鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的可靠性分析

楊磊

摘? 要：鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是保障鐵路安全高效運(yùn)行的重要部分，文章以鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的可靠性為研究對(duì)象，分別討論了聯(lián)鎖系統(tǒng)中軟件可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)以及進(jìn)入死循環(huán)、聯(lián)鎖運(yùn)算錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)去向錯(cuò)誤等故障的軟件檢測技術(shù)，為更進(jìn)一步熟知鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的工作過程提供參考。

關(guān)鍵詞：微機(jī)聯(lián)鎖;控制;可靠性;鐵路

中圖分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）36-0049-02

Abstract： The railway microcomputer interlocking control system is an important part to ensure the safe and efficient operation of the railway. this paper takes the reliability of the railway microcomputer interlocking control system as the research object. the technical basis of software reliability design in the interlocking system and the software detection techniques for entering the dead loop， interlocking operation errors and data destination errors are discussed respectively， which provides a reference for further understanding the working process of the railway microcomputer interlocking control system.

Keywords： microcomputer interlocking; control; reliability; railway

鐵路信號(hào)的準(zhǔn)確穩(wěn)定關(guān)系著列車運(yùn)行安全，微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是保障信號(hào)高可靠性與安全性的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮系統(tǒng)的高可靠性、高穩(wěn)定性和故障導(dǎo)向安全原則，要求系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和制作過程中，采用系列化的行之有效的技術(shù)措施[1-2]。聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性是硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，本文將對(duì)鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)中的軟件可靠性技術(shù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行論述。

1 鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)可靠性分析概述

鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（圖1），對(duì)其軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)主要包含了四方面的內(nèi)容：即系統(tǒng)的管理、軟件程序的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件的可靠性分析以及軟件驗(yàn)證等技術(shù)。軟件可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)中包含軟件管理主要的原因是因?yàn)檐浖儆跓o形產(chǎn)品，其管理難度往往超過了一些有形產(chǎn)品。政策、法律與標(biāo)準(zhǔn)化是軟件管理最為直接的問題，具體的一個(gè)軟件項(xiàng)目，需要有確定的開發(fā)總目標(biāo)，每個(gè)階段的目標(biāo)，以及軟件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在軟件系統(tǒng)管理工作完善的基礎(chǔ)上，才可以進(jìn)一步使編輯的軟件具備可靠性。

軟件設(shè)計(jì)技術(shù)指的是對(duì)開發(fā)軟件的功能進(jìn)行規(guī)范性說明，包含了軟件核心設(shè)計(jì)方法與軟件程序的變換方法與技術(shù)[2]。通過運(yùn)用這些技術(shù)，能夠使軟件結(jié)構(gòu)更便于理解與驗(yàn)證，很大程度上提升了軟件的可靠性。軟件可靠性分析是通過對(duì)軟件的定量評(píng)價(jià)來實(shí)現(xiàn)的，以軟件的可靠性模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)軟件的可靠性。驗(yàn)證過程是測試和驗(yàn)證程序正確性的過程。以上提到的技術(shù)方法，是軟件設(shè)計(jì)中極為重要的。不過這些技術(shù)多處于理論研究階段，實(shí)踐過程仍存在一些問題。鐵路的聯(lián)鎖軟件而言，采取何種技術(shù)來指導(dǎo)聯(lián)鎖軟件的設(shè)計(jì)，仍需要一段實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

缺陷多是由于軟件開發(fā)人員在設(shè)計(jì)軟件和測試驗(yàn)證軟件過程中忽略一些關(guān)鍵性、細(xì)節(jié)性問題所帶來的。因此，嚴(yán)格進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)、修正和測試驗(yàn)過程，能夠提升軟件的可靠性。鐵路的聯(lián)鎖軟件而言，因?yàn)檐浖饕菫榱藢?shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，只能夠有限的輸入邏輯變量，這些中間結(jié)果、最終結(jié)果在邏輯運(yùn)算階段能夠得以驗(yàn)證。因此驗(yàn)證軟件的可靠性是容易實(shí)現(xiàn)的，但是不能確保軟件的絕對(duì)可靠。需要指出的是，假如軟件驗(yàn)證可以達(dá)到完全可靠，也會(huì)由于硬件方面的故障和干擾，破壞軟件的正常運(yùn)行，進(jìn)而出現(xiàn)發(fā)生故障。

因此，在保證硬件可靠的措施同時(shí)，也要確保軟件系統(tǒng)的可靠性。二者協(xié)同提升保障可靠性和安全性。事實(shí)上，軟件措施只能夠驗(yàn)證微機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的功能性故障，對(duì)于系統(tǒng)中的硬件物理缺陷難以直接發(fā)現(xiàn)。檢測驗(yàn)證知道軟件的功能性故障后，需要再采取對(duì)應(yīng)的軟件和硬件措施才能夠提升系統(tǒng)的可靠性與安全性。

2 聯(lián)鎖軟件可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 功能規(guī)范化說明

程序設(shè)計(jì)的目的在于解決具體問題。對(duì)于問題的提出，一般是由用戶以自然語言表述的，這種自然語言的表述往往存在著不完備，過于冗長而且有二義性。因此在軟件開發(fā)階段，首要的任務(wù)是用一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言或符號(hào)將問題表述清楚。即要對(duì)問題作出規(guī)范化（或形式化）的說明。在規(guī)范化說明中，一是要有功能性說明，即要做什么;二是要有邏輯性說明，即如何做[3]。

對(duì)于進(jìn)路控制的功能性說明最好以電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能為參考。這樣可使新的微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能至少能滿足既有聯(lián)鎖系統(tǒng)功能要求，而不致有所遺漏。在此基礎(chǔ)上再考慮如何發(fā)揮計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，使系統(tǒng)的功能進(jìn)一步豐富和完善。

根據(jù)上述規(guī)范方法，可按共性設(shè)計(jì)一個(gè)各條進(jìn)路共享的通用聯(lián)鎖程序，向該聯(lián)鎖程序提供不同的進(jìn)路數(shù)據(jù)表，就實(shí)現(xiàn)了不同進(jìn)路的控制。實(shí)際上在一個(gè)車站范圍內(nèi)，同時(shí)需要辦理的進(jìn)路數(shù)量不過幾條乃至幾十條而已。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的快速處理能力，使一個(gè)聯(lián)鎖程序?yàn)槎鄺l進(jìn)路服務(wù)而不影響作業(yè)效率是可能的，而且實(shí)踐證明是可行的。

這種通用聯(lián)鎖程序至少有下列優(yōu)點(diǎn)：第一，不需針對(duì)每條具體進(jìn)路設(shè)計(jì)程序，提高了標(biāo)準(zhǔn)化程度，能適應(yīng)不同規(guī)模車站的需要：第二，由于程序?yàn)楦鳁l進(jìn)程所共享，如果程序中隱含著某種缺陷，則在調(diào)試過程中，即在模擬各條進(jìn)路的控制過程中易于暴露出來，可以及時(shí)克服，提高了程序的可靠性和安全性;第三，便于聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)，對(duì)于不同的車站，聯(lián)鎖程序是通用的，只是提供不同的進(jìn)路數(shù)據(jù)表就可以了;第四，適應(yīng)車站的改建和擴(kuò)建。

2.2 好的程序設(shè)計(jì)方法

程序設(shè)計(jì)就是把問題的規(guī)范化說明轉(zhuǎn)換成某種計(jì)算機(jī)語言程序。對(duì)于這種轉(zhuǎn)換有不同的方法和技巧。人們希望得到一個(gè)好的程序。評(píng)價(jià)一個(gè)程序的質(zhì)量，很難制定定量的標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)現(xiàn)在流行的觀點(diǎn)，一個(gè)好程序需具有如下素質(zhì)：（1）能夠正確安全地工作，在此前提下再考慮節(jié)省存儲(chǔ)空間和機(jī)時(shí)（效率）;（2）清晰易懂，易于調(diào)試;（3）易于維護(hù);（4）易于修改;（5）簡潔;（6）高效[4]。

理論上已經(jīng)證明，任何形式的程序結(jié)構(gòu)總是可以用以上四種基本結(jié)構(gòu)來代換。如果在設(shè)計(jì)程序時(shí)，一開始就采用這種基本結(jié)構(gòu)，則有利于實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)模塊化，便于閱讀和理解，有利于調(diào)試和分段驗(yàn)證，是提高程序可靠性的重要技術(shù)。

3 檢測故障的軟件技術(shù)

在討論聯(lián)鎖微機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)曾經(jīng)指出，對(duì)于三模冗余（靜態(tài)屏蔽）聯(lián)鎖微機(jī)來說，它的可靠性是建立在三取二的機(jī)理上，它的安全性是建立在雙機(jī)輸出比較的機(jī)理上。因此，這種結(jié)構(gòu)的微機(jī)，在工作期間，原則上不需以軟件方法對(duì)微機(jī)內(nèi)的故障進(jìn)行檢測。對(duì)于二模動(dòng)態(tài)冗余的聯(lián)鎖微機(jī)來說，則以軟件方法檢測微機(jī)內(nèi)部故障是必需的。聯(lián)鎖微機(jī)在工作期間也必須進(jìn)行檢測，常稱這種檢測為動(dòng)態(tài)檢測。動(dòng)態(tài)檢測不同于靜態(tài)檢測，它要受到時(shí)間和條件的限制。檢測任務(wù)主要是在執(zhí)行聯(lián)鎖程序的過程中檢測故障的外在現(xiàn)象，而不是直接檢查硬件的物理失效，軟件的缺陷以及故障的位置。故障現(xiàn)象表現(xiàn)為：進(jìn)入死循環(huán);聯(lián)鎖運(yùn)算錯(cuò)誤;數(shù)據(jù)去向錯(cuò)誤。

3.1 死循環(huán)檢測

檢測死循環(huán)的方法比較簡單，因?yàn)闄C(jī)器進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，其故障現(xiàn)象較多，例如工作周期受到破壞，某些程序模塊得不到執(zhí)行等。通過檢測這些故障現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器是否進(jìn)入死循環(huán)。機(jī)器進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，最嚴(yán)重的情況是在形成開放信號(hào)命令之后無休止地執(zhí)行信號(hào)控制命令輸出程序模塊。如果此時(shí)又發(fā)生了雙機(jī)不能切換的故障，那么有導(dǎo)致信號(hào)長期無條件開放的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)故障繼電器落下時(shí)，應(yīng)切斷信號(hào)控制命令的輸出（切斷有關(guān)電源或電路）。

3.2 運(yùn)算錯(cuò)誤檢測

比較法是檢測運(yùn)算錯(cuò)誤的有效方法。在動(dòng)態(tài)冗余雙機(jī)結(jié)構(gòu)中，采用功能相同而編制風(fēng)格、存儲(chǔ)空間和執(zhí)行時(shí)各異的雙份軟件比較法，是檢測運(yùn)算錯(cuò)誤的強(qiáng)有力的技術(shù)。這是因?yàn)椋旱谝?，由于編制的風(fēng)格（指令、流程等）不同，兩個(gè)程序中潛在著同樣缺陷的可能性極小，如存在缺陷則通過運(yùn)算比較就能暴露出來;第二，由于兩套程序和數(shù)據(jù)存于不同的空間，如果發(fā)生硬件故障而使兩份軟件產(chǎn)生相同的錯(cuò)誤的可能性極小，因此通過運(yùn)算結(jié)果的比較是能發(fā)現(xiàn)硬件故障的;第三，由于兩套軟件的執(zhí)行時(shí)間不同（只能順序執(zhí)行），如果出現(xiàn)了瞬間的或間歇的故障而使雙程序產(chǎn)生同樣錯(cuò)誤的可能性也極小，所以也是能夠發(fā)現(xiàn)的。

雙軟件比較法不是對(duì)運(yùn)算的最終結(jié)果進(jìn)行比較，而是在程序的子模塊級(jí)進(jìn)行比較。如果一個(gè)程序包括了m個(gè)子模塊，那么應(yīng)進(jìn)行m次比較，在任何一次測得結(jié)果不一致時(shí)就給出一個(gè)“運(yùn)算錯(cuò)誤”的信息，總檢程序測得“運(yùn)算錯(cuò)誤”信息時(shí)就停止輸出脈沖串，使故障繼電器落下。這種按子模塊級(jí)進(jìn)行比較的優(yōu)點(diǎn)是可防止因多次故障積累而導(dǎo)致故障不被檢出的可能[5]。

3.3 數(shù)據(jù)去向錯(cuò)誤檢測

在微機(jī)中，有多種譯碼器，其功能各不相同，不同功能的譯碼器發(fā)生故障時(shí)，其后果是不一樣的。例如指令譯碼器的故障將導(dǎo)致程序的混亂，而地址譯碼器故障將把數(shù)據(jù)引向錯(cuò)誤的去處，而數(shù)據(jù)本身并未遭到破壞。對(duì)于數(shù)據(jù)的去向錯(cuò)誤不一定在雙份軟件比較中能得到檢測，特別是對(duì)于輸入/輸出口的地址譯碼器故障尤應(yīng)進(jìn)行深入細(xì)致的分析，以便采取有效對(duì)策。

在聯(lián)鎖微機(jī)中，如果存在某些數(shù)據(jù)和某些程序段無法用比較法進(jìn)行故障檢測（例如，一段軌道區(qū)段的狀態(tài)信息，僅由一個(gè)輸入口輸入時(shí)，那么該狀態(tài)信息的安全側(cè)就不能確切反映是車輛占用造成的還是電路故障造成的，也就無法用比較法檢測出來），則需在兩個(gè)微機(jī)間進(jìn)行互檢，測得故障后同樣需進(jìn)行雙機(jī)切換以提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

聯(lián)鎖系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，它必須具有非常高的可靠性，才能保證車站技術(shù)作業(yè)的安全與效率。就機(jī)械的和電氣的聯(lián)鎖系統(tǒng)而論，系統(tǒng)的可靠性主要是靠高可靠的器材來實(shí)現(xiàn)的，聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障-安全性，本質(zhì)上也屬于可靠性理論的范疇。為了能定量地分析系統(tǒng)的故障-安全性能，也需要可靠性基礎(chǔ)知識(shí)。

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