铁路信号计算机联锁控制系统容错技术

文思扬

（中铁第五勘查设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

铁路信号是指以灯光、图像、声音、特定标志物等形式向铁路行车人员传送机车车辆运行条件、行车设备状态和行车有关指示的技术与设备。其作用是保证铁路运输的安全有序。简而言之，铁路信号就是辅助铁路行车人员进行日常工作，保持铁路列车能够正常稳定运行的一种技术设备。如果没有铁路信号的辅助，我国的铁路运行就相当于没有思想意识的机械马车，无法按照预设的路线向前工作[1]。

2 释义

2.1 计算机联锁系统

铁路系统的运行需要多个系统之间相互协作。我国铁路信号系统中所使用的计算机联锁系统是负责在铁路运行期间辅助工作人员发出控制指令和生成联锁信息，制约道岔、信号机、轨道电路等铁路设备有序工作，保证列车能够安全平稳的运行。

2.2 计算机容错技术

“容错技术”顾名思义，就是将事故发生错误的概率不断降低的一种技术手段。改革开放以来，我国高度重视信息技术的发展，计算机容错技术在我国科技工作人员共同的努力下，取得了里程碑式的进步，各种计算机系统故障概率大幅降低，这对计算机系统的运行的稳定性起到了关键作用。计算机容错技术的发展又对信号联锁系统解决故障问题发挥举足轻重的作用。即计算机联锁系统在发生故障的情况下，通过计算机容错技术，也能保证铁路信号系统的正常运行，有效的避免了因为故障发生导致列车停运的连环效应[2]。

3 导致铁路信号设备出现故障的原因

在铁路信号系统的运行过程中，计算机联锁控制系统经常因为各种原因导致运行出现故障。导致计算机联锁控制系统发生故障的原因主要分为人为因素和物理因素。人为因素是指在铁路信号系统运行过程中，系统的操作人员因为注意力不集中或者自身专业水平不足而出现的误操作；物理因素则是指在铁路信号系统的运行过程中，因为内部零件发生损耗或者铁路外部气候环境的干扰而产生的故障，具体的原因包括电缆路线施工不当、检修不及时造成的设备老化、列车运行时产生的振动导致设备发生位移等。

4 计算机联锁系统技术容错机制的具体表现

三模冗余技术和双机热备技术是计算机联锁系统中的重要组成部分。利用三模冗余技术和双机热备技术，计算机联锁系统对计算机的硬件、软件等多个系统设备进行容错，保障计算机系统的正常运行。这为铁路信号容错技术的应用奠定了基础[3]。

4.1 计算机联锁系统中两种工作技术的积极作用

三模冗余技术与双机热备技术为计算机联锁系统的平稳运行提供有效保障。而计算机联锁系统的平稳运行又成为我国铁路信号系统平稳运行坚实的后盾。同时在计算机联锁系统应用的推动作用下，三模冗余技术与双击热备技术作为计算机联锁系统的基础容错技术，两者相互融合，产生出二乘二取二、二乘三取二等多种冗余结构，为今后计算机联锁系统容错技术的发展提出了更多的可能性。

4.2 三模冗余技术的使用

三模冗余技术的工作原理是系统将需要运算的信息分别输入三个相同的模块得到三个运算结果；再将运算结果输入表决器表决，从而得到最终的运算结果。

表决器的表决过程遵循“少数服从多数”的运算原则，这跟我们日常生活中进行选举时的方法类似。也就是说，把经过三个相同运算模块运算得到的三个运算结果进行系统表决，选取同意度最高的结果予以采用。整个过程经历了三次计算，保证了系统输出的数据更加准确。而表决器的应用，使在三个模块产生数据均不一致的情况下，系统也会返回进行计算，并最终得出相应的数据结果。这不仅提升了计算机联锁系统的工作质量，还为铁路系统工作的正常运行提供了有力保障[4]。

4.3 双机热备技术

与三模冗余技术不同，双机热备技术采用动态冗余方式，由两个工作模块构建而成。在运行的过程中，正常情况下只有一个模块进行工作，另一模块处于待机状态，常态工作的模块被称为基本模块，处于待机状态的模块叫做储存模块。如果系统在运行时出现故障，系统会切换储存模块代替基本模块继续工作。动态冗余方式，可以冗余更多模块，从整体上提升容错率；但从计算机联锁系统应用的角度，冗余更多硬件设备，会增加系统整体响应时间和工程设备造价，所以在满足需求的前提下计算机联锁系统选用双机热备的硬件结构是最优的。

5 容错系统

5.1 硬件冗余

铁路信号系统的网络采用局域网网络。局域网与我们日常所使用的互联网相比，因为其覆盖面积小，信息交融少的特点，显示出了高度的封闭性，能够有力地抵御不法入侵和软件病毒。同时局域网的维护升级费用也比较低，能够带来更加高质量的使用效果及经济效益。局域网的应用在铁路信号系统信息有效传递的同时，保障了信息使用的安全性，满足了系统安全高效运行的需求[5]。

仿真系统采用双机热备冗余结构、局域网网络。硬件冗余主要体现为网络结构的冗余，输入模块、双机热备冗余结构运算模块、表决输出之间采用双物理通道，构成两套局域网络。

5.2 软件冗余

软件冗余主要体现为两个双机热备冗余结构运算模块采用双份编码形式，两份编码所使用的程序结构和编程语言均不相同，最大程度保证系统两部分运算的独立性。

5.3 基于RTLinux的容错计算机联锁控制系统

5.3.1 RTLinux的概念

RTLinux的全称为为realtime linux, RTLinux是由美国过墨西哥理工学院所开发出的一种嵌入式硬实时操作系统，迄今为止，RTLinux已经被广泛的应用到了航空航天技术、科学仪器检测、铁路信号系统等多个领域。

5.3.2 基于RTLinux的容错计算机联锁控制系统的系统结构

仿真系统主要由两套独立的子系统组成，双机热备冗余结构；每套子系统又含双套数据采集模块和联锁逻辑运算模块；在数据采集、逻辑运算、输出驱动的各个环节均设置自检功能，对系统运行过程中产生的或接收到的数据进行核查；各运行周期采用RTLinux时钟进行同步。

数据采集阶段，自检功能将操作指令与系统当前状态预设的指令表进行对比；如果无法正确匹配，认为这些操作指令为操作人员的误操作，系统不再响应这些操作指令；如果通过自检，数据将进行逻辑运算。

逻辑运算阶段，自检功能将双套采集数据分别运算的结果进行比较；如果两者计算结果不一致，将重新返回数据自检后再进行计算；重新返回计算达到规定的次数，则判定此子系统存在故障，切换至备用子系统工作；如果两者计算结果一致，则输出计算结果。

输出驱动阶段，自检功能将输出结果与设备执行后的反馈进行比较；如果两者结果不一致，中断程序发出报警；如果两者结果一致，则根据设备执行结果更新整个系统的状态。

6 结语

计算机联锁系统的容错技术是我国铁路信号系统安全平稳运行的重要保障，起到了为我国的铁路事业保驾护航的作用。随着新技术、先进装备在铁路领域的应用，对信号系统也提出了越来越高的要求。容错技术作为信号系统的关键技术，需要进行不断的优化和改进，使之更符合铁路运行的需要，为我国铁路运输系统的安全高效运营提供技术保障。