计算机联锁系统安全可靠性设计浅析

1、计算机联锁系统安全可靠性设计浅析【摘要】从计算机联锁系统在铁路交通应用中的基本组成和基本功能着手，根据影响计算机联锁系统安全可靠性的一些关键因素，分析了在研制开发计算机联锁系统设备过程中所采用的改善和提高安全可靠性的几种方法。【关键词】计算机联锁系统 安全可靠性 硬件 软件1 概述 计算机联锁系统的安全可靠性是研究、开发、生产计算机联锁设备必须遵循的永恒的主题，也是验证计算机联锁系统性能的主要依据。计算机联锁设备是一种连续工作的实时系统，它必须具有极高的安全性和可靠性才能适应铁路运输和城市轨道交通高效和安全的运营要求。 其实汁算机联锁系统的安全性是指联锁设备在运行过程中无论发生什么故障都不能产

2、生有可能危及列车安全运行的危险因素，一般着重于在不正常的情况下使系统导向安全，防止产生危险后果；而可靠性是指联锁设备在规定的时间和规定的条件下完成规定功能的能力，一般侧重于防止或减少系统发生故障。显然，安全性的实现是以可靠性为基础，并在提高可靠性的前提下完成的。为了系统地分析问题，我们将把计算机联锁系统的安全性和可靠性结合在一起考虑，并着重从系统的硬件设计、软件设计和数据传输及处理等几个方面采取各种综合技术措施，使计算机联锁系统符合故障一安全的原则。2 硬件部分的安全可靠性分析 根据计算机联锁系统的结构组成和功能特点，硬件部分的安全可靠性技术从计算机联锁系统的上位机、联锁机和接口电路三个部分进

3、行分析。21上位机安全可靠性分析 上位机主要功能是向联锁机构输入操作信息，接受联锁机构输出的反映设备工作状态和行车作业情况的表示信息。为此上位机可采用经国际安全机构认证的高可靠工业控制计算机，摒弃原商用机所采用的大母板结构，把原来的大底版(系统板)功能集中在一块ALL-IN-ONE插卡上，底板变成无源总线母板，增加了插槽数，便于系统的升级扩展。 采用的机箱结构具有良好的散热、隔热、防潮、防尘性能，驱动器架采取避震措施，使整个机箱具有可靠的机械强度和很好的抗电磁干扰的能力；采用不问断供电及净化的专用开关电源，抗共模干扰，具有浪涌保护、过载保护、漏电保护的功能，单机设备的平均无故障工作时间可达到1

4、00000h。 计算机联锁系统的维修机和上位机的配置是一致的，平常可作为上位机的热备机，在系统故障时能够进行自动无扰切换，切换过程不影响现场设备状态，提高设备可靠性。 上位机的人机接口界面的设计使用先进的工业控制软件，使得系统的监控不仅具有友好的人机交互界面，而且具有丰富的图形画面显示及图形操作功能，调图方式灵活，修改参数方便。在设计中，根据铁路交通和城市轨道交通信号计算机联锁的特点，可以灵活运用登录口令、操作员权限、安全设定点、设定点口令、安全审计跟踪记录等安全特性，确保联锁系统执行操作的安全可靠。22联锁机安全可靠性分析 联锁机是信号控制系统的核心。在设计中，可选用国际安全机构认证的硬件三

5、重冗余计算机联锁系统，用于实现联锁数据处理过程的故障安全。所谓三重化冗余系统是指系统共有A、B、c三个相同的主机，每个主机可以把它看成系统中的一个模块。三个模块同时执行一致的操作，其输出送到“表决器”的输入端，然后把表决器的输出作为系统的输出。结果经输出设备三取二表决后进行输出，可以保证输出的安全性。当其中一个联锁处理单元联锁逻辑单元故障时，系统能够转换为二取二工作方式，在不降低安全陛的前提下，使整体系统的可靠性得到提高。 采用三取二表决系统原本是为了提高系统的可靠性而采取的一种冗余系统。然而从安全性角度来看，若有两个主机发生了同样的故障，即共模故障，系统将输出错误信息，经接口驱动后，有可能危

6、及行车的安全。因此，必须消除软硬件的设计错误，当主机的设计完全正确无误时，仅由硬件失效和干扰而产生的共模故障的发生概率就很小。为了进步降低未检出故障的组合而产生共模故障的可能性，可利用单机自检技术、主机间互检技术和双套不同的软件，扩大故障检测范围，消除因干扰而引起的影响。 为了保证三重化冗余系统能够通过多数一致表决得到正确的结果和发现出错的模块，这就要求三台微机必须同步工作。否则，整个系统便会出现紊乱状态，多数一致表决无法进行，系统无法保证正常可靠的工作。 计算机联锁系统为保证安全可靠而采取的主要措施是：全面的在线自诊断和专门的安全检查程序。这就要求系统在规定的周期内对计算机的运算器、存储器、

7、接口等元器件用一系列自诊断程序进行全面自诊，而安全检查程序则对联锁程序任务模块的运行状态进行监视，对关键信息代码的合法性进行检查。在自诊断和专门的安全检查中一旦发现故障，立即切断计算机的输出(同时报警)。在设计中必须采取有效的措施来确保： (1)检测过程本身应具有安全性，或采用相应硬件及软件措施来实现安全性； (2)检测要要有足够的频率，使类似或等同故障在二次检测之间不会发生； (3)检测要足够灵敏，能够测出每个安全单元之中的重要故障； (4)检测失败时应及时产生安全保护动作； (5)冗余装置要足够独立，使之不受其他故障的影响。 例如在具体实施中，使输出控制单元经过表决后输出，所有输出进行反馈

8、检查闭环控制；在输出执行环节采用条件电源供电方法，当用实时检测或实时比较技术发现联锁微机内部故障时，即使产生危险侧的错误控制命令，通过强制切断执行环节的条件电源，减少错误的控制命令输出。 采用光电隔离技术，接点输入电路要经过光电耦合后力节目接至接口电路输入输出模块，有效的抑制接点输入电路的电磁干扰；采用静态输入或动态输入方式，以便有效的实现故障安全原则。 在输出接口的设计中，采用代码动静态和动静态电平两级变换电路；采用不间断供电及净化的专用电源，电源模块内部设有双重化电压调整器及自诊断电路，可检测电压的输出范围与是否超温并给出相应报警。23 接口电路安全可靠性分析 由于一般继电电路采用的重力式

9、安全继电器具有很高的安全性，在我国铁路中运用了几十年，为此计算机联锁系统的接口电路仍然以安全继电器作为计算机联锁机构与室外设备控制电路的接口。我们知道安全继电器通过以下技术实现故障一安全：电气接点采用特殊材料制作，使接点粘连的可能极小；采用吹弧技术，消除接点拉弧造成熔接；采用重力式设计原理，在继电器故障时，利用其重力使衔铁复位，从而保证实现系统的故障安全的目的。 为此在计算机联锁系统中，信号、道岔、轨道电路等监控对象的状态信息依然是用安全型继电器的接点状态来反映的，输人接口的任务就是将这种电平形式的二值逻辑数据安全地采集到联锁机中来。24 其他方面的安全可靠性分析 考虑计算机联锁系统硬件设备的

10、其他方面的安全可靠性，对包括电源、计算机、数据通讯线路、输人输出接口、机架结构及地线设置等方面采取了电磁兼容设计和防雷设计，以保证在规定等级的运用环境中，设备必须正常工作，不产生任何指标下降和功能上非期望值的偏差。3 软件系统的安全可靠性分析 在计算机联锁控制系统里，各种复杂的功能主要依靠软件来实现。嵌入在安全控制系统中的软件，不仅要能完整地实现系统的控制功能，还要能保证实现系统在发生意外时的安全防护即故障一安全功能。 一般在汁算机联锁控制系统中，普遍采用以下软件技术来提高系统的安全可靠性：(1)采用信息编码技术，以便出错时能被及时识别。例如，对于涉及行车安全的逻辑变量，用多元代码来表示安全变

11、量的两个值一安全侧值和危险侧值。这样，当代码在存储或传输过程中，由于存储器硬件故障或者外界干扰而发生畸变，一旦错成非法码时，就可由软件自动检出并导向安全侧。(2)采用软件冗余技术，保证软件运行的安全性。(3)采用软件检测技术及时发现故障，以进一步采取措施防止危险侧信息的发生和输出。从我国目前的现状来看，行政对自治的介入明显过多，甚至许多应当由行业协会通过行业自治规范来自我调整的事项，政府也越俎代庖地直接进行制定，或者要求协会提交草案由政府审核后发布。立法对于行业自治规范的规制也不是很完善。这也是造成部分行业自治规范违背国家法律，侵犯社会公益、成员以及其他公民权益的原因之一。至于行业自治规范的司

12、法监督在我国则明显不足。就目前的诉讼实践来看，有关行业协会的案件，特别是有关行业自治规范的案件还不多。因此，我国应当在克制行政监督、完善立法监督的同时，加强对司法监督机制的建设。一方面，应当赋予当事人对协会行业自治规范提起诉讼的权利;另一方面，也应当建立司法审查必须遵循的原则，如穷尽内部救济原则、重要性原则、程序性而非实体性审查原则、合法性而非合理性审查原则、谦抑的而非能动的审查原则等。n|五、结语西方国家中社会自治所发挥的作用历来为世人瞩目，这既得益于其深厚的传统自主精神，也依赖于现代的制度建构。在西方成熟的自治实践的映衬下，我国自治制度建设和研究的道路还很漫长。“大一统”的全能政府体制曾在

13、我国延绵数千年，虽然清末西学东渐的影响让社会自治的萌芽初露头角，但近代中国始终未能实现制度的根本变革。直到今天，在推行法治现代化的过程中，人们才将目光重新投向社会自治这一片尚未真正开垦过的“荒地”。建构法治基础上的自治制度要注意两个方面的问题:(1)建立理性的法治观念，防止“法治万能主义”倾向。从世界范围来看，“数百年来的总体发展趋势是背离非法律强制机制，背离法律与社会规范相互合作的格局，走向纯粹法律的治理。该趋势已经远离了非法律制裁的结合，并趋向压制非法律制裁。”n当前，在我国大力强调法治重要性的同时，也产生了一种“法治万能主义”，并导致对法治的盲目崇拜。n“当法治大潮意欲洗礼一切时，社会自

14、治却被逼进狭小的胡同之中。”ou我们应当认识到，现代社会秩序的建构仅仅依靠国家法治、依赖国家强制力是不够的，我国的法治化应当给社会自治留有必要的空间，也应为社会自治的茁壮成长提供制度保障。国家应当“运用法律把现有的各种非法律强制手段引导到理想的方向上，而不是用作为强制手段的纯粹的法律手段取而代之”。ov(2)建立理性的自治制度，防止新的“自治主义神话”的产生。过分地强调自治也有其负面作用，容易引起限制竞争、利己主义等弊端，对国家法制带来挑战甚至削弱法治的精神。所以国家有必要对自治组织的“自治”进行必要而又谨慎的干预，以平衡行业协会的自身利益与社会利益的冲突，并最大限度地缩小行业自治规范产生的负

15、面影响。注释:参见中国足球协会章程第87条之规定参见中国旅游饭店行业规范第29条之规定参见李胜利:行业自律价浅论邹永贤等:现代西方国家学说，福建人民出版社1993年版，第322页。美博登海默:法理学:法律哲学与法律方法，邓正来译，中国政法大学出版社1999年版，第421-423页。munx参见于安编著:德国行政法，清华大学出版社1999年版，第77页，第83-84页，第92页。2003年9月15日中国工业经济联合会发布了关于规范和完善行规行约推进行业自律的参考意见(该意见仅供行业协会研究、参考和借鉴之用)。该参考意见规定，行规行约的内容包含行业经营行为和行业道德行为两个方面:行业经营行为主要是

16、公平竞争，诚实守信，遵守市场规则和市场秩序，反对不正当竞争;严格质量标准，杜绝假冒伪劣;承诺价格自律，不以变相倾销或变相垄断等不正当行为损害同行企业和用户利益;严格生产工艺技术、质量标准和规范;信守对用户、消费者承诺，杜绝行贿受贿和欺诈行为，遵纪守法等。行业道德行为主要是文明生产，优质服务，对人民、对社会负责;以诚为本，信誉为基，遵纪守法，以德治业，倡导先进的企业文化;提倡会员之间团结、互助、协调、自律，发挥行业整体优势，反对损人利己、互相拆台;提倡善于学习，勇于创新，不断提高全员素质，提高企业管理水平等。刘宇:浅析行规行约的法律效力，经济师2004年第5期。参见龚隽:高等院校规章的法律效力分

17、析兼谈大学章程的价值，政治与法律2004年第6期。lv参见董玉明、孙磊:试论我国行业管理法的地位与体系，法商研究2004年第1期。lwny魏文享:近代行规法律效力的演变以1930年行规讨论案及/重整行规运动0为中心lxlymzm|德卡尔#拉伦茨:德国民法通论，王晓晔等译，法律出版社2003年版，第11页，第19-20页，第230-231页，第201页。lznov美埃里克#A#波斯纳:法律与社会规范，沈明译，中国政法大学出版社2004年版，第13-14页，第329页，第329页。l参见张静:法团主义，中国社会科学出版社1998年版，第122-123页。l|该行规行约由浙江省杭州市饮食旅店业同业公

18、会于2002年制定l参见郭道晖:多元社会中法的本质与功能第二次亚洲法哲学大会述评，中外法学1999年第3期。l姜明安:公法学研究的几个问题，法商研究2005年第3期。mv参见罗璇、曹斌:面临尴尬:长春亚泰状告足协，中国律师2003年第3期。mw吴长淑等36位全国人大代表正式向全国人大提交了关于要求最高人民法院敦促北京市人民法院依法受理长春亚泰足球俱乐部诉中国足协行政诉讼案的议案，其后，谷长春等20位全国人大代表联名，再一次就长春亚泰足球俱乐部诉中国足协行政诉讼案，正式向大会提交了题为关于中国足协章程排斥司法介入的合法性及中国足协管理问题的意见。参见勋平:人大代表为亚泰呈反黑檄文请求体总与民政部介入，mxm参见苏西刚:社团自治及其法律界限的基本原理，载罗豪才主编:行政法论丛第8卷，法律出版社2005年版，第113页。my该行规行约由上海医药行业协会于2002年制定m参见吴志攀:单位规则我国社会存在的/第三种规则0，载北京大学法学院编:江流有声北京大学法学院百年院庆文存之民商法学经济法学卷，法律出版社2004年版，第233页。m1999年，我国曾出现过专门运动协会限制、禁止有关新闻媒体对该运动协会的体育竞技比赛采访报道的事件并引起诉讼。有关案件的具体介绍与法律分析，参见王俊民、王申:3无锡日报4社诉中国足协名誉