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改进的铁路信号安全计算机硬件结构设计与实现
| 论文题名： | 改进的铁路信号安全计算机硬件结构设计与实现 |
| 关键词： | 安全计算机;差异性;结构设计;铁路信号系统;逻辑处理单元 |
| 摘要： | 目前铁路信号系统的发展还是沿用传统的信号设计思路，基于叠加式原则对不同的控制功能增加不同的子系统。这导致整个铁路信号系统的结构复杂，子系统众多。借鉴航空电子系统的发展经验，从独立式结构到IMA(Integrated ModularAvionics，综合模块化航电)结构，趋向综合化、模块化、平台化方向发展，结构复杂的轨道交通信号系统也可以实现精简化。而安全计算机平台作为铁路信号系统中保证系统安全的支撑设备，为了适应简化的轨道交通信号系统的需求，安全计算机平台有必要向通用化、模块化、平台化方向发展。 本论文以轨道交通信号系统为背景，针对目前信号系统结构的缺陷，提出一套优化的信号系统方案，适用于CTCS(Chinese Train Control System，中国列车运行控制系统)和CBTC(Comunication Based Train Control，基于通信的列车控制系统)的地面及车载信号系统。基于这套优化的信号系统方案，提出了以2乘2取2结构为基础的改进的通用安全计算机平台结构。该安全计算机平台分为逻辑处理单元、外部设备管理单元和容错和安全管理单元(Fault Tolerant and SafetyManagement，FTSM)三部分。然后根据IEC61508的相关安全标准和定义，分析安全计算机平台的硬件结构，建立平台的可靠性框图，使用PDS方法计算和分析安全性指标PFH(Average Frequency of a Dangerous Failure Per Hour，每小时危险失效的平均频率)，分析影响PFH值的几个参数:DC(Diagnostic Coverage，诊断覆盖率)、FTSM冗余结构修正因子CMooN、 FTSM失效率。得出在外设个数一定的情况下，FTSM单板失效率应尽可能小;更复杂FTSM冗余结构对PFH减少程度有限，优先选择二取二(1-out-of-2，1oo2)结构;诊断覆盖率DC对PFH影响最大，应尽可能提高诊断覆盖率DC。 论文引入差异性结构设计原则与思想，采用了基于差异性结构设计的逻辑处理单元、外部设备管理单元和FTSM。1oo2结构安全计算机中的一台基于x86架构，另一台基于PowerPC架构。1oo2结构的FTSM中一个基于ARM架构，另一个基于FPGA架构。为了保证安全计算机平台的通信安全，提出了符合EN50129安全标准的通信协议。并且，基于分级诊断原则，采用SPAN(Switched PortAnalyzer，交换端口分析仪)监听技术，实现了外部设备管理单元通信的安全性。 在实验室搭建了安全计算机平台原型样机，由1oo2结构的逻辑处理单元，1oo2结构的外部设备管理单元，以及1oo2结构的FTSM的组成。在原型样机上经过实验测试，FTSM能够实现设计的功能，管理安全计算机各通道。使用SPAN技术，外部设备管理单元能够实现对特定输出信号的反馈监听。 |
| 作者： | 胡华 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 马连川 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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