计算机联锁简介1-十一五继续教育段武.ppt

计算机联锁系统简介,段武 韩安平 中国铁道科学研究院,第2页 共 52 页,计算机联锁系统简介,车站联锁简介 TYJL-II型、TR9型和ADX型联锁系统简介,第3页 共 52 页,车站联锁简介,一、车站联锁的基本概念和发展简介 二、国内计算机联锁的发展 三、计算机联锁系统的功能结构 四、计算机联锁系统的硬件结构 五、计算机联锁与继电联锁的主要区别 六、常见冗余结构的可靠性、安全性 七、计算机联锁系统的软件结构简介,一、车站联锁的基本概念和发展过程,基本概念 分类简介 发展过程简介,车站联锁的基本概念和发展过程,铁路车站基本是以建立进路的方式实现对列车和车列运行的控制。 进路是由相关道岔和轨道区段组成，有信号机指示和防护的特定经路。进路的建立必须检查信号、道岔、轨道区段的关系，并满足相应的条件，且一旦建立后又必须加以“锁闭”，以免因误操作或其他因素破坏进路而危及行车安全。 联锁就是通过技术方法确保信号、道岔、进路间的相互关系正确。联锁设备是铁路车站保证列车和车列正常和安全运行必不可少的核心基础设备。,车站联锁的基本概念和发展过程,分类/构成要素： 考题 操纵方式 传输方式联 锁闭方式锁,类型： 机械联锁 电机联锁 电气联锁 计算机联锁,操作(道岔)方式： 集中联锁 非集中联锁,车站联锁的基本概念和发展过程,机械集中联锁-以人力和机械传动方式集中操纵道岔和臂板信号机，道岔握柄与信号握柄间以机械锁床实现联锁。 非集中机械联锁-人力就地分散操纵道岔，以机械传动方式集中或分散操纵臂板信号机，以机械方式传动及以机械机件实现联锁。 非集中电气联锁-人力就地分散操纵道岔，以机械传动方式集中或分散操纵臂板信号机，或以电气传输方式集中操纵色灯信号机。道岔与信号机间以电气接点电路实现联锁。,车站联锁的基本概念和发展过程,4. 电机集中联锁-以人力和机械传动方式集中操纵道岔，以电气传输方式集中操纵色灯信号机，道岔的机械握柄与信号机的电气握柄间以锁床和电气接点电路实现联锁。 电气集中联锁-以电气传输方式集中操纵动力式道岔及色灯信号机，道岔与信号机的电气握柄间以锁床和电气接点电路或全部采用电气接点电路实现联锁。 计算机联锁-以电气或电子传输方式集中操纵动力式道岔及色灯信号机，以软件实现联锁关系。,车站联锁的基本概念和发展过程,1856年英格兰的Bricklayer Arms车站装设了世界上第一个由Saxby首创的车站联锁装置-萨氏联锁机机械集中式联锁 1927年电气（继电）集中联锁始用于美国Stanley-Berwick间的调度集中区段 1978年瑞典哥德堡车站-世界上第一个计算机联锁系统投入使用。,车站联锁的基本概念和发展过程,1910年前，我国最早的车站联锁-北宁路（即京奉铁路，今北京至沈阳间）装设的非集中机械联锁。 1910年南满铁路连长线周水子线路所装设约翰逊式机械集中联锁。 1925年长大线周水子车站安装美国USS公司生产的带有萨式锁簧床的电机集中联锁。,车站联锁的基本概念和发展过程,1939年，抚顺煤矿大官屯车站装设了我国第一个单独操纵手柄式的继电式电气集中联锁； 1942年济南中信号楼装设了我国第一个电空进路操纵的继电式电气集中联锁。 1984年南京梅山矿井试验，1986年太钢配料站开通，国内第一个计算机联锁系统。,二、国内计算机联锁的发展简介,技术发展的阶段划分 第一阶段的回顾、概述 第二阶段的回顾、概述 第三阶段简介与展望,国内计算机联锁的发展-回顾、概述与展望,第一阶段-自80年代初开始，自主研发与全套引进并举 全套引进-完全由外商作为系统承包商，全套引进国外的软硬件系统由我方配合外方实现应用程序的编制修改和系统的工程开通 第二阶段-自90年代末开始，引进核心硬件进行系统集成 购买国外的核心硬件和系统平台软件进行二次开发，移植自主开发的应用软件并配套辅助系统，完全由我方作为系统承包商，外方起供货商和技术支持的作用 第三阶段-约自2004年开始，以列控中心等技术为标志,第14页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-自主研发回顾,通号公司研究设计院的DS6-30计算机联锁系统_1984年南京梅山矿井试验，1986年太钢配料站开通，国内第一个计算机联锁系统。 铁科院通号所的TYJL-I计算机联锁系统_1989年郑州北编尾开通，国铁上第一个计算机联锁系统。 铁科院通号所的TYJL-II计算机联锁系统_1993年哈尔滨平房站开通，我国第一个双机热备计算机联锁系统。,国内计算机联锁的发展-自主研发回顾,1995年南昌向塘客站应急_铁科院TYJL-II型计算机联锁系统，国内第一个枢纽客站的计算机联锁系统。 1997年阜阳枢纽四个场应急工程 _铁科院TYJL-II型计算机联锁系统，国内第一个全部采用计算机联锁系统的铁路枢纽。 1999-2000年武广线_铁科院TYJL-II型计算机联锁系统，国内第一条采用计算机联锁系统的干线铁路。 2004年广州北站_ TYJL-III型计算机联锁系统，第一个国产二乘二取二计算机联锁系统。,第16页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-全套引进回顾,英国西屋公司的SSI计算机联锁系统-86年开始，原定郑州局小李庄。因系统只允许有五条长调车进路，若增加需扩展计算机容量，且所需甚巨。搁置数年后移至长调车进路不足五条的丁营站。 美国GRS公司的VPI计算机联锁系统-91年广州局红海站开通，我国铁路干线上的第一个计算机联锁系统 。 日本京三制作所的K5型二乘二取二计算机联锁系统-96年济南局周村站开通。,国内计算机联锁的发展-全套引进回顾,意大利安萨尔多公司的ACC三重冗余计算机联锁系统-96年京九线南北两段共开通13个站。 德国西门子公司的SIMENS-W型三重冗余计算机联锁系统-98年京九阜阳枢纽开通四个场。 瑞典ABB公司的EBILOCK850型计算机联锁系统-96年开始引进，北京局百子湾，至今未能开通。,国内计算机联锁的发展-第一阶段概述,自主研发了DS6-30、TYJL-I、TYJL-II、DS6-11、JD1A、TYJL-2000、CIS-1、TYJL-III等计算机联锁系统产品 管理上经历了无序发展-治理整顿-积极稳妥的发展阶段，进入积极的良性发展阶段： 双机热备计算机联锁系统TYJL-II、DJS6-11、JD-1A和CIS-1规模上道；计算机联锁研发单位逐步成熟，稳定发展； 行政管理制度特许/行政许可、铁道部和路局的管理制度等逐步完善； 标准的制定与完善、检验检测机制和机构的建立与健全；,国内计算机联锁的发展-第一阶段概述,特许制度4+4+1 认定研发单位-铁科院、通号公司设计院、卡斯柯和北方交大 认定生产工厂-上海通信工厂、沈阳信号工厂、北京信号工厂和成都信号工厂 建立检验站-铁路车站计算机联锁检验站上海铁道学院 产品特许证管理 制式测试-标准站联锁软件测试 电磁兼容及防雷测试 铁道部鉴定/审查,国内计算机联锁的发展-第一阶段概述,特许证颁发 2002年四月全路电务工作会议 国产双机热备制式：北方交大JD-1A、铁科院TYJL-II、通号公司DS6-11首批获证 卡斯柯VPI/CIS-1获证 软件测试制度 出厂测试 年度抽检测试 完善标准站测试,国内计算机联锁的发展-第一阶段概述,全套引进了国外SSI、VPI、K5、ACC、 SIMENS-W、 EBILOCK850共六个型号的计算机联锁系统： ABB公司未能开通，西屋公司勉强开通后下道； 安萨尔多公司撤出国内市场，已开通的京九13个站已被替换为国产联锁系统； 红海站改造， GRS公司的VPI联锁下道；阜阳枢纽改造，西门子SIMENS-W联锁被替换为TYJL-II型联锁；周村站改造京三K5被替换为DJS6-K5B型联锁,国内计算机联锁的发展-第一阶段概述,全套引进未能取得进一步的发展，已开通系统几乎已全部下道。 我国铁路联锁逻辑复杂 -站场复杂、运用情况复杂； -考虑防护人为错误因素多； -联锁技术条件文字简练，很多关键细节实际以电路为准 工程运作，特别是软件工程运作方式差异巨大 -需求描述缺失，表述不清、不完整；ABB -工期计划性差，时间紧；改造频繁，过渡工程多； 国外公司改造费用昂贵，时间周期长,第23页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-引进集成回顾,铁科院通号所的TYJL-TR9核心硬件采用TRICON三重冗余容错控制器，1996年在哈尔滨铁路局密山车站首次开通使用。 通号公司研究设计院的DS6-20采用美国GE公司的三重冗余GENIUS系统构成 ，曾开通了6个站场。 通号公司研究设计院的DS6-K5B采用日本京三K5的核心硬件，2001年在兰州局陇西站开通了第一个车站。,第24页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-引进集成回顾,北京交通大学的EI32-JD _采用日本信号二乘二取二冗余结构的EI-32系统的核心硬件，2003年6月在北京局张辛车站开通了第一个车站 。 铁科院通号所的TYJL-ECC _引进西门子最新的ECC三重冗余联锁系统的核心硬件 ，2003年8月在兰州交接站开通了第一个站场 。 铁科院通号所的TYJL-ADX_引进日立公司的ADX二乘二取二计算机联锁系统的核心硬件，2004年11月在哈尔滨局桦南站开通了第一个车站 。,国内计算机联锁的发展-第二阶段概述,引进核心硬件集成开发了TYJL-TR9、DS6-20、DS6-K5B、EI32-JD、TYJL-ECC、TYJL-ADX共六个型号的高端计算机联锁系统 参与了第一阶段全套引进的安萨尔多、西屋等公司选择退出；而西门子和日本京三等公司改变了合作方式，参与了第二阶段的引进合作。 TYJL-TR9、 DS6-K5B和EI32-JD在国铁干线规模采用； DS6-K5B、EI32-JD 和TYJL-ADX三种二乘二取二冗余结构的计算机联锁系统作为干线主推产品获得铁道部上道许可,国内计算机联锁的发展-第三阶段,起始标志： 2004年在北京召开的国际铁路联盟UIC大会，正式宣布确立CTCS体系 2007年4月大提速顺利实施标志既有线列控系统集成创新成功 客运专线列控中心的研发,国内计算机联锁发展方向-第三阶段,既有线列控系统的集成创新、列控中心的自主研发 CTCS-2级列控系统 -基于轨道电路加点式应答器传输列车运行许可信息并采用目标距离模式监控列车安全运行 -系统主要由车站列控中心、轨道电路、应答器、车载设备等构成,国内计算机联锁的发展第三阶段 - 既有线列控系统集成创新,应答器 -技术引进欧洲标准应答器 L E U -技术引进外国公司进行了“透明化”改造 车载设备-技术引进外国公司进行集成和适应性改进 轨道电路-ZPW-2000既有设备原型为UM71 列控中心-自主研发关键结合部采用了欧洲标准和国外企业标准 报文定义-ERTMS/ETCS的报文结构；CTCS-2报文定义和编制原则 欧标FFFS编码策略（Form Function Specification Coding Strategy） 与LEU的安全通信协议：Alstom的FSFB/2(Fail Safe Field Bus） CSEE的SACEM 二乘二取二硬件安全冗余结构的系统平台铁科、通号院、卡斯科、和利时均采用了自主研发的平台,国内计算机联锁的发展第三阶段 - 客专列控中心的研发,既有线列控中心-根据进路状态、线路参数、限速命令等产生进路及限速等相关控车信息，通过有源应答器传送给列车。 主要实现对有源应答器报文的存储与控制 客运专线列控中心-根据轨道电路、进路状态、线路参数、限速命令等信息产生行车许可，通过轨道电路及有源应答器将行车许可传送给列车。 有源应答器报文的存储与控制 轨道电路编码 区间信号机点灯控制 站间安全信息传输等,国内计算机联锁的发展第三阶段 -站区一体化,已进行的相关基础工作： 铁科院ZQY-I站区一体化系统武九线葛店、新店、何刘三站三区间，2005年全面开通 联锁区间一体化 轨道电路编码 区间信号机点灯控制 站间安全信息传输试验 通号公司武康线下辛店站2007年开通 站内区间同制式轨道电路 轨道电路编码,国内计算机联锁的发展第三阶段-展望,功能上 列控中心技术发展契机 站区一体化系统 技术上 借鉴引进系统，自主开发易于达到高安全性的、采用整体硬件安全冗余结构的高等级计算机联锁系统； 采用安全信息传输技术及分布智能化技术； 全电子化 管理上 进一步标准化和规范化、健全维护维修体制、完善测试检验制度； 逐步建立认证体系,第32页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,与可靠性、安全性相关的国际标准IEC 61508等和欧洲标准EN50159、50126、50128、50129等越来越多地被铁路标准所引用； 铁路信号安全电子系统技术要求及验收标准GB 10495的修订2003-2004年 原标准1989年制定，实质性正文只有铁路信号设备安全性的评定和信号设备中采用电子元器件的主要原则两节，不足3页； 修订版综合了UIC 738-R安全信息处理与传输、IEEE std-1483用于轨道运输控制的计算机系统生命攸关功能的验证标准、JIS-C-0508采用微型计算机的列车安全控制系统安全性技术指南、EN50126、EN50128、EN50129标准； 考虑通用性等因素，未采用。 铁道部科技开发项目-信号系统安全评估技术研究，已经立项进行中,第33页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,国外知名咨询认证公司积极进入中国 国家标准-电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全GB/T 20438.#-2006/IEC 61508-#已于2007年1月1日实施。 等同采用翻译，技术内容无差异只做编辑性修改国际标准IEC 61508 由中国机械工业联合会提出；全国工业过程测量和控制标准化技术委员会归口；机械工业仪器仪表综合技术经济研究所起草，历时三年完成。99年开始接触,第34页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,第35页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,危险失效率,危险失效率,危险失效率,危险失效率,危险失效率,危险失效率,危险失效率,危险失效率,第36页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,安全完整性 safety integrity -在规定的条件下和规定的时间内，安全相关系统成功实现所要求的安全功能的概率。 在确定过程中应包括导致非安全状态的所有失效随即硬件失效和系统失效的起因，例如硬件失效，软件导致的失效以及由电气干扰引起的失效。其中有些类型的失效，尤其是随机硬件失效，在危险失效模式中，可用失效率 这样的量来量化。对一个安全防护系统而言，可以用有要求时不能工作的概率来量化，但是系统的安全完整性也取决于许多因素，这些因素无法精确定量仅可定性考虑。 安全完整性由硬件安全完整性和系统安全完整性构成。,第37页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,第38页 共 52 页,国内计算机联锁的发展-安全标准和认证,管理入手，落实到技术 规则，流程，记录 体制性变化 组织机构，人员培训要求高，时间长 成本加大 人员成本，时间成本 相关情况介绍： 国际上设计团队和安全团队紧密配合，一般三年 国外总线标准，通过安全认证长的5年，短的3年 机械、石化行业，只有SIL 3 百子湾；ITCS,三、计算机联锁系统的功能结构,计算机联锁：以计算机技术为核心，采用通信技术、可靠性与容错技术以及故障-安全技术实现车站联锁要求的实时控制系统。考题 典型计算机 联 锁 全电子计算机联锁 站区一体化计算机联锁,计算机联锁系统的功能结构-典型联锁,典型计算机联锁系统的功能结构划分考题： 人机交互层 -操作、监控系统 -维护终端 主控层（核心层） -主逻辑单元 执行层（核心层） -采集系统； -驱动系统； 接口层 -继电配线电路-设备驱动逻辑、强弱电转换，隔离 现场设备层,计算机联锁系统的功能结构-全电子联锁,全电子联锁- 基本取消接口层，扩展采集驱动系统的功能，直接以电子电路实现对现场设备的驱动和状态采集。 系统模块化、简洁化并同时具有模拟量监测功能；可取消体积庞大的继电电路，利于工厂化施工，可将现场施工工作量减至最低； 需要针对每一种现场设备开发专用驱动模块；防雷难度大、成本高。,计算机联锁系统的功能结构-站区一体化,ZQY-I控制中心,CTC、DMIS接口,监控机,维修机,监控机,车站区域,区间闭塞分区,车站执行机,区间执行机,区间执行机,电码化执行机,站内电码化,光端机,区间闭塞分区,邻站B,邻站A,控制台,中心主机,四、计算机联锁系统的硬件结构,系统的使用特点和结构特点； 各层次的基本构成、使用特点和构成特点 故障模式特点； 冗余的目的与方式； 计算机联锁系统的硬件冗余结构；,计算机联锁系统的硬件结构,计算机联锁系统的使用特点： 实时控制 复杂的逻辑运算 大量的开关量控制 连续不间断运行-高可靠 安全相关-高安全 计算机联锁系统的结构特点： 分层次的分布结构 广泛采用可靠性冗余和安全性冗余结构,计算机联锁系统的硬件结构-各层次基本结构,人机交互层一般构成 操作、监控系统 维护终端 局域网 人机交互层使用特点 操作和显示的界面功能丰富 连续不间断运行 通常是非安全相关的 人机交互层构成特点 一般采用高可靠的通用工控产品,计算机联锁系统的硬件结构-各层次基本结构,主控层一般构成 主处理器、存储器； 现场总线接口、通信接口； 系统接口 主控层使用特点 复杂的逻辑运算； 系统核心平台的调度、管理； 通信调度及处理； 安全相关 主控层构成特点 一般使用性能较高的专用计算机； 专用的系统平台和操作系统,计算机联锁系统的硬件结构-各层次基本结构,执行层一般构成 采集电路、驱动电路； 现场总线接口及控制电路； 执行层使用特点 大量数字量对象的采集、驱动处理； 快速的故障检测和处理运算； 安全相关 执行层构成特点 专用的电路设计； 现场总线技术的运用； 越来越多地使用嵌入式智能处理技术。,计算机联锁系统的硬件结构-故障模式特点,主逻辑处理单元主处理器CPU、存储器等： 内部电路复杂，内部元器件数量极其巨大； 芯片内部状态极其复杂，无法完全测试/诊断； 器件故障模式复杂，不具有不对称性； 采集驱动系统 器件故障模式复杂，不具有不对称性； 冗余结构是计算机系统故障检测及处理的有效手段,计算机联锁系统的硬件结构-冗余的目的与方式,提高可靠性的两种途径： 基础器件-改进工艺、新材料，新工艺等； 采用冗余结构 提高安全性的两种途径： 基础器件-故障安全器件 日本早期研发过采用故障安全电子器件的电子联锁系统。但因成本高，功能差，发展阻碍极大，长期未能实用化； 我国自65年开始多个单位进行过多种电子集中联锁的研发与试用，但在83年以前相继拆除 采用冗余结构,计算机联锁系统的硬件结构-冗余的目的与方式,冗余目的 实现方法 提高可维修性 -增加故障检测、诊断和报警等 提高可靠性 -可靠性冗余考题 提高安全性 -安全性冗余 兼顾可靠性和安全性-混合冗余 - 双机热备、二取二、三取二、二乘二取二是几种常见冗余结构的俗称 多 余_无用，浪费且往往有害,计算机联锁系统的硬件结构-冗余的目的与方式,典型冗余结构的可靠性框图,计算机联锁系统的硬件结构-冗余的目的与方式,典型冗余结构的可靠性框图,计算机联锁系统的硬件结构-冗余的目的与方式,比较原理是安全冗余的基础 比较/表决的原理 以对比的一致性作为错误/故障的检测判据，其结果的正确性依赖于在一个比较周期内多重系不出现导致同样结果的错误/故障 比较有效性的前提： 多重系各系之间的独立性和相异性避免缺陷和共模干扰； 可接受的比较/检测周期至少要短于一个逻辑运算周期；,计算机联锁系统的硬件结构-冗余结构,联锁计算机适合于采用以整体硬件安全冗余为主的硬件体系结构 故障难于全面自检，实现全面的安全防护需要经验积累，成熟期长； 故障模式复杂、内部状态复杂反而利于比较； 硬件价格的降低。 必须同时采用多种其他专用技术，特别是对I/O系统而言 多重闭环检测； 动态技术； 软件冗余；,计算机联锁系统的硬件结构-冗余结构,不同层次往往采用不同的冗余结构 人机交互层 主控层 执行层 同一系统同时使用多种不同的冗余结构,双机热备系统冗余结构,冗余软件,诊断,外回读,校验,多重系系统冗余结构,主逻辑单元,输入,输出,五、计算机联锁与继电联锁的区别,技术实现手段 设计、施工、验收、使用、维护 安全性和可靠性保障技术,计算机联锁与继电联锁的区别,技术实现手段不同： 操纵的方式不同 -控制台 传输联的方式不同-微电子、通信、软件 锁闭锁的方式不同-软件,计算机联锁与继电联锁的区别,设计方面的不同 施工方面的不同 验收方面的不同 使用方面的不同 维护方面的不同,计算机联锁与继电联锁的区别,可靠性、安全性的保障方法： 继电联锁 器材质量 电路设计 故障安全继电器 计算机联锁 器件质量 电路设计、软件设计 冗余,六、常见冗余结构的可靠性和安全性,可靠性概念简介 安全性概念简介 可靠性与安全性的关系,第65页 共 52 页,常见冗余结构的可靠性安全性-可靠性概念,可靠性工程学-起源于战争的科学 可靠性-系统在规定的时间内、规定的条件下完成规定功能的能力。 可靠度-系统在规定的时间内、规定的条件下能够正常执行其功能的概率。 失效率-已工作到时刻t的系统，在时刻t后的单位时间内发生失效的概率。,第66页 共 52 页,电子设备失效率与使用时间关系图,早期故障,随机故障,后期故障,常见冗余结构的可靠性安全性-可靠性概念,第67页 共 52 页,常见冗余结构的可靠性安全性-可靠性概念,平均无故障时间MTBF-系统在规定的时间内、规定的条件下连续两次发生故障的平均间隔时间 计算机联锁的可靠度指标:平均故障间隔时间(MTBF)大于或等于106小时114.15525年 计算机联锁技术条件7.1.2,第68页 共 52 页,常见冗余结构的可靠性安全性-可靠性概念,可靠性指标-计算主要具有指导和对比分析的意义，大量的统计数据才具有实际意义并构成计算的基础 概率属性 工程计算的通常假设条件-可靠度服从指数分布当可靠度服从指数分布时其失效率是一个常数，若截取浴盆曲线的底部区域，可以做此种近似假设。 MTBF工程计算指标的直观理解,第69页 共 52 页,常见冗余结构的可靠性安全性-可靠性概念,可靠寿命：设产品的可靠度函数为R(t),使可靠度等于给定值r的时间tr称为可靠寿命，其中r称为可靠水平，满足R(tr)=r。 平均寿命实际上是一种可靠度极低的可靠寿命 大部分产品的寿命低于其平均值。在指数分布的情况下，只有36.8%的产品的寿命超过平均值。 计算机联锁系统使用可靠寿命更合理 对于可靠度有一定要求的产品，工作到了规定的可靠寿命就应更换，否则就不能保证其可靠度。对指数分布而言，若要达到90%的可靠度，其可靠寿命为平均寿命的1/10。,第70页 共 52 页,常见冗余结构的可靠性安全性-安全性概念,安全度-系统在规定的时间内、规定的条件下，不会产生可能危及人身安全及重大装备损失的后果的概