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铁路信号计算机联锁安全平台设计

添加时间:2019/04/23 来源:兰州交通大学 作者:何境泰
本文以铁路信号计算机联锁系统为应用背景,简要介绍了二乘二取二的安全计算机硬件平台架构、并抽象出联锁软件架构,然后根据软件架构的完成了 Linux 操作系统在PC/104 平台的移植、完成 PC/104 与底层 I/O 通信板的驱动程序设计。
以下为本篇论文正文:

摘 要

  随着我国铁路运输技术的迅速发展,铁路运输安全性也逐步提高,这就对铁路信号联锁控制系统的可靠性和容错性提出了更严格的要求。并且随着计算机技术的日臻成熟,铁路信号联锁控制系统现已进入到计算机联锁阶段。因此开发出具有高可靠性和容错性的铁路信号计算机联锁系统是必要的。并且在计算机联锁系统安全平台设计中,安全计算机平台的结构、操作系统的选择和优化配置以及平台软件设计是整个安全计算机系统能否发挥作用的关键。

  首先,本文根据安全计算机平台的可靠性、安全性、可维护性的需求,简要介绍了二乘二取二安全计算机逻辑结构,接着简要说明了联锁安全计算机的硬件架构和基本配置信息。然后将整个联锁系统的软件架构从上到下分为应用软件层、平台软件层、操作系统层、安全硬件层。其中,平台软件层是课题研究的重点。最后着重提出了操作系统的选择方案和平台软件的功能需求。

  其次,本文先简要描述了 Linux 系统的体系结构和分析了 Linux 系统的启动过程,然后针对平台的硬件配置架构特别是安全计算机的 PC/104 核心板的特点,深入探索和总结出 Linux 嵌入式操作系统移植工作和内核剪裁配置方法,成功进行了 Linux 系统到安全计算机平台移植工作。在此基础上,完成包括控显机通信板、双系通信板、双系切换通信板和电子单元通信板在内的外设 I/O 通信板驱动程序的开发。

  再次,根据铁路信号联锁安全计算机平台层软件的功能需求,详细介绍了一种基于Linux 操作系统的、面向铁路信号联锁安全计算机平台软件设计,完成了软件模块的划分、以及各个模块的详细设计。并设计了一套以时间同步、软件任务级同步、数据同步比较设计等关键技术为核心的平台软件。

  最后,本文对安全计算机系统内核性能、底层驱动、平台软件功能和性能分别进行了充分的测试和仿真,测试仿真结果表明此软件设计能够满足铁路信号联锁系统对安全计算机平台在性能和安全性上的需求。

  关键词:计算机联锁系统;安全平台软件;Linux 系统移植;数据同步;

Abstract

  With the rapid development of railway technology in China, railway transport security is also gradually increasing, which make more stringent requirements for the reliability and fault tolerance of railway signal interlocking control system. As the computer technology has matured, railway signal interlocking control system has entered into the computer interlocking stage now. Therefore, developing a railway signaling computer interlocking system with high reliability and fault tolerance is necessary. In computer interlocking system security platform design, the structure of security computer platform, the selection and configuration of operating system and the platform software realization is the key to deciding wether the entire systerm can working well.

  Firstly, according to the reliability, security, maintainability requirements of security computer platform, this paper describes the double 2-vote-2 security computer platform logic structure, followed by a brief description of the hardware architecture and configuration. Then divided the software structure of the entire interlocking system from top to bottom into the application software layer, the platform software layer, the operating system layer, security hardware layer. Finally highlighted options the operating system and functional requirements of platform software.

  Secondly, this paper briefly describes the architecture of Linux systems and analyses the boot process of Linux system,Then though analyzing the characteristics of the hardware architecture configuration especially the PC/104 core board in security computer platform, this paper take a depth exploration and summes up kernel configuration methods to successfully porting the embedded Linux operating system to secure computer platform. On this basis, It also completes the driver development of the expansion I/O board including display- control computer communication board, primary-spare communication board, primary-spare switch communication board and electronic unit communication board.

  Then, based on the software requirements of of railway signal interlocking security computer platform, this paper discribes the platform software design based on Linux- operating system for railway signal computer interlocking system in details, completes the partitioning of software modules, and each module’s detailed design . And designs a platform software with a set of key technologies, such as time synchronization, task-level synchronization, data synchronization and compare.

  Finally, this paper fully testes and simulates the computer system kernel performance , the underlying driver working, the platform software functionality and performance of security computer systerm, and the results show that the software designed meet the performance and safety requirement of safety computer platform for railway signal interlocking system.

  Key Words: computer interlocking systerm; security platform software; Linux system porting; data synchronization

  随着我国铁路运输技术的迅速发展,铁路运输安全性也逐步提高,这就对铁路信号联锁控制系统的可靠性和容错性提出了更严格的要求。铁路信号控制系统经历了一百多年的发展,经历了机械联锁、机电联锁、和电气集中联锁几个发展阶段后,现已进入到计算机联锁阶段[1]。因此开发出具有高可靠性和容错性的铁路信号计算机联锁系统是必要的。并且随着计算机技术的不断发展,计算机联锁系统的安全性,可靠性,容错性是铁路联锁领域最重要的新技术之一。对于这种直接关系到行车安全和乘客的生命财产安全的计算机系统,不仅要设计出高可靠、高安全的计算机硬件架构,也要从软件的设计方面下手,提高计算机平台软件的可靠性、稳定性,以及故障的自我检测能力,保证系统长时间稳定地运行。因此在铁路信号联锁控制系统中,稳定可靠的计算机安全平台便成了整个系统中的一个重要组成部分。

  用于铁路信号的安全计算机系统是一种安全苛求系统(Safety-critical system),按照欧洲铁路EN50129的标准,其安全完整性等级需要达到SIL(Safety Integrity Level)4级,即要求危险侧出现概率<10-9/h[2]。为了满足这一要求,就需要从硬件冗余安全架构设计、到操作系统的选择和优化配置以及底层通信板的驱动、再到应用层软件开发来实现[3]。

  对于安全计算机系统的硬件架构来说,硬件冗余和容错技术是系统可靠性和安全性的最有效保证,防止单一硬件故障造成的系统失效。另外隔离双网络通信冗余也能保证系统能够高效的进行信号采集和处理以及数据的输入和输出;对于安全计算机系统的软件设计来说,如何优化嵌入式操作系统移植和裁剪以及底层设备驱动程序的开发,开发出以硬件架构为基础的的安全平台软件是软件设计的核心。平台软件将为上层应用程序开发提供服务和支撑[3],是保证整个信号联锁软件正确高效运行的基础。

  本文以铁路信号计算机联锁系统为应用背景,搭建了二乘二取二铁路联锁安全控制计算机的硬件架构,操作系统采用 Linux 嵌入式操作系统,并设计并实现了安全控制计算机平台软件。采用软件任务级同步、时间同步、故障检测等关键技术,构建了稳定的软件平台,为铁路信号联锁系统的上层业务应用程序提供了一种可靠的运行环境。

  安全计算机平台软件技术是紧密伴随着安全计算机硬件架构的发展。从五六十年代开始,人们已经开始关注和研究安全计算机系统的容错技术。在早期使用的双系统的“冷备份”[4],这时的系统虽然可以做到冗余容错,但是系统发生故障时,双机切换的时间较长,并不能称为严格意义上的安全计算机,此时的安全计算机平台软件也不具备“故障-安全”的功能,七十年代后,人们改进了容错方案,把原来的“冷备份”改成“热备份”,此时,如果某个系统发生故障,能够迅速切换到另外一个备份系统,并不会导致整个系统失效,提高了整个系统的可靠性。这种双机热备方案对软件设计与实现提出了更高的要求,此时的安全计算机平台软件主要需要完成两个子系统之间的主备切换功能,保证主系出现故障时,备系能够在规定的时间内完成切换和输出。

  八十年代初人们又提出了硬件容错方案,不仅系统可靠性高,而且运算速度快。在采用容错技术的高可靠性及高安全性系统中,以二乘二取二、三取二安全冗余结构较为普遍,二乘二取二安全冗余架构以其较高的可靠性以及较低的硬件成本成为众多安全计算机系统的首选[5],在安全冗余架构系统中,二乘二取二结构因在安全性和可靠性方面性能突出而在现有铁路信号设备得到广泛地应用,此时的平台软件既要具备同一个二取二系统内部的时间同步、数据同步和表决等功能,又要通过对两系输出数据进行比较得出系统是否发生故障,并且进行自身故障的诊断和对他系系统故障的检测,具备两个二取二系统之间的主备切换功能,提高了整个系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性。

  铁路信号计算机联锁安全平台设计:

测试平台系统结构
测试平台系统结构

系统启动界面
系统启动界面

双 CPU 同步通信测试
双 CPU 同步通信测试

双系同步通信测试
双系同步通信测试

双机同步运行画面
双机同步运行画面

目 录

  摘 要
  Abstract
  1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 安全计算机软件的技术发展现状
    1.3 本文内容及结构安排
  2 安全计算机系统架构
    2.1 二乘二取二安全计算机逻辑结构
    2.2 联锁安全计算机硬件架构
    2.3 联锁安全计算机软件架构
    2.4 本章小结
  3 LINUX 系统移植及底层驱动开发
    3.1 嵌入式 Linux 系统研究
      3.1.1 Linux 操作系统的组成
      3.1.2 Linux 系统启动过程
    3.2 嵌入式 Linux 操作系统在联锁主机上的实现
      3.2.1 内核的裁剪和编译
      3.2.2 根文件系统的建立
      3.2.3 存储设备的准备.2.4 Bootloader 的移植
    3.3 设备驱动程序开发
      3.3.1 Linux 设备驱动程序概述
      3.3.2 CPU 板驱动程序开发
      3.3.3 I/O 通信板驱动程序开发
    3.4 本章小结
  4 联锁平台软件功能模块设计
    4.1 联锁平台软件整体框架
    4.2 模块详细设计
      4.2.1 初始化模块
      4.2.2 联锁任务管理模块
      4.2.3 双 CPU 逻辑控制模块
      4.2.4 双系逻辑控制模块
      4.2.5 切换板通信模块
      4.2.6 电子单元通信模块
      4.2.7 控显机通信模块
      4.2.8 故障检测模块
    4.3 本章小结
  5 软件测试及结果
    5.1 测试平台
    5.2 测试结果
      5.2.1 Linux 系统启动测试
      5.2.2 联锁同步和通信测试
      5.2.3 联锁系统集成测试
    5. 3 本章小结
  6 总结与展望
    6.1 本文主要内容
    6.2 研究展望
  致 谢
  参 考 文 献
  攻读学位期间的学术成果

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