计算机论文

在采用继电集中联锁设备的情况下，办理调车作业时，一般是由室内操作人员排列调车进路，由室外的调车员根据信号显示再以信号旗指挥行车。因此，调车作业时间包括了室内外人员之间的协同动作时间。在采用微机联锁系统的情况下，可能将协同动作的时间压缩最短。例如将调车作业划分为固定调车作业和非固定调车作业两类。对于前者可将作业计划存入计算机内，按计划自动排列进路。对于非固定作业，调车员可通过无线调车电话直接用话音办理调车进路。当然，在这种情况下，计算机联锁系统应具有话音识别输入系统。
2.
计算机联锁系统取代继电联锁系统的另外一个重要原因是为了降低系统费用成本，一般来说系统费用表现在设计、制作、施工、调试以及建筑费用上，因此计算机联锁系统必须在以上若干方面充分显示其优势。
2.
旧有的继电联锁系统只能提供基本联锁功能与操作界面，新型计算机联锁系统除此之外，还应具有故障诊断与分析、重演、远程通信及其他管理功能。
计算机联锁系统的概要设计与分析
学生姓名：韩剑飞
学号：0730332
专业班级：培训班
指导教师：马小玲
摘 要
计算机联锁系统尽管已有十几年的发展历史，由于它涉及生命和财产安全，在人们对其安全性和可靠性尚未通过长期实践而充分肯定的情况下，对其使用总是持审慎态度。在我国，计算机联锁系统尚处于发展的初期阶段。微机联锁系统总是离不开软件系统。对于联锁系统的软件，也将从功能、安全、可靠等方面进行讨论，本文将着重从软件系统层面对计算机联锁系统加以概要分析，希望对计算机联锁系统的发展有所贡献。
在铁路信号领域，由于行车安全被认为是超过效率的重要考虑，因此相应对计算机联锁系统的可靠性与安全性要求很高，针对这种情况，可以有二种方式供我们在设计中进行选择。其一是强化系统的可靠性设计，这是基于可靠性理论包含了系统故障的屏蔽效应，因而用高可靠性换取系统的低故障率，以此隐含了对安全性的相对提升。但可靠性技术总是受一定的条件所限制，如硬件冗余资源使用、采用高可靠器件等，这完全取决于系统的可靠性要求及财力许可。其次我们可以基于这样一个思路来考虑问题：如果计算机联锁系统在保证一定可靠性要求基础上并结合故障—安全技术来得以实现，实质上也就是说牺牲少量的效率来避免昂贵的成本并换取系统的高安全性，同样也能满足铁路信号对联锁系统的性能要求。
但是常规的计算机控制系统并不具有故障——安全特性，也即不具有辩别外部输入信息的正确与否或在系统故障时能将系统导向安全的能力，在应用中受到了极大的限制。目前在我国干线铁路上装备的计算机联锁系统大多系国外铁路信号公司的容错计算机信号控制系统，其价格相当昂贵。因此近年内国内不少铁路行业科研院所都将研制故障——安全的铁路信号控制系统作为近期的主要工作。
图2.1 联锁逻辑运算系统原理图
2.2
联锁系统必须不失时机地采集到输入变量的变化情况，及时刷新站场各类表示信息，及时输出道岔和信号的控制命令，而且对涉及安全(危险侧[1])的控制命令必须以具有故障——安全特征的形式输出。
2.
软件的可靠性指完成预期功能的能力。软件可靠性与硬件可靠性不同，对于计算机联锁系统来说，联锁程序是涉及行车安全的软件，不允许它潜存着会导致行车危险的错误，也就是说要求联锁程序必须完全正确。
1.2
此处的管理包括行车管理和联锁系统自身管理两个方面。在行车管理方面，微机链锁系统可以向旅客服务系统(如广播系统，列车到发显示牌)、列车运行监督系统以及列车指挥系统等提供各种信息，例如列车到发时间，列车占有线路情况，列车所在股道以及信号设备状况等。由于行车管理系统日趋计算机化，所以计算机联锁系统不仅能提供信息，而且易于和这些系统结合。
图3.1HJ04A计算机联锁系统结构
图3.1所示的HJ04A计算机联锁系统实质上是一个具有冷备联锁微机的单模(联锁机)系统，但可以设想：在系统可维护性较好并能使其平均故障恢复时间MTTR尽可能缩短的情况下(HJ04A系统结合故障诊断及模块化设计技术，MTTR通常小于2分钟)，HJ04A系统在联锁微机级模块相当于二模动态冗余系统。
3.2
HJ04A系统采用单模二级复核式容错结构的一个重要实现基础就是系统必须具有强大的故障诊断功能，只有这样才能保证系统在故障状态下的安全导向与快速维修响应速度。
联锁系统的硬件故障通常表现在联锁主机、PLC与结合电路模块、工作电源等设备上，软件故障表现为程序跑飞、技术条件错误、通信异常等。这些故障的表现方式及造成的结果不尽相同，有些故障可以及时发现，有些则难以识别；有些故障仅影响系统工作但不至于危及安全，而另外一些故障则可能造成危险侧输出。因些应当区别对待并采取相应的处理方式。
系统内信息变换及逻辑运算的安全性：就联锁程序而言，无论设计调试方法多么严密也很难排除所有隐含的缺陷，这就要求必须引入避错及容错机制使故障形成的危险侧运算结果输出的概率达到规定的要求。
2.4
铁路站场的规模与作业需求不尽相同，因而无论是硬件还是软件都必须具有模块化结构特征，硬件模块化、软件真正实现程序、数据的有效分离。
简化操作手续和减少有关行车人员之间的直接联系，以防止误操作和延迟操作，是提高作业效率的重要途径之一。计算机联锁系统提供了办理列车进路自动化的可能性。为了实现自动排列列车进路，可将每日或几个小时的接发列车计划存入计算机中，然后利用车次报号系统提供的车次号，在列车接近车站的时候从存储的计划表中提取列车应达到的股道信息而自动办理进路；对于发车进路来说，由于涉及到旅客的乘降，货物的装载和发车时刻的变更等因素，排列进路的自动化程度可能要低一些。
计算机联锁系统自身管理功能将比继电集中联锁系统更为完善。。
1.3
计算机联锁系统能否广为使用，关键之一是决定于它的经济上的优越性，或者说决定于它的性能价格要比继电集中联锁系统优越。具有同样规模的微机链锁系统与继电联锁系统相比，目前计算机联锁系统的价格尚高于继电器联锁系统。但随着时间的推移，势必微机联锁的价格接近于继电联锁的价格。
评价微机联锁的经济性能不能仅着眼于设备费，还应看到，由于它体积小和标准化程度高而带来的经济效益。由于系统的高度标准化，便于维护，较大地缩短了改建和修复时间，减少了对运输的影响，其经济效果将是明显的。
顺便指出，在铁路信号领域中采用微电子技术，特别是微机联锁设备的扩大使用，势必引起有关生产、设计和维护管理等部门在技术和管理方面的改革。
3
笔者在认真分析了计算机联锁系统的性能特点以及对故障——安全性的特殊要求基础上，提出了适合于企业自备铁路使用的系统体系结构并实际运用于扬子石化公司二个自备铁路站场(道岔总数量约为80组，属大型编组站场)，该系统被命名为HJ04A铁路信号计算机联锁系统，以下简称HJ04A系统。
3.1
从HJ04A系统的体系结构来看属于二级集散式控制系统(系统结构详见图2)，突破了旧有的集中式信号系统模式，具有模块化、层次化等特点。模块化是指联锁机主模块、PLC及信号结合模块等，层次化是指系统具有操作表示层、联锁运算层、复核驱动层、结合电路层及监控对象层等五个物理层次。这种结构的优点在于可根据车站规模的大小、作业需求的不同，在不改变联锁软件的基础上通过修改站场静态数据并增设相应硬件模块，即可满足系统的扩容要求，先进的控制体系结构结合工艺设计使得系统调试周期与现场施工、开通周期均大为缩短，具有很好的经济与实用性。
2
2.1
由于计算机联锁系统的综合性能远远超过继电联锁系统，因此车站联锁系统由继电装置向计算机联锁系统转化已成为一种不可扭转的趋势。具体来说计算机联锁系统的优势主要表现在适时性、安全性、可靠性、可维护性及性价比等若干方面。
计算机联锁系统是利用目前已有的工业控制计算机，研制一套专用的硬件与软件系统实现信号、进路与道岔间的联锁关系，因此它实质上是一个满足故障——安全信号原则的联锁逻辑运算系统，计算机在系统中的作用是将操作命令与现场各种输入的表示信息读入，再根据计算机内部状态等条件进行逻辑运算，判断后输出控制信息至执行机构，实现多变量数字输入和多变量数字输出这样一个复杂传递函数的变换，图2.1是逻辑运算系统的原理图。
关键词：车站铁路信号；铁道信号；计算机联锁；微机联锁；继电器联锁
引 言
随着铁路运输朝着高密、重载及高速的方向发展，既有的车站铁路信号联锁装置已无法适应铁路信号对可靠性与故障——安全性的更高要求。就技术方面而言，铁路信号系统已经历了机械联锁、电气联锁(继电联锁)等二个阶段，目前在我国干线铁路或企业自备铁路上所使用的联锁系统绝大多数仍为继电联锁系统。70年代末期新型微处理器的出现以及容错理论与技术的逐步完善，激励人们以微型计算机为核心构成计算机联锁系统。
任务之二是用专用电路规范监控设备的测控过程，即包括表示信息采集机制与设备驱动流程。
3.1.5
监控设备是指联锁系统的现场设备，即道岔、信号机与轨道电路。
3.2
目前，国内外进行高可靠系统的容错设计多采用三模静态冗余方案或二模动态冗余方案。其中前者完全是靠硬件冗余来提升可靠性的，后者则不仅使用了硬件冗余资源，同时也使用了故障检测技术与软件冗余资源。这二种方案的共同特点是对硬件故障具有较强的屏蔽与纠错能力。然而这二种方案均存在一定的实现难度与缺陷，三模冗余系统必须实现三模的同步进程及表决器的高可靠设计，尤其需要解决时钟容错的问题;二模动态冗余系统则要求冗余管理机构的高效与可靠性。目前这二类系统的可靠性计算都是在设定表决器或冗余管理机构的可靠度R(t)=1的基础上进行的[3]，同时由于设备直接投资成本过高，因而在非航天、通讯等可靠性要求很高的领域应用不多。
信号联锁系统是一种实时控制系统，它必须是高可靠的，通常继电联锁系统在采取预防性维护措施的前提下其MTBF可达1.3×105h[2](约15年)，采用工业级的控制计算机与容错技术完全可以达到并超出这一指标。
具体来说，对计算机联锁系统而言必须解决两个主要问题。
系统内信息传递的可靠性与安全性：鉴于工业计算机自身不具备故障——安全特性，因此系统内传递的信息也不具备安全性，受各种干扰、辐射以及各类故障的影响，信息畸变在所难免，从而造成逻辑运算错误而可能引发危险侧输出。
基于以上考虑，HJ04A系统的关键技术设计中主要融入了以下思想及技术措施。