论文题目：列控安全计算机反应式故障安全的研究
摘要：随着我国铁路网络和城市轨道交通快速发展,列车运行控制系统的安全性实时性需求日益提高。列控安全计算机负责列控系统输入输出数据的校验及表决,通过大量的软硬件故障安全设计有效保证了列控系统的安全性,但也一定程度上降低了实时性。本文引入EN50129中的反应式故障安全技术,对列控安全计算机的整体架构及各模块设计进行优化调整。首先,本文利用可靠性原理分析了目前列控安全计算机的常用架构,列举了多种软硬件检错容错技术,并对比了三种适用于铁路安全苛求系统的故障安全方法的技术特点。在此基础上,本文讨论了反应式故障安全在列控安全计算机软硬件中的适用性并阐述了其在二乘二取二安全计算机平台上的应用形式。其次,本文根据反应式故障安全的技术特点,结合安全苛求系统相关标准中的技术要求,针对本实验室既有列控安全计算机中存在的不足,提出了对列控安全计算机软硬件的优化设计。整体架构上,针对既有安全计算机内部模块间数据转发过于频繁的问题,重新调整了容错安全管理单元,通信控制单元与安全输入输出单元的连接。校验机制上,结合反应式故障安全和组合式故障安全,简化了软件中校验表决的流程,提高了数据校验的效率。通信架构上,综合使用低电压差分信号（LVDS）和光纤通信提高了安全计算机内部的通信速度;利用二进制退避算法（BEB）提高了安全计算机的通信拓展能力;利用装箱算法优化了数据调度方式,提高了周期信息和非周期信息的通信效率。监测机制上,对处理单元电源、全局时钟和芯片状态都进行了多种形式的监测,提高了安全性。最后,本文通过形式化验证,硬件设计,软件仿真的方法,验证了反应式故障安全设计的优化效果。第一,本文对优化架构下故障安全管理机制的状态转换关系运用建模检验的方法,利用NuSMV工具进行形式化验证。第二,本文通过测试案例验证了正常状态下及故障状态下新校验机制是否满足反应式故障安全的设计要求。第三,本文通过设计光纤通信测试板、容错安全板和通信控制板,验证了 LVDS光纤通信设计,利用软件仿真和硬件测试验证了拓展策略和调度算法。验证结果显示,结合反应式故障安全的优化设计能够有效完成错误的检测和关断,缩短各模块数据校验周期,并可以大幅提高内部数据通信速度和通信拓展能力。总体而言,优化设计符合设计需求,满足反应式故障安全的功能要求,可以提高列控安全计算机的实时性。图74幅,表6个,参考文献53篇。
关键词：安全计算机;反应式故障安全;故障检测;故障隔离
学科专业：交通信息工程及控制
致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 安全计算机
1.2.2 反应式故障安全技术
1.3 论文研究内容和组织结构
1.3.1 本文研究内容
1.3.2 论文组织结构
2 列控安全计算机故障安全技术方法
2.1 列控安全计算机结构特征分析
2.1.1 列控安全计算机硬件架构分析
2.1.2 列控安全计算机通信架构分析
2.2 安全计算机故障安全的的实现形式
2.2.1 内在式故障安全
2.2.2 组合式故障安全
2.2.3 反应式故障安全
2.3 反应式故障安全在列控安全计算机中的应用形式
2.3.1 反应式故障安全适用性分析
2.3.2 通信架构中反应式故障安全的应用
2.3.3 硬件架构中反应式故障安全的应用
2.4 本章小结
3 基于二乘二取二的反应式故障安全设计
3.1 反应式故障安全设计整体架构
3.1.1 安全计算机基本故障模式分析
3.1.2 安全计算机故障安全设计方法
3.1.3 反应式故障安全结构设计
3.2 反应式故障安全检测及关断策略
3.2.1 FTSMU中基于反应式故障安全的二取二校验
3.2.2 SIOU中基于时间超前的校验机制
3.2.3 CCU中模块间故障检测策略
3.3 列控安全计算机时间触发通信策略
3.3.1 基于LVDS的隔离通信
3.3.2 基于退避算法的IO拓展通信
3.3.3 基于装箱算法的信息调度策略
3.4 安全关键项监测策略
3.4.1 核心处理单元电源监测
3.4.2 全局时钟信号监测
3.4.3 芯片状态监测
3.5 本章小结
4 反应式故障安全的实现及验证
4.1 故障安全管理机制形式化验证
4.1.1 形式化验证方法
4.1.2 模型检测工具
4.1.3 基于SMV的故障安全管理机制建模
4.1.4 形式化验证结果与分析
4.2 反应式故障安全检测及关断策略验证
4.2.1 容错安全管理单元冗余校验机制验证
4.2.2 安全输入输出单元校验机制验证
4.2.3 通信控制单元检错策略验证
4.3 时间触发通信实现及验证
4.3.1 FPGA光纤隔离通信硬件设计及验证
4.3.2 安全输入输出单元通信拓展策略验证
4.3.3 通信调度算法验证
4.4 本章小结
5 结论
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
图索引
表索引