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微机联锁优势和应用
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计算机联锁基本知识.ppt
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计算机联锁系统的研究(1)
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3秒自动关闭窗口求计算机联锁论文上（原创）？_生活百科_百科问答
求计算机联锁论文上（原创）？
提问者:大唐国际（上海）品牌咨询集团
计算机联锁（铁道信号）（论文）目 录绪 论 1第一章 计算机联锁系统的概述 2第一节 计算机联锁的特点 2一、计算机联锁与继电集中联锁的主要区别 2二、计算机联锁的优点 2第二节 车站计算机联锁系统应用现状 2一、国外车站计算机联锁系统的应用现状 2二、国内车站计算机联锁系统的应用现状 3第二节 计算机联锁系统的发展 4一、向高可靠性与高安全性方向发展 4二、向全电子化方向发展 5三、向站区一体化、区域化的方向发展 6四、向信息化、智能化和综合自动化的方向发展 6第二章 计算机联锁系统的硬件结构 8第一节 系统的硬件结构 8一、系统的可靠性冗余结构 8二、系统的安全性冗余结构 9三、系统的可靠性与安全性冗余结构 9四、系统的层次结构 11五、系统的分布式结构 12第二节 系统的硬件构成 12一、系统的技术要求 12二、一般计算机联锁系统的硬件构成 13第三章 计算机联锁系统的软件结构 15第一节 计算机联锁系统软件的功能与总体结构 15一、计算机联锁系统软件的功能 15二、本软件具有的功能 16三、本软件所用到的函数及其功能 23四、计算机联锁系统软件的总体结构 25第二节 联锁数据与数据结构 26一、联锁数据 27二、数据结构 27三、结构体定义 28四、动态数据及其结构 30第三节 联锁控制程序的基本模块 31第四节 进路处理程序 33一、操作命令类型及功能 33二、进路处理模块 33结 论 38致 谢 38参考文献 39附 录 40绪 论铁路信号联锁系统是行车安全的技术保障系统，就技术方面而言，铁路信号系统已经历了机械联锁、电气联锁（继电联锁）等两个阶段，目前我国干线铁路或企业自备铁路上所使用的联锁系统绝大多数仍为继电联锁系统。受技术条件的限制，继电联锁系统存在着设计与维护工作量大、综合投资费用高、管理能力弱等缺陷。随着计算机技术的迅速发展，尤其是对于可靠性技术和容错技术的深入研究，计算机联锁技术已日趋成熟，在大力推广使用。根据各国对计算机联锁的研究和使用情况来看，由于计算机在逻辑功能和信息处理方面具有很强的功能，它非常适用于车站联锁。计算机联锁是用微型计算机和其他一些电子、继电器件以及各种计算机软件组成的具有故障――安全性能的实时控制系统。随着计算机技术的迅速发展，尤其是对于可靠性技术和容错技术的深入研究，计算机联锁技术已日趋成熟，在大力推广使用。根据各国对计算机联锁的研究和使用情况来看，由于计算机在逻辑功能和信息处理方面具有很强的功能，它非常适用于车站联锁。计算机联锁是信号设备采用微机的重要突破口，它的研制成功和推广使用使铁路信号自动控制进入了一个新的阶段[4]。第一章 计算机联锁系统的概述为了保证行车安全和必要的通过能力，信号、道岔与进路之间必须以必要的技术手段保持一定的制约关系和操作顺序，称这种制约关系和操作顺序为联锁，用计算机技术来实现的系统成为计算机联锁系统。第一节 计算机联锁的特点计算机联锁，通常采用通用的工业控制微机，由一套专用的软件来实现车站信号、进路、道岔间的联锁关系，进行联锁关系的逻辑运算和判断。这就使得计算机联锁与继电集中联锁有明显的区别，也使得计算机联锁具有显著的优点。一、计算机联锁与继电集中联锁的主要区别1、利用计算机对车站值班员的操作命令和现场监控设备的表示信息进行逻辑运算后，完成对信号机、道岔及进路的联锁和控制；2、计算机发出的控制信息和现场发回的表示信息，均能由传输通道串行传送，可节省大量的干线电缆，并使得采用电缆成为可能；3、用CRT、LCD屏幕显示代替继电联锁的表示盘，大大缩小了体积，简化了结构，方便了使用，提供了比较友好的人机交互环境，可提供比继电集中更丰富的信息和表现形式（例如光带、图形、音响和语音等）；4、采用积木式的模块化软件和硬件结构，便于站场变更，并容易实现故障控制、分析等功能。二、计算机联锁的优点与继电集中联锁相比，计算机联锁具有以下优点：1、进一步提高了安全性、可靠性；2、增加和完善了功能；3、方便设计；4、省工省料，降低造价。最重要的是，计算机联锁为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件[4]。第二节 车站计算机联锁系统应用现状一、国外车站计算机联锁系统的应用现状1978年世界第一个计算机联锁系统在瑞典哥德堡问世, 从20世纪80年代起各国竞相研究开发计算机联锁系统, 并取得了显著的成绩,日本在1980年由铁路综合技术研究所、京三公司、日信公司合作开发、生产了由三重冗余微计算机组成的计算机联锁装置, 1985年实际投入使用的JR 东日本的南古谷车库的计算机联锁装置是日本第一台计算机联装置,90年代起很多国家已开始大面积推广微机联锁系统, 如日本、英国制定技术政策, 不再发展继电联锁, 而由计算机联锁取代,经过20多年的发展, 计算机联锁技术在发达国家已发展成为完善成熟的技术, 计算机联锁由面向工程技术研究转向以面向服务为中心, 其应用现状总体上可归纳为以下几方面:（一）计算机联锁制式主要由三取二和二乘二取二两种, 通过软件、硬件容错技术提高计算机联锁系统的可靠性、安全性、可维护性, 双机热备系统已经淘汰；（二）计算机联锁系统的性能逐渐提高, 比如: 快速计算能力, 高速率数据交换的通信能力, 以适应高速铁路和综合化信号控制系统的要求；（三）面向工程和服务, 采用计算机软、硬件技术, 开发功能非常完善和强大的CAD 系统, 并从制度和设备上建立完善的维修体系和仿真检测体系；（四）积极发展、推广使用全电子模块化的计算机联锁系统, 使计算机联锁系统具有开放式结构,并且更加小型化、智能化；（五）以旅客营业系统为中心, 采用先进的计算机通信技术, 成功发展分布式分层处理的综合信号控制系统和运营管理系统，计算机联锁不仅仅是一个特定的车站的控制系统, 而逐渐演变成综合行车指挥系统的一个重要的基础设备； （六）通过分布式结构扩大控制范围,实现集中联锁分散控制的区域计算机联锁系统, 使计算机联锁系统网络化；（七）计算机联锁系统功能逐渐扩大,实现信号机、道岔、轨道电路联锁关系而直接控制信号设备是计算机联锁系统的基本功能, 通过系统集成, 将车站和区间设备一体化, 由计算机联锁系统代替继电器节点逻辑控制方式提供丰富的列车控制信息;在车站由计算机联锁系统完成对电码化控制信息的逻辑处理, 通过计算机联锁系统实现站内进路电码化, 由这两种方式组合而成的联锁、列控一体化综合系统, 在日本、德国、法国等国家均得到成功应用。比如: 2002年12月开通的日本东北新干线盛岗- 八户段数字ATC地面设备, 包括列控联锁一体化系统局域网(SAINT- LAN )、列控联锁一体化系统逻辑部(SAINT) 。二、国内车站计算机联锁系统的应用现状 国内对计算机联锁系统的研究开始于20世纪80年代, 进入90年代后, 随着与发达国家在计算机联锁技术上的交流增多和计算机技术的发展, 计算机联锁进入快速发展阶段，铁科院通号所、通号公司设计院、北京交大、卡斯柯等单位相继开发出具有不同特点的单机、双机热备、三取二和二乘二取二等计算机联锁系统, 至“九五”期末, 全路共装备了计算机联锁系统438个车站(场) 。在铁道部“十五” 科技发展技术政策中明确规定要积极发展计算机联锁, 在此期间, 车站计算机联锁系统获得了更快的发展, 计算机联锁可靠性、安全性进一步提高, 进入了以技术为依托, 面向市场和服务, 从实现功能到完善拓展功能, 从单站联锁到一体化、电码化等扩大应用的新的发展阶段。（一）随着计算机联锁系统大面积推广使用, 铁路相关人员和单位对计算机联锁的认识逐渐深入,计算机联锁系统已经被广为接受, 为计算机联锁系统的发展奠定了扎实的市场基础；（二）计算机联锁系统本身可靠性、安全性、可维护性、可用性等越来越高, 性能逐渐增强, 功能逐渐完善, 目前已能完全满足中国铁路各种站场规模和运输作业的需要。（三）计算机联锁系统向多制式方向发展, 在路内上道使用的计算机联锁系统有双机热备、三取二、二乘二取二等三种制式, 能满足不同线路、不同工程和不同用户的需要。（四）各种型号的计算机联锁系统均配备有微机监测系统, 远程诊断系统, 为计算机联锁正常稳定运行提供保障。（五）在继承现有计算机联锁系统优点、特点的基础上, 研究铁路信号控制新技术, 积极开发新一代计算机联锁系统, 努力拓展计算机联锁系统的功能, 以适应铁路信号控制现代化、铁路管理信息化建设、铁路跨越式发展的需要。比如: 具有区域控制能力的计算机联锁系统的研究, 联锁、列控一体化安全控制系统的研究,车站进路电码化计算机控制系统的研究,与CTC系统结合的现代化行车调度指挥系统的研究, 高速铁路计算机联锁系统的研究等。（六）建立了计算机联锁系统检测制度。铁道部电务局在原上海铁道大学建立了计算机联锁检验站, 以技术手段加强计算机联锁系统软件安全的检测。 除此之外, 对要投入使用的所有计算机联锁产品的联锁软件,在出厂前均要经过详细完备的功能测试，通过制式测试和出厂测试,有效地保证了计算机联锁产品的质量[5]。第二节 计算机联锁系统的发展 随着新型技术的不断涌现以及现代化铁路的发展需求，车站计算机联锁系统将朝着以下几个方面发展。一、向高可靠性与高安全性方向发展 当前的计算机联锁系统虽然已经处于可用阶段，但是在可靠性和安全性方面都有待提高。就拿双机热备计算机系统来说，它在长期应用和发展中已经逐步成熟和稳定，但由于其先天的不足，仍然暴露出许多软、硬件设计上的缺欠。随着提速、客运专线、大型客运站、重点车站、重载线路的建设和改造，它们对计算机联锁系统的可靠性、安全性提出了更高的要求，以适应铁路跨越式发展形式的需要。我国目前的研究成果主要为三取二冗余系统，但国外更多的是四机冗余系统，多为二乘二取二冗余结构。在国内，由于有现场脱机模拟联锁测试的需求，造成三取二冗余系统不适应于这种模式，因而有其发展的局限性。因此实现计算机联锁在双机热备上的突破，向多重冗余/校核方向发展，采取二乘二取二模式是一个必然。 目前国内还没有自主知识产权的二乘二取二冗余系统。鉴于这种现状，在努力利用自身力量的同时，应积极引进国外先进技术。基于这种理念，2000年，铁道部通信信号总公司研究设计院与京三公司合作，采用K5B 故障-安全型硬件，结合本院自行开发的计算机联锁软件，成功研制开发出了适合我国铁路运输的DS6-K5B型计算机联锁系统。2001年，北京交大微联科技有限公司、北京铁路局与日信公司进行了合作，他们利用日信公司的故障――安全二取二CPU 单板（EI-32单元）的先进技术，结合在中国国内已成功应用的JD-1A 型计算机联锁软件，成功开发了EI32-JD 型计算机联锁系统。 二乘二取二系统的核心设备就是故障――安全计算机，目前这项设备都是从国外引进，因此我们要积极探索并力争开发出达到国际先进水平的故障――安全计算机。同时，我们还要为系统建立一个高水平的实时操作系统（RTOS）平台；RTOS 是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台，也是安全计算机系统的软件核心；它能提高系统的安全性，满足系统实时性的要求，缩短新产品的开发周期以及充分发挥实时操作系统可移植性、可维护性强等优势。我们相信，与国际上的技术交流与合作，将会大大加快我国高可靠性与高安全性计算机联锁系统的研制进程。二、向全电子化方向发展 就目前广泛使用的计算机联锁系统来说，其执行部分，也就是信号机和道岔的控制器件仍然是由继电器来完成的且保留了轨道电路。而电子单元具有体积小、功能强大等特点，便于组网、远程管理和远程诊断，还可以为铁路自动化、信息化提供基础信息。因此，取消继电器，实现全电子化控制，是我国计算机联锁系统发展的一个方向。在国外，只有西门子、ABB京山、瑞典等少数国家有全电子计算机联锁技术。国产车站全电子计算机联锁系统研制始于1996年，1999年纳入铁道部《铁路科技发展计划项目》，“计算机联锁智能型全电子信号道岔控制一体化的研究”，由兰州交通大学主持，铁道科学研究院、郑州铁路局参与该项目的研究，并于2000年1月通过铁道部技术审查。全电子计算机联锁系统2002 年通过甘肃省技术成果鉴定；2003年列入科技部国家科技成果重点推广项目计划。该系统从2001年开始，就先后在信阳电厂、襄樊北机务段整备场投产使用。2003年11月，区域全电子计算机联锁系统在洛阳石化工业站及装卸站开通投产使用。可以认为，随着技术的进一步完善和产品质量的不断提高，全电子计算机联锁系统会得到更广泛的应用。三、向站区一体化、区域化的方向发展 站区一体化、区域化信号安全技术代表了当今世界铁路信号安全控制技术的发展方向，并已在法、日、德、意等铁路发达国家得到实际应用。它是我国既有线提速、客运专线、高速铁路、地铁、城市轻轨交通建设所急需的信号安全控制技术。随着我国计算机联锁技术、列控技术的进步以及网络通信技术、数字信号处理技术的飞跃发展，大大推动了计算机联锁系统向着一体化、区域化的发展进程。计算机联锁系统可以通过各种制式的通信网络实现多层次控制，使控制范围扩大，即可由一个枢纽站控制周边的若干站及区间的道岔控制点，既优化了控制，又减少了投资和运营成本。如由铁道部科学研究院研制的《ZQY-Ⅰ型站区一体化信号安全控制系统》就可实现对多个站区的控制，即完成站区一体化、区域控制的功能。四、向信息化、智能化和综合自动化的方向发展 计算机联锁系统还应努力适应铁路信号系统向信息化、智能化和综合化发展的要求。宏观地看，信息化是当代和今后较长时期内社会发展的基本潮流。信息化的突出标志是智能工具系统的不断涌现和应用。这些智能工具系统包括计算机系统、通信系统以及控制系统。它们的应用不仅能取代劳动者的体力劳动，而且具有扩展和延伸人类信息器官的功能。 就铁路行车过程来说，在其中导入了四个智能系统，即列车自动控制系统、计算机联锁系统、调度管理信息系统（TDCS）以及列车运行指挥系统（CTC）。这些智能系统正处在应用与逐步应用之中。作为其中之一的计算机联锁系统位于列车运行指挥系统与列车自动控制系统之间，是联系两个系统的中间环节。由此可见，计算机联锁系统本身将不再是一个孤立的车站信号联锁设备，而是综合行车指挥控制系统的一个重要组成部分，是具有多种功能和安全保证的行车指挥系统的一个基础设备。 此外，这些智能系统有向综合化方向发展的趋势，以构成一个集列车指挥与控制的综合型智能系统。这种综合型智能系统目前已在秦沈客运专线上得到运用。在这条专线上使用的《SEI列控――联锁一体化系统》是以车站计算机联锁系统为核心的一套一体化信号系统 ，它共设计了三个子系统，分别为列控联锁一体化系统、列车运行指挥系统（CTC）和信号集中监测系统。该信号系统是以列控联锁一体化系统为基础，以专用通道构成的计算机局域网为骨架，以调度集中行车指挥系统为龙头的信息和资源广泛共享的综合控制系统。 综合型控制系统的发展与完善，会为进一步保证行车安全和提高行车效率创造条件，同时也使铁路行车过程的列车控制与管理进入了一个以信息化为基础、以智能系统为标志的技术新时代[6]。第二章 计算机联锁系统的硬件结构第一节 系统的硬件结构对于计算机联锁系统，既要求具有比较好的可靠性，又要求具有比较好的安全性。这是因为该系统不仅需要昼夜不停的连续运转，而且一旦出现故障，就有可能导致人身伤亡或者造成财产的重大损失。所以，计算机联锁系统需要利用近年来逐渐发展而得到目前已经比较成熟的冗余技术，使其自身构成容错控制系统。 利用冗余技术构成的容错控制功能的计算机联锁系统，无论在其硬件结构方面还是在其软件结构方面均存在着一些显著的特点。一、系统的可靠性冗余结构计算机联锁系统的可靠性定义是：该系统在规定的时间内、在规定的条件下完成规定功能的能力。度量可靠性的定量标准是可靠度，计算机连锁系统的可靠度往往用其自身的平均故障间隔时间MTBF来表征。 对于一般的电子产品，其OEM板级产品的MTBF约为105h，而计算机系统由若干块的EOM板级产品组成，其MTBF约为104h。而对于计算机连锁系统，根据有关的技术标准，要求其MTBF值达到106h，亦即要求至少在系统进行技术改造前（一般可以按15年计算）不出现故障。显然，只依靠单个计算机组成的单机系统是不能够达到该目标值的，必须导入冗余资源以构成双机乃至多机的冗余系统，使得整个系统的可靠性达到或者超过该目标值。 计算机联锁的可靠性冗余结构，就是指为了使系统的可靠性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。系统的可靠性冗余结构，往往采用双机互为备用的或门二重系统，其原理结构图如图2.1所示。图2.1 可靠性冗余结构图双机热备系统的MTBF值可概略地估算如下：若单机系统的MTBF值约为104h,在当单机系统的每一个故障均能够被检测到并且倒机逻辑电路的故障率为零时，双机系统的MTBF值可能达到107-108h。在系统的MTBF值要求在106h以上时，采用图2.1所示的冗余结构是能够达到的。二、系统的安全性冗余结构计算机联锁系统的安全性定义是：当系统的任何部分发生故障时，其后果不会导致人身伤亡或者财产的重大损失的性能。度量系统安全性的技术指标是系统产生不安全性输出的平均间隔时间。对于计算机联锁系统，根据有关的技术标准，要求产生不安全性输出的平均间隔时间为1011h以上。显然，对于平均故障间隔时间为106h的可靠性冗余系统而言，如果不进而采取必要的安全性技术措施，是不能够达到安全性要求的。使系统具有安全性并且使安全性指标达到规定水准的途径也是要为系统导入冗余资源。计算机联锁系统的安全性冗余结构就是指为了使系统安全性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。系统的安全性冗余结构，往往采用双机同时工作并彼此间进行频繁比较的与或门二重构造，其基本结构如图2.2所示。图2.2 安全性冗余结构双机比较的安全性冗余结构的原理是这样的：在极短的时间间隔内，两台计算机同时出错并且错误呈现同一种模式的概率几乎为零。从这个原理出发，要求两台计算机的校核频率要相当高，亦即校核的时间间隔要足够短，最好短到可以用计算机的机械周期来计算的程度。三、系统的可靠性与安全性冗余结构计算机联锁系统，即要求比较高的可靠性指标，又要求有比较高的安全性指标。因此，计算机联锁的可靠性与安全性结构将是图2.1和图2.2的结合，形成图2.3所示的冗余结构。 图2.3 可靠性与安全性的冗余结构从图2.3可知，为了使系统既具有可靠性又具有安全性，采用了多重冗余结构，共利用了四台计算机，其中两台处于热备状态。这里的启示使我们构思到三取二系统，即三台计算机同时工作，两两进行比较，但有两个结果相同（当然包括三个结果相同）时，则认为正确无误。 图2.4 三取二冗余结构图三取二冗余结构示意图如图2.4所示，它实际上是由图2.3所示结构变化而来的。采用三取二冗余结构需要妥善解决一些技术问题，这些技术问题主要是：（一）三台计算机的同步运行问题由于三台计算机要进行频繁的比较，所以它们要严格同步。同步的方法之一是用同一个时钟脉冲源作为它们共同的推动时钟脉冲。但是这种单一时钟源一旦发生故障时，将使整个系统瘫痪。因此，在实际系统中多采用三个时钟源强制同步技术。（二）高指标表决器问题表决器本身要具有很高的可靠性与安全性，它应当比三取二系统本身具有更高数量级的可靠性与安全性。（三）故障机的及时切离与及时修复问题当经比较发现出现结果不一致时，要及时地确认究竟是那台计算机出现了故障并及时地将其从系统中切离。如果不及时地将系统切离，那么当两台未故障的计算机中的一台恰恰发生了故障并且故障模式与先已故障的计算机故障模式相同时，则可能将错误的结果表决为正确，而正确的结果却被认为是错误。同时，故障机一经发现就要在规定的时间间隔内予以修复，当又有一台计算机故障时，系统将停止运行，使整个系统呈现瘫痪状态。四、系统的层次结构对于计算机联锁系统的功能要求与性能要求均比较高，所以只采用单层结构可能难以全面完成各项技术要求。只是需要采用上下两层乃至多层的分层结构。对于计算机联锁系统，要求具有友好而准确的人机界面，同时要求联锁测控效果的高可靠性与高安全性。为此，整个系统可以分为上下两层，即上层为人机会话层，下层为联锁测控层，其具体结构如图2.5所示。 图2.5 计算机联锁系统的层次结构图 图2.5所示的系统中，人机会话层计算机可以加快人机会话的响应速度，还可以对操作台的操作命令进行预处理；而且人机会话计算机环可以与上系统联网，构成更高一级的测控系统（调度集中系统CTC）或者信息管理系统（调度信息管理系统DMIS）。而联锁测控计算机可以集中其全部能力来实现高可靠性的预告安全性的连锁测控功能。五、系统的分布式结构当计算机联锁系统所需测控的对象数量过多，或者测控对象所分布的地理范围比较大时，可以选用分布式测控系统DCS(Distributed Control System)的结构。分布式测控系统也称作集散型测控系统，其特点简而言之就是分散控制、集中信息管理。其结构形式如图2.6所示。 图2.6 计算机联锁系统的分布式结构第二节 系统的硬件构成一、系统的技术要求根据有关技术标准的规定， 计算机联锁系统的主要技术要求为：（一）系统的功能1、人机会话功能（能够接受操作并表示系统状态）；2、联锁控制功能；3、对系统主要组成设备的工作状态进行监测的功能；4、能够于上一级通信网络实现联网的功能。（二）系统的性能1、系统的可信性数据 系统的可靠度：系统的平均故障间隔时间MTBF大于或等于106h。系统的安全度：系统的平均非安全性输出间隔时间大于或等于1011h。系统的运行周期：不大于250ms。2、系统的环境适应性数据二、一般计算机联锁系统的硬件构成现已采用双机热备的最典型的系统结构为例来介绍计算机联锁系统的硬件构成。（一）系统的层次结构从功能方面来划分，系统采用两层结构，即人机会话层和联锁层。人机会话层选用工控机IPC，而联锁层选用工业控制总线的测控系统用计算机。（二）系统的可靠性与安全性结构为了使系统达到所要求的可靠度，联锁计算机的硬件结构采用双机热备的二重冗余系统，其中一台计算机为主用机，另一台为备用机。当主用机发生故障时，备用机变成主机，而故障机的维修时间不大于8h。为了使系统达到所要求的安全度，采用运行双版本联锁程序在功能规模模块级进行比较的方式。图2.7是计算机联锁系统硬件结构图，其中，人机对话微机和联锁机，以及联锁机和联锁机之间的通信方式很多，最早采用RS-232等标准串行通信，随着网络技术和电子技术的发展，采用成熟的以太网。后又出现了一些面向控制系统的基于现场总线的网络，如LONWORK、CAN等，为计算机控制系统的联系方式提供了新的选择[4]。图2.7 计算机联锁系统硬件结构图
回答者:钱振泉
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