计算机联锁系统冗余技术及应用研究

摘要

计算机联锁系统保持长期安全可靠运行对于铁路安全稳定运行至关重要，冗余技术是提高系统可靠性的主要手段，因此研究计算机联锁系统冗余技术具有重要意义。在主流冗余结构中，二乘二取二以其高可靠性和高安全性被广泛应用于国内外计算机联锁系统，但其核心技术被国外掌握，国内对基于该结构下的维护策略、冗余通信、联锁软件冗余等问题的研究仍显不足。为了获得更高的可靠性和安全性，本文针对二乘二取二计算机联锁系统展开研究。
　　基于二乘二取二维护策略（SⅠ:Strategy Ⅰ）提出了两种优化维护策略（SⅡ和SⅢ）。第一种优化维护策略对于子系统发生单模可测故障时，如果子系统至少存在一个正常工作模块，则选择让子系统继续工作，在保证系统正常运行情况下牺牲一部分安全性获得更高可靠性。第二种优化维护策略对于主机发生单模可测故障且备机处于正常状态时，则选择让主机剩余模块工作来代替主备切换，在提高系统可靠性的同时减少了切换次数，避免了系统因故障进行频繁切换导致切换振荡的问题。仿真结果表明优化后二乘二取二具有更好冗余性能。
　　为了解决因联锁数据量增大出现传输延迟、丢包和网络拥塞等问题，以光纤双环网络为核心，搭建了对“单环”和“双环”断网故障具备自检测、自修复功能的分布式传输网络，相较于传统冗余通信方式获得了更高的数据传输可靠性。在分布式传输网络基础上，提出了一种UDS（UDP-based Data Synchronize Protocol）分布式数据同步协议，将单个数据同步周期分成若干时间片，分别分配给发送任务和重发任务，发送端按时间片轮转执行发送和重发，接收端周期性反馈发送端重传请求。通过理论推导证明了UDS对网络拥塞的良好控制。通过对实验数据分析，验证了UDS对网络拥塞控制力的改善作用。
　　针对联锁软件故障诊断、主备同步、主备切换存在不可靠问题，结合优化后的二乘二取二平台和冗余通信，设计了一种二乘二取二冗余管理仿真系统，该系统建立了故障诊断和修复机制，利用状态探测机制保证了主备状态准确同步，基于冗余状态迁移模型实现了主备切换平稳过渡。在实验环境中搭建了仿真测试平台，对系统进行了功能测试，结果表明系统实现了对数据、进程、联锁机的多级冗余，提高了计算机联锁系统的冗余性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2国内外计算机联锁系统研究现状

1.3本文的主要内容及章节安排

第2章 冗余技术及评价指标

2.1常见冗余技术

2.2可靠性和安全性评价指标

2.3系统可靠性分析方法

2.4本章小结

第3章 二乘二取二优化结构研究

3.1基本假设

3.2二乘二取二性能分析

3.3二乘二取二优化策略研究

3.4 2V2-SII性能分析

3.5 2V2-SIII性能分析

3.6对比研究

3.7本章小结

第4章 分布式冗余网络及数据同步机制

4.1计算机联锁系统通信特点

4.2分布式通信网络的搭建

4.3分布式网络数据同步机制的研究

4.4本章小结

第5章 二乘二取二冗余管理仿真系统

5.1系统总体设计

5.2故障诊断与修复技术

5.3主备结构常见问题及优化策略

5.4系统仿真测试

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目