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铁路信号计算机联锁系统自动测试系统的构造研究 摘要 随着科学技术的飞速发展，计算机联锁系统已经取代了电气集中联锁系统， 成为将来车站联锁系统的主要发展方向。计算机联锁软件是保障铁路车站列车 或机车作业安全的关键软件，而高效、充分的测试对于保证其安全性具有举足 轻重的作用。在现今的软件测试中大多数还是以手工测试为主，这样做存在测 试不充分与测试效率低下等弊病。因此，研究一种计算机联锁软件自动测试系 统将是一项极有意义的工作，可以促使联锁试验面向规范化、程序化、简单化， 从而提高工作效率、缩短试验时间，并能消除因联锁试验失误带来的事故隐患。 论文首先介绍了课题的目的、意义及研究内容；深入地研究了h j 0 4 a 计算 机联锁系统的框架结构、软硬件体系和功能特性等，并分析了联锁系统软件的 输入输出模型，确定了使用基于灰盒测试的自动测试方法，并在此基础上提出了 一种基于图形分析的测试结果的自动分析与判定方法和一种基于o p c 的联锁系 统状态模拟方法，从而使得测试系统可以在不对被测系统进行直接接口的情况 下进行测试工作，保障了测试结果的客观性，也使得测试工作更加简单。 其次，在分析联锁软件安全性需求的基础上建立了联锁软件安全性需求的 p e t r i 网模型，给出了一种求解割集的算法实现，并构造了安全性测试用例的 自动生成方法； 最后，详细地描述了铁路信号计算机联锁系统自动测试系统的基本逻辑结 构及其功能模块设计，并对全文的研究工作进行了总结和展望。 关键词：计算机联锁；联锁规则；软件测试；自动测试 c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho na u t o m a t i ct e s ts y s t e mo f c o m p u t e r - - b a s e di n t e r l o c k i n gi nr a i l w a ys i g n a l s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，c o m p u t e r - b a s e d i n t e r l o c k i n gs y s t e mh a sr e p l a c e dt h ee l e c t r i ci n t e r l o c k i n gs y s t e m ，a n db e c o m i n gt h e m a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fs t a t i o ni n t e r l o c k i n gs y s t e m c o m p u t e r b a s e d i n t e r l o c k i n gs o f t w a r ei s t h ek e yt oe n s u r i n gt h es a f e t yo fr a i l w a ys t a t i o na n d l o c o m o t i v eo p e r a t i o n ，a n dh i g h e f f i c i e n ta n ds u f f i c i e n tt e s t i n ga r ei n d i s p e n s a b l et o i t ss e c u r i t y o nt h es t a g e ，t h et e s t i n go fi n t e r l o c k i n gs o f t w a r em a i n l yr e l i e so n m a n u a lt e s t i n gt oc o m p l e t e ，w h i c hh a st h ed i s a d v a n t a g e so fi n s u f f i c i e n c ya n d l o w e f f i c i e n c y s ot h er e s e a r c h i n go ft h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mf o ri n t e r l o c k i n g s o f t w a r ei ss i g n i f i c a n t i tc a nn o to n l yp r o m o t ei n t e r l o c kt e s t i n gt os t a n d a r d i z a t i o n ， p r o c e d u r e s ，s i m p l i f i c a t i o n ，b u te n h a n c et h ee f f i c i e n c ya n dr e d u c et h et e s t i n gt i m e ， m o r e o v e r ，i tc a na l s oe l i m i n a t et h eh i d d e nd a n g e r so ft h et e s t i n ge r r o r s t ob e g i nw i t h ，i ti l l u s t r a t e st h es o u r c e ，p u r p o s ea n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h e d i s s e r t a t i o n ，i tp u t si t se m p h a s i so nt h er e s e a r c ho ft h eh j 0 4 ac o m p u t e ri n t e r l o c k i n g s y s t e m sf r a m ea n ds t r u c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n ，i ta l s oa n a l y s e st h ei n p u ta n do u t p u tm o d e l so fc o m p u t e r i n t e r l o c k i n gs o f t w a r e ，a n do nt h eb a s i so fd e t e r m i n i n gg r a y b o xa u t o m a t i ct e s t i n g m e t h o d s ，a n do nt h i sb a s i sw a sp r o p o s e dg r a p h i c s - b a s e da n a l y s i so ft e s tr e s u l t s ，a n d f o r m e dt h ea u t o m a t i ca n a l y s i sa n dd e t e r m i n a t i o nm e t h o d s ，f o l l o w e db yt h e o p c - b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e ms t a t es i m u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hm a k e st h et e s t s y s t e mc a bn o r m a l l yt e s t i n gi nt h ec a s eo fn o td i r e c t l yt e s t e dt h es y s t e m si n t e r f a c e ， g u a r a n t e et h eo b je c t i v i t yo ft e s tr e s u l t s ，a n dm a k e st h et e s t i n gp r o c e s se a s i e r w h a t sm o r e ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es e c u r i t yr e q u i r e m e n to f i n t e r l o c k i n gs o f t w a r e ，e s t a b l i s h e dp e t r in e tm o d e l so fs e c u r i t yr e q u i r e m e n to f i n t e r l o c k i n gs o f t w a r e ，a n dg i v e na ni m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h mf o rs o l v i n gc u ts e t ， a n df u r t h e rc o n s t r u c t e daa u t o b u i l dm e t h o do fs e c u r i t yt e s t i n gu s ec a s e s f i n a l l y ，i td e t a i l e dd e s c r i b e dt h eb a s i cl o g i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o nm o d u l e d e s i g no ft h ea u t o m a t i ct e s to ft h ec o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m ，a n dm a k e s as u m m a r ya n do u t l o o kt ot h ef u l lt e x t k e y w o r d s ：c o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n g ；i n t e r l o c k i n gp r i n c i p l e s ：s o f t w a r et e s t ； a u t o m a t ict e s t 插图清单 图2 - 16 5 0 2 电气集中联锁系统6 图2 - 2 铁路联锁系统体系结构8 图2 - 3 计算机联锁软件中事件流程图1 0 图3 - 1 计算机联锁软件的输入输出模型1 2 图3 - 2 黑盒测试1 4 图3 - 3 基于对比环境的自动判定系统1 6 图3 - 4 基于图形分析的自动判定系统1 7 图3 - 5o p c 技术应用前后比较1 8 图3 - 6 客户机和服务器1 9 图3 - 7o p c 服务器组的对象2 0 图3 - 8 通讯模型2 1 图4 - 1 联锁软件安全性需求的p e t r i 网模型2 5 图4 - 2 测试案例生成程序的流程图2 7 图5 - 1 计算机联锁系统自动测试系统的基本逻辑结构2 9 图5 - 2 自动测试软件的模块结构3 0 图5 - 3 轨道测试数据d b 2 3 7 图5 - 4 功能f c 2 1 的部分实现3 8 图5 - 5 功能f c 2 2 的部分实现3 9 图56 计算机联锁系统中联锁软件4 3 图5 - 7 自动测试系统界面4 4 表格清单 表2 - 1h j 0 4 a 系统的联锁功能9 表4 - i 中间位置的编号及名称2 4 表4 - 2 底位置的编号及名称2 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：奄声了毛签字日期：卅。年妒月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金壁王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金蟹工些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：夕蓼乍：j 劲 签字日期：冲年牛月2 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：、 电话： 邮编： 磊m 坨妙 年 一下晰 名 期 签 日 师 字 导 签 致谢 本论文及其相关的研究课题是在我的导师程磊副研究员的悉心指导下完成 的。 值此论文完成之际，首先谨向程老师致以最诚挚的敬意。回望在研究生三 年的学习生涯中，导师在生活方面给了我无微不至的关怀；在学业方面，导师 的谆谆教导和鼓励使我的知识水平和动手能力都有了长足的提高。今生能够成 为您的一名学生我感到十分的荣幸和骄傲。 其次，深深地感谢合肥工大高科信息技术有限责任公司，是公司给予了我 学习、锻炼的机会以及论文研究的环境，在此衷心地祝愿公司的发展更加辉煌； 以及感谢公司的鲍红杰、李谦、黄架电、周东华、夏洪斌、朱绍敏等几位同志， 他们在我的学习和课题研究上给予了莫大的帮助，衷心地祝愿他们工作顺利! 感谢研究生室的任建华同学、蔡政策同学、凌勇同学、方天平同学、吴迈 同学、孙旭东同学、潘承毅同学、罗静同学以及胡惠灵同学在学习中的帮助与 合作。 感谢我的父母、家人和朋友! 是您们给了我无穷的力量、信心和勇气，成 为我不断前进的力量源泉和精神支柱! 同时，衷心地感谢合肥工业大学计算机与信息学院的全体老师，正是因为 他们辛勤地教导，使我顺利地完成了学业，增长了见识和才干。 最后，真诚地感谢有关专家和学者对本文的评阅和指导。 作者：李卢强 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 铁路运输生产中的关键系统是具有安全性、可靠性要求极高的计算机联锁 系统。目前计算机联锁系统测试大部分以手工测试为主，带来测试效率低下与 不充分等弊病，不能达到系统的安全性和可靠性要求。若能够采用自动测试代 替人工测试，则可以使联锁测试达到完备化、规范化、自动化，进一步缩短试 验时间、提高工作效率，而且能够避免因联锁试验失误带来的事故隐患。 h j 0 4 a 系统是一套合肥工业大学自主研发的铁路信号计算机联锁系统，已 经被广泛地应用在全国各地，然而计算机联锁系统的测试利用的还是以人工方 法，在一定程度上很难适应系统大规模推广的要求，为此急需开发一套自动测 试系统实现对其进行功能与性能的测试。 利用手工方式进行测试，往往都是由一些富有经验的调试工程师及软件开 发人员手工设计测试案例的，由于受到人为经验的影响，就会很难确定测试案 例在被测软件中出现的概率，无法确定测试案例对被测软件的覆盖度，最终使 得评估结论缺乏说服力，因为在实际运用中计算机联锁软件的输入输出集都非 常庞大，所以要想用手工的测试方法进行全面的测试几乎是无法实现的。本论 文所提出自动化测试的根本目的就是有计划地设计测试过程，在各种环境和状 态下排除影响测试的人为因素，能够自动地对软件产品执行测试，进一步降低 花费在测试上的费用。自动测试方法能够使测试过程变得更加系统化、有计划 的过程，能够被更迅速、更正确、更经济地完成，进一步保障被测系统的安全 性，真正满足系统功能和性能的设计要求。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着计算机的问世以及容错技术的快速发展，一 些发达国家相继从事了计算机联锁系统的研究。期望利用通用的集成电子技术 取代专用的继电器电路乜3 是他们进行研究的直接原因。这样既可以降低了设备 的造价，又可以节省了系统的维修费用。 在国内，1 9 7 8 年北京交通大学教授何文卿率先提出了国内发展计算机联锁 系统的设想。文献 3 对计算机联锁系统进行了第一次系统论述。在1 9 8 4 年中国 铁路通信信号集团公司研制成功并在矿山铁路投入使用了第一套计算机联锁系 统，而在铁路正线方面于1 9 8 9 年计算机联锁系统也被装于郑北编组站峰尾并投 入使用。在1 9 9 6 年合肥工业大学开始从事研制企业自备铁路信号计算机联锁系 统并于1 9 9 7 年成功开发h j 0 4 a 计算机联锁系统，此后又进一步开展了它的推广 应用工作。 在国外，瑞典在1 9 7 8 年首先使用了计算机联锁系统，此后，美、英、德、日 等国也相继开发并使用了计算机联锁系统。 历经多年的研究与改进，计算机联锁系统也不断地在我国铁路正线上得到 了应用。随着科研经验的不断增加，在“九五期间铁道部提出了积极稳妥地 发展计算机联锁设备的政策，并在“九五”的后期针对计算机联锁系统发展过 程中存在的一些问题进行了整顿改造，制定了一些有关措施。在文献 4 中提出 了“积极采用计算机联锁设备 。至此，国内计算机联锁系统的开发、上道使用 进入了健康有序的发展阶段。 提高运输效率和保证行车安全是铁路信号的基本任务，因此有必要采取一 切有利的措施来保证铁路信号设备的可靠性、安全性。计算机联锁系统是一个 实时安全控制系统，其可靠性与安全度等级要求非常高。它主要由硬件和软件 两部分组成，其系统故障可分为硬件故障和软件故障啼3 ，硬件故障一般表现在 工作电源、p l c 与结合电路模块、联锁主机等设备上；软件故障表现在通信异 常、程序跑飞、技术条件错误等方面。 软、硬件功能的总和决定了计算机联锁系统的可靠性与安全性的好坏。系 统的可靠性包括硬件可靠性和软件可靠性，然而只有硬件的可靠性受到青睐， 软件的可靠性却被大家所忽视。随着科学技术的快速发展，硬件质量已经得到 了切实的保障，而且目前可以说系统的软件可靠性和安全性决定了计算机安全 控制系统的可靠性和安全性。所以我们通过软件测试来确保软件质量- 是至关 重要的 软件中的任何缺陷应该能够被软件测试有效地发现，同时也应该是高效的 软件测试。从实施的具体方法分，软件测试可分为人工测试法和自动测试法臼】。 我们所说的人工测试方法通常有两种： ( 1 ) 抽查法测试者随机地选择某些操作序列来进行测试其是否满足功能 要求。这种方法不仅具有随机性，测试不充分等缺点，而且测试结果也因人而 异。 ( 2 ) 序列法测试者通过预先制定的操作序列进行有计划地手动测试。虽然 能够按照一定的步骤进行有目的的测试，但是在需要进行大量重复测试的场合， 毕竟人的精力是有限的，而且可以说必定会出现或多或少的错误，不但很难确 保测试结果正确性而且测试效率也极其低下。 随着科学技术的迅速发展，快速而高效的计算机联锁系统在铁路运输方面 得到了广泛地应用，计算机联锁软件质量的好坏将直接影响着铁路运输的安全 性。而仅靠测试工作者的经验实践、细心、业务水平及对电路的理解程度进行 测试将无法满足其要求。可以说人工测试方法与计算机联锁技术发展水平是极 其不适应的。 自动测试系统简称a t s ( a u 幻m a a ct e s t i n gs y s 阳m ) 阳，该研究始于5 0 年代的 美国，主要用于军事工业n 们，不仅是测量科学与计算机科学相互作用的结果也 是电子测量h 、现代科技与现代大生产相结合的产物。自动测试系统是采用计 算机控制技术，通过自动化测试工具或其他手段，按照测试工程师的预定计划 自动完成测量、激励、处理数据并输出测试结果的一类系统的统称。测试程序 是被预先设计好的并在计算机的统一指挥下自动完成n 别。 至今，自动测试技术的发展经历了三个阶段： ( 1 ) 第一阶段：根据测量任务专门设计的，主要是菜用计算机技术来进行 逻辑定时控制，该系统的主要功能是进行数据自动采集和自动分析，完成大量 重复数据的测试工作，承担繁重的数据运算和分析任务。系统中的仪器采用专 用接口，因此系统较为复杂，通用性差，不利于自动测试系统的推广应用。 ( 2 ) 第二阶段：尽可能利用现成的仪器设备，再利用计算机来共同组建成 所需要的自动测试系统。为了系统组建方便，该系统中的仪器采用了标准化的 通用接口，这样就可以把任何一个厂家生产的任何型号的可程控仪器连接起来 形成一个自动测试系统。 ( 3 ) 第三阶段则由计算机、通用硬件、应用软件组成，把计算机和人工测 试更紧密地结合起来。其中计算机的系统软件、自动测试软件及其它工具软件 的相互配合，构成了自动测试的软件平台；通用测试硬件及计算机测试工作站 构成了自动测试的硬件平台。在测量原理、仪器设计、铁路联锁等方面产生了 重大影响。 第三阶段的自动测试系统与第一、二阶段的相比较的优点是： ( 1 ) 硬件的成本低。 ( 2 ) 设各的体积小，重量轻。 ( 3 ) 性价比增高。 由于第三阶段的自动测试系统还处在发展的初期阶段，必然存在一些缺点： ( 1 ) 开发费用较高。 ( 2 ) 大多数测试仍然不能完全实现自动化。 ( 3 ) 在激励的产生和测量的求值方面，硬件显示出简单化和单一化。 ( 4 ) 测试效率低下。 随着科学技术的突飞猛进，硬件的质量极其可靠性得到了彻底地改善以及 软件设计的思路的得到了前所未有的拓展等，第三阶段自动测试系统的性能将 会得到进一步完善。 目前，铁道科学研究院研制的“t y j l 一1 1 微机联锁p l c 模拟测试系统 和 同济大学软件测试评估研究室的“计算机联锁软件测试装置 是具有代表性的 铁路信号计算机联锁系统自动测试产品。“t y j l 一刀微机联锁p l c 模拟测试系 统”由通用的可编程控制器和模拟机组成，充分利用联锁系统已有的软硬件资 源，实现包括采集板、驱动板在内的整个联锁系统的测试，但该系统的软件主 要固化在p l c 内部的梯形图程序和模拟机的人机交互程序内，不具备一定的独 立性。“计算机联锁软件测试装置”虽然能够适用于各种计算机联锁系统及不同 类型的铁路车站测试工作，但它主要是在人工的参与下才能完成绝大部分的测 试任务，而且对于一个中等规模的车站进行测试大概需要2 0 天时间( 不包括回 归测试) 。 该论文所构造和研究的自动测试系统可看做是第三阶段的自动测试系统， 是针对合肥工业大学自主研发的h j 0 4 a 计算机联锁系统而设计的，它一方面可 以大大提高系统的开发实施的效率，减轻开发实施人员的工作强度；另一方面也使得 对系统的测试更加完备并能排除影响测试的人为因素，进一步保障系统的可靠性，杜 绝故障隐患，实现对被测系统的功能、性能以及安全性的正确评估，保证项目开发实 施的质量。也可将此自动测试系统与备用联锁机及备用上位机连接成一个完整 的测试系统完成售前模拟测试和售后现场测试等。 1 3 研究内容 “铁路信号计算机联锁系统自动测试系统的构造研究来自于国家8 6 3 计划项目 c r l 2 0 0 2 企业铁路智能运输调度综合信息平台，是对其中的子课题h j 0 4 a 铁路信号计 算机联锁子系统进行配套产业化建设的重要内容。本文对铁路信号计算机联锁系统测 试案例自动生成方法及其安全性、完备性进行了分析；自动模拟了仿真被测系统的各 类外部环境状态与人工操作信息等；对被测系统输出结果的自动获取、自动分析判读 方法进行了研究。 1 4 论文的组织 本论文的章节安排如下： 第一章阐明了本课题的目的和意义以及国内外研究现状，进一步给出了 本论文的研究内容。 第二章对铁路信号及其重要性进行了概述，阐述了计算机联锁系统与 6 5 0 2 电气集中联锁系统之间的区别与联系，并对本论文所研究的主要对象合肥 工业大学自主研发的- j 0 4 a 计算机联锁系统结构及其相关重要性软件及功能 进行了详细的表述。 第三章对计算机联锁系统的输入输出模型进行了详细分析；就自动测试 系统所采用的测试方法进行了探讨，根据计算机联锁系统的特点提出了一种基 于灰盒测试的自动测试方法；紧接着提出了基于图形分析的测试结果的自动分 析与判定方法；最后通过对o p c 的描述，建立了基于o p c 的联锁系统状态模拟 模型 第四章对测试的基本理论进行了阐述，描述了计算机联锁系统安全性测 试案例的构造原则及系统的安全侧及危险侧输出，进一步分析并建立了基于计 4 算机联锁软件安全性需求的p e t r i 网模型，最后给出联锁软件安全性测试案例的 生成方法并对测试案例的完备性进行了分析。 第五章分析了自动测试系统的基本逻辑结构，从几个方面对联锁软件功能 进行分析，并详细地介绍了如何把测试结果记录到记录文件。进一步给出了计 算机联锁系统自动测试系统的实现界面。 第六章总结本课题的工作，阐述了已经完成的工作以及尚需完善的方面。 第二章铁路信号计算机联锁系统 科学技术水平的提高、铁路事业的发展和人们对铁路认识的发展带动了铁 路信号技术发展，已经成为提高运输效率、实现列车运行自动控制、运输管理 自动化以及改善铁路员工劳动条件的重要手段n 3 】。 铁路信号是指挥调车作业和机车作业的命令，确保机车安全运行、提高运 输效率如是它的主要职责。 以前的铁路信号系统主要是通过信号员挥动不同类型的旗帜来完成的。该 种方式不仅呈现了信息量小，不直接，手工作业等特点，而且人力的参与还会 造成准确性和实时性的差异，事实证明它已经不能满足铁路发展的需求。 现代的铁路信号系统主要是以计算机控制、p l c ( 可编程逻辑控制器) 及网络 通信等先进技术为手段，以轨道、道岔和信号机作为室外三大基础设备，通过 联锁软件来实现铁路联锁规则，进一步确保铁路行车安全的系统n 引。所谓联锁 规则n 6 1 是指采用特定的技术方法，使动力转辙机( 道岔) 、轨道电路( 进路) 和色 灯信号机( 信号) 符合一定的约束条件而构建的相互制约关系。该定义主要有两 层含义：一层是通过制定一系列的联锁关系来约束道岔、信号及轨道的关系来 保证车站行车安全；另一层是实现联锁规则n 刀必须以技术作为手段。在计算机 联锁系统中，主要通过特定的控制设备来控制道岔，信号和轨道并通过它监测 设备对象u 引。 2 1 铁路信号计算机联锁系统 伴随着科学技术的进步和铁路运输事业的发展，从技术发展角度来看，铁 路信号系统已经经历了人工、机械、机电、电气集中以及计算机联锁系统。6 5 0 2 电气集中联锁系统( 图2 1 ) 和计算机联锁系统n 们是我国目前在工业企业铁路上 广泛使用的两种信号联锁系统。 南亍彳乇- _ ；青 l 工解锁i ，! j l ，r 芏，设 豇希啦! 旧 7 1 - 控il 状制if 态寰l 状盖 制l 态信ii 信示l态柑 鲁j ri 鲁息弋字鲁j r i 譬誊 弋弋 图2 - 16 5 0 2 电气集中联锁系统 6 5 0 2 电气集中联锁系统心叫：室内设有控制台、区段人工解锁按钮盘、继电 器组合和组合架、电源屏和分线盘；室外设有电动转撤机、轨道电路和电缆线 6 路及信号机。控制台用于控制和监督道岔、进路和信号。设有控制台的信号楼 或行车室就是车站的控制中心。如果作为列车调度自动化系统的基础设备，则 信号楼里的控制台即为备用设备。区段人工解锁按钮盘是辅助设备，主要在更 换继电器或停电后，用它使设备恢复正常状态；另外，在道岔区段因故障不能 解锁时用它办理区段故障人工解锁，或关闭信号设备发生故障不能关闭信号时 用它关闭信号。继电器组合及组合架是实现联锁的设备，也是实行控制和监督 用的继电器放黄位置的地方。电源屏能不间断地供给整个电气集中用的各种交 流电源和直流电源。分线盘是室内外连接的地方。用室外的信号机给出各种信 号显示；用动力转撤机转换道岔；用轨道电路监督进路是否空闲。外部设备与 联锁机构之间的联线主要是反映两者之间的联系及信息流向。工作人员操作的 信息是通过联锁机构接收来自控制台的信息而反映的，如单操道岔、建立进路、 取消进路等。联锁机构向屏幕显示器( 控制台) 输出的信息是向维护及操作人员 表示设备工作情况的信息统称表示信息。状态信息是指联锁机构接收的反映轨 道电路、信号机以及转辙机的状态并参与联锁的信息；而控制信息( 控制命令) 是指联锁机构输出的转辙机动作及控制信号机的信息。 计算机联锁系统利用计算机对车站作业人员的操作命令及现场表示的信息 进行逻辑运算，从而实现对轨道、信号机及道岔等进行集中控制，使其达到相 互制约的车站联锁设备，即计算机集中联锁。它是一种由计算机及其它一些电 子、电磁器件组成的具有故障一安全性能的实时控制系统。计算机联锁的操作方 法与电气集中联锁相似，由于它实现了从有接点到无接点的变革，操作人员办 理进路时，只需先按进路始端按钮，再按进路终端按钮即可完成。此时计算机 就执行操作输入程序和联锁处理程序。根据输入的按钮代码，从进路矩阵中找 出相应的进路，然后检查是否符合选路条件，只有完全满足选路条件后，程序 才能转入选路部分。之后，先检查对应道岔是否在规定位置，再将需要变换位 置的道岔转换位置，接着锁闭进路。 铁路信号计算机联锁系统是一个实时控制系统，主要包括控制软件和硬件 设备两大部分： ( 1 ) 控制软件包括通讯软件、管理软件、联锁软件、数据库等； ( 2 ) 硬件设备包括计算机设备、站场状态检测驱动设备、铁路站场设备( 如 道岔、轨道电路、信号机) ，可编程逻辑控制器( p l c ) 等。 h j 0 4 a 计算机联锁系统( 简称h j 0 4 a 系统) 以先进的故障一安全理论、计算 机控制理论、软件可靠性设计理论为基础，综合信号联锁、计算机控制、数字 通讯、智能控制、面向对象设计方法、现场总线、传感、网络、安全性测试、 计算机辅助设计、热插拔、程序自动生成、开关电源、抗干扰等多种技术，以 二级互为复核的集散式工业控制计算机网络为核心，配以多种专门研制的故障一 安全型检测阳、执行设备以及成套专用软件包组成了安全可靠、技术先进、功 能强大的铁路信号计算机联锁系统，是一种具有层次化、模块化结构的集散式 控制系统( d c s ) “”。层次化结构主要是指从t m 0 4 a 系统系统结构上看，可划分 为人机对话、联锁运算、复核驱动、结台、监视对象五大层次”“。联锁主机模 块、p l c 、1 1 0 模块、现场设备结台模块是该系统模块化的具体体现。层次化， 模块化结构的特点：系统可根据作业需求、站场规模的大小，修改p l c 模块、 信号结合模块及站场静态数据，即可满足系统扩容的要求( 灵活性、适用性和复 用率) 。h j 0 4 a 系统的系统结构如图2 2 所示该系统配备了两台互为热备份 的联锁计算机，它们具有相同的配置、安装相同的联锁软件，利用共享器进行 人工切换或自动切换，由备用机接替主机进行联锁控制，并同时输出告警信息。 煎i 堡缉弭 一i 磺塑塑译 二! 。l l u ” ”审2 1 1 2 审 。f 茸哥再_ ；i 碡。 一【_ f 二【三杀j 南_ _ - - l - f _ 竺2 1 t 一r r i t i 一f - - - - i _ 上 圈2 - 2 铁路联锁系统体系结构 ( 1 ) 人机对话层 在该层上联锁计算机接收鼠标、键盘的输入，采用一机多屏技术显示整个 站场的平面结构图及道岔、信号机及区段的表示信息。h , r 0 4 a 计算机联锁系统 的人机对话层具有独特的特点，高安全可靠性是其最鲜明的特征并且在软件设 计时采用多种确认的措施保证某些特定操作命令的准确性。如采用鼠标左键拖 动、右键确认的方式输入并通过人工确认来确保“故障解锁”控制命令操作 的正确性和采用按压多按钮加人工确认的方式来避免“选排进路”的误操作。 ( 2 ) 联锁运算层 h j 0 4 a 系统的核心部分是联锁机计算机( 以下简称联锁机) 联锁软件可在 其上实现输入操作的判别、联锁信号的分析、逻辑运算、故障诊断、控制命令 生成等。该层拥有两台联锁机：热各系统通过共享器切换；拎各系统人工切换。 联锁运算控制模块的主要功能有：1 ) 排列进路2 ) 取消进路3 ) 列车进路正常 解锁4 ) 调车进路正常解锁5 ) 调车进路中途折返解锁6 ) 人工解锁7 ) 重复 开放信号8 ) 人工关闭信号9 ) 办理引导锁闭1 0 ) 引导解锁1 1 ) 取消误操作 信息1 2 ) 单独操纵道岔13 ) 道岔单独锁闭1 4 ) 道岔单独解锁1 5 ) 区段故障 解锁1 6 ) 进路故障解锁 ( 3 ) 复核驱动层 复核驱动层由两套p l c ( 可编程逻辑控制器) 系统( 热备系统) 组成，主要功 能有：1 ) 系统自检2 ) 数据检测与调理3 ) 复核控制驱动等。 ( 4 ) 结合层 结合层是联系监控对象与计算机联锁系统的中间纽带，主要任务就是完成 铁路信号设备之间的电平转换。 ( 5 ) 监控对象层 该层利用设备控制器来检测铁路站场中的转辙机、信号机、轨道电路设备 等的实时状态信息。 2 2 计算机联锁系统软件 h j 0 4 a 系统的应用软件主要集中在人机对话层、联锁运算层和复核驱动层， 主要包含： ( 1 ) 联锁软件 虽然不同系统的计算机联锁软件有所不同，但是它们都必须实现基本的联 锁运算功能乜钔，要完全符合中华人民共和国铁道部发布的计算机联锁系统技 术条件中所提出的各项技术条件心钊。h j 0 4 a 系统的联锁功能如表2 1 。它不 仅包括最基本的联锁功能而且还可显示站场图形及现场设备状态、实现现场设 备状态的采集、接收信号命令、故障一安全性检查心氐3 们等。 表2 1 h j 0 4 a 系统的联锁功能 1 正常解锁 n o r m a l u n l o c k 2 列车进路 a r r a n g e r o u t e 3 调车进路中途折返解锁 a t t e m p e r m i d r e t u r n u n l o c k 4 调车进路正常解锁 a t t e m p e r n o r m a l u n l o c k 5 取消进路 c a n c e l r o u t e 6 人工解锁 m a n u a lu n l o c k 7重复开放信号 r e p e a t e d o p e n ，s i g n a l 8 人工关闭信号 m a n u a l c l o s e 。，s i g n a l 9 引导解锁 l e a dt ou n l o c k l0办理引导锁闭t r a n s a c tl e a dt ou n l o c k 1 1 取消误操作信息 c a n c e l m i s o p e r a t b n 1 2单独操纵道岔 o p e r a t e _ o n t u r n o u t l3岔单独锁闭 t u r n o u tl o c k 1 4区段故障解锁 s e g m e n t f a u l t _ _ u n l o c k 1 5道岔单独解锁t u m o u tu n l o c k 1 6进路故障解锁道 r o u t e f a u l t ，u n l o c k 17其它 o t h e r 9 计算机联锁软件是采用w i n d o w s 的事件触发机制并在w i n d o w s 操作系统下 运行的软件。计算机联锁软件中主要有鼠标事件和定时器事件( 3 0 0 m s 触发一 次) ，如图2 3 所示。 图2 - 3 计算机联锁软件中事件流程图 ( 2 ) p l c 复核程序软件 该软件是h j 0 4 a 系统的核心软件之一，它运行于p l c 机，完成站场信号的 联锁、站间联系等联锁复核和驱动输出功能。 ( 3 ) 管理软件 系统的人机接口设备、联锁计算机及轨道电路由管理软件进行管理的。该 软件实时记录了用户操作信息与联锁机采集到的站场数据信息，并可提供如下 功能： 1 ) 真实再现各种操作过程，演示站场实时变化。 2 ) 运输生产任务统计及车皮自动统计管理。 3 ) 重显计算机联锁软件中的所有设备状态。 4 ) 记录计算机联锁软件所有操作。 5 ) 指明发生时间及提供分项报警信息查询。 6 ) 标明操作发生时间及提供操作记录查询。 ( 4 ) 模拟调试软件 该软件提供联锁测试接口，可以方便地用鼠标模拟区段占用、出清，以测 试联锁关系，与联锁软件配合使用。 ( 5 ) 轨道管理软件 该软件主要任务是对站场所有轨道检测装置的信息处理口。通过界面可方 便地了解到整个站场轨道的占用和空闲状态，包括轨面电压的超压或低压的情 况，并且该软件能定时记录打印所有轨道的电压表，为维护工作提供了极大地 方便。 ( 6 ) 通讯软件 该软件处理着各个子模块间的通信，使得h j 0 4 a 系统的五大层次之间能够 进行相互通讯通讯等。如管理机和联锁机、联锁机和p l c 之间进行相互通信。 ( 7 ) 辅助设计软件 1 0 首先用户输入的的编辑信息( 如道岔、信号机、路段、区段) 被该软件接收， 然后将用户数据转换成h j 0 4 a 系统基础信息数据文件，以便在程序初始化时供 计算机联锁软件及计算机联锁管理软件调用。 2 3 计算机联锁系统功能 ( 1 ) 基本联锁功能 h j 0 4 a 系统在故障一安全原则下能实现6 5 0 2 电气集中所提供的全部联锁 功能，包括各类站场及场间联系必须遵从的信号联锁制式。 ( 2 ) 调度功能 h j 0 4 a 系统提供三种作业调度方式，即传统的双按钮调度方式、预排进路 调度方式以及先进的程序调度方式。 ( 3 ) 重演功能 h j 0 4 a 系统能够自动记录各种历史数据，依时间顺序对区段占用情况和信 号机、转撤机、计轴器状态等进行快动、慢动、单步等多种方式的重演，为维 护人员查明或故障原因提供有力的技术保障手段。 ( 4 ) 故障实时诊断及安全导向功能 系统实时自动检测内部资源及外部i 0 故障，精确定位并发出报警信号。 在发现危及行车安全因素的情况下自动将系统导向安全。 ( 5 ) 在调度人员运行调度作业时，能对调度人员的操作命令进行语音提 示，包括错误操作提示；在进行闭塞操作时，列车的离去或到达均有语音提示， 极大的减少了调度人员无操作的可能性。 ( 6 ) 远程遥控旧副及调试功能 系统能实现多用户远地对同一控制对象的操作与监督( 对分散性站场可节 省电缆投资) ，并留有设计人员进行远程诊断调试的接口。 ( 7 ) 联网功能 系统具备与其它信号系统、管理信息系统的安全联网功能。 ( 8 ) 车皮管理功能 利用本系统独有的计轴功能，实现站场内车皮管理以及行车过程的动态监 视，如可测出存在线车皮数量。车速、方向等各类车辆信息。 ( 9 ) 系统具有由另一组编程人员为设计人员提供的穷举式测试平台外，还 专门为电务维修人员提供了一套联锁测试功能，电务工程师在获得授权的情况 下可对系统设备、联锁逻辑、i 0 通道及外部设备进行检查。 2 4 本章小结 本章首先对铁路信号及其重要性进行了概述，阐述了计算机联锁系统与 6 5 0 2 电气集中联锁系统之间的区别与联系，并对本论文所研究的主要对象合肥 工业大学自主研发的h j 0 4 a 计算机联锁系统结构及其相关重要性软件进行了 详细的表述。 详述了计算机联锁软件的基本联锁功能表并给出了计算机联锁软件中两个 主要的消息事件( 鼠标事件和定时器事件) 的流程图。最后对h j 0 4 a 系统的功能 进行了表述。 第三章自动测试方法的选择 3 1 计算机联锁软件系统输入输出模型分析 3 1 1 计算机联锁软件输入输出模型 通常我们测试计算机联锁软件时，一般不考虑程序内部结构和特性，只需 处分理解程序的功能以及程序的输入与输出之间的关系就可进行，我们可以抽 象出如图3 一l 所示的输入输出模型： 叫计算机联锁软件卜_ 2 。+ p = f ( i o ) 图3 1 计算机联锁软件的输入输出模型 输入，包括操作人员的操作输入与现场设备的状态输入，输出d 包括表示 界面与输出控制命令输出。 3 1 2 计算机联锁软件输入输出集 现场信号设备状态( 以下简称现场状态) 输入和操作输入构成了计算机联 锁软件的输入集，用l 表示输入集、i 。表示现场状态输入集、i o 表示操作输 入集，则l 可表示为钉： i 。= i 。i 。 ( 3 1 ) 同理，计算机联锁软件所有的输出称为该系统的输出集，用d 。输出集表 示、0 。表示控制输出集、0 。表示输出集，则0 。可表示为： 现= q q ( 32 ) 可进一步描述计算机联锁软件的输入、输出集为： 假设某铁路车站计算机联锁软件彳拥有个操作输入元件 ( 么。，彳：，么，a ) ，第f 个元件a 。有m 种操作输入状态，在无时序时，该系 统共有兀m ，种操作输入，操作输入瓦可表示为： f 宣l 元2 ( 翻，口i ，a ) ( 3 3 ) a ，代表元件a ，的操作状态。 当系统为m 步时序时，则第k 步的操作输入j i d ( 后) 可表示为： ，t 、，、 z 。( 纠2 【口l ，口砖，口腑j ( 34 ) a 壤代表元件a ，在第七步的操作输入状态， k = 1 ，2 ，胁表示系统的时序步 骤。 由此，我们可以将肌步时序系统操作输入集，。劬) 的基表示为： r ( i 。) = ( 订mf ) ( 3 5 ) 假设彳系统有尸个现场设备状态输入变量( v 。，v ：，v ，) ，第i4 变i 矿。 有o i 种输入值，则我们可以将现场设备状态输入集，的基表示为： r ( i ，) = 兀q