率是，則無差錯的概率即為1—p，此時整個代碼均無差錯的概率為(1—p)“。當選用編碼組合中碼距最大的一對代碼，即碼距等于n的—對代碼分別作為代表危險側和安全側的有效碼時，安全側代碼因故畸變成危險側代碼的條件是n個碼元同時出錯，其出錯概率為曠；而安全側代碼出錯變為另外一個代碼的概率則為1—(1—p)，顯然這兩個概率有著明顯的數量的不同，這就造成了編碼在故障或受到干擾情況下邏輯出錯的不對稱性，假定2“種編碼中任一個發生畸變、出錯變為另外任一個代碼的概率相同，均為P(c)；此時，因危險側代碼只有—個，某一代碼錯為該代碼的概率即為戶(c)以上數值與目前國內外廣泛使用的信號安全型繼電器的不對稱指數相比顯然是可以認可的；同時n取為16，恰好是計算機內存字節的整數，便于進行軟件編程。根據鐵道部《計算機聯鎖技術條件》標準，與行車安全有關的信息在計算機內必須以空間冗余的方式存儲，在自由狀態下其非法碼字和合法碼字出現的比率或非安全側碼字和安全側碼字出現的比率必須大于255：1，上述規定中所謂空間冗余即意味著必須用多余的信息位表示單一比特的信息，采用不對稱碼元的方法表示涉安信息即為空間冗余方法之一。