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1、2 0 1 3年第 2 2 期 计算机与信息化 两种计算机联锁系统可靠性与安全性分析 一邓 晓云 可靠性和安全性是计算机联锁系统的重要性能指标。本文对计算机 联锁系统这两项指标做 了 介绍，再通过二乘二取二和三取二两种冗余结 构对可靠性和安全性进行计算分析和比较，发现采用不同冗余结构对车 站联锁系统的影响不同，从而为铁路车站计算机联锁控制系统的选型提 供 了技术支持 。 随着铁路的快速发展， 信号设备也得到不断更新。 铁路车站计算机 联锁系统是以计算机技术为核心， 采用通信技术、 可靠性与容错技术以 及 “ 故障一安全”技术实现铁路车站要求的实时控制。目前， 应用的较 广泛的计算机联锁系统有双
2、机热备， 二乘二取二， 三取二系统等。由于 车站计算机联锁控制系统直接关系到列车的运行安全， 其可靠性和安全 性指标是进行系统选型的重要因素， 因此， 对采用不同冗余结构的车站 联锁控制系统的可靠性和安全性进行分析和比较 ， 有着十分重要的现实 意 义。 1 计算机联锁系统的可靠性和安全性 铁路车站计算机联锁控制系统的可靠性是指规定的时间内， 规定的 条件下 ， 系统完成规定功能的概率 ； 而其安全性， 是指衡量系统在发生 故障时不 导致危险侧 输出的能力 ， 两者关系紧密相连。如果系统的可靠 性越高， 其发生故障的概率就越小， 故障发生时产生危险侧输出的概率 也 就越 小 ，则系统的安全性也
3、越高。 通常，系统的可靠性是通过可靠度 R ( c 1 与平均故障间隔时间M T B F 这两个指标来衡量；而系统的安全性则是通过安全度 S ( t ) 指标来描述。 我们假定采用不同冗余结构构成的系统是由相同的单 机系统构成 的， 考虑到车站联锁控制系统中多为电子元器件， 而元器件的失效分布 可视为指数分布， 因此， 令计算机联锁控制系统的单机系统的可靠度为 R ( t ) = e “ ， 式中 为失效率， 则平均故障间隔时间为 一= t ：；同样地，如果用 a 表示单机系统发生的故障为危险侧故障的概率， 系统发生的故障为危险侧的故障的检出率为 8， 其中a 与 8 有关 ， 则系 统的可靠
4、度和安全度之间的关系为 S ( t ) =1 一a 1 一R( 1 ) ； 可见， 系统的可靠性直接影响系统的安全性， 必须将二者有机地结 合起来 ， 在对车站计算机联锁控制系统的可靠性进行分析的基础上分析 其安全性。 2 二乘二取二和三取二系统 计算机联锁系统一般采用冗余结构来提高其可靠性和安全性 ， 其实 质在于增加相同性能的模块， 这些模块从完成系统功能的角度来看是多 余的，但从提高系统运行的可靠性和安全性来看，却是必要的。 ( 1 ) 系统的可靠性冗余结构 计算机联锁系统的可靠性冗余结构， 就是指为了使系统的可靠性指 标达到或者超过目标值而采用的冗余结构。 系统的可靠性冗余结构， 往
5、往采用双机热备二重系统。 ( 2)系统的安全性冗余结构 计算机联锁系统的安全性冗余结构就是指为了使系统的安全性指 标达到或超过目标值而采取的冗余结构， 往往采用双机同时工作并彼此 间进行频繁 比较的二取二二重结构 。 计算机联锁系统既要求有比较高的可靠性指标， 又要求有比较高的 安全性指标， 就是将可靠性与安全性的系统结构结合起来， 形成二乘二 取二和三取二的系统结构。 3 两种计算机联锁系统的可靠陛和安全性分析 由以上系统图和前面分析系统的可靠性和安全性指标计算， 很容易 得到二乘二取二系统和三取二系统 的性能指标 。 采用二乘二取二冗余结构构成的系统的可靠度为 RI =1 一( 1 一R
6、( 1 一R = 2 R 一 ； 其平均故障间隔时间为 f 1 1 3 MT B F 1 =l R1 m d t 一 二 - = 一； J 0 4 2 其发生的故障为危险侧故障的概率为 a 1 = 4 a 2( 1 8) ； 则二乘二取二冗余结构构成的系统的安全度为 s 1 = 1 一a l (1 一R1 )= 1 4 a ( 1 8) ( 1 一 R ) ； 而采用三取二冗余结构构成的系统的可靠度为 R 2=R +3 R ( 1 一 R ) = 3 R 。 一 2 R 3； 其平均故障间隔时间为 r 。 。 、 3 2 5MT B F 2 =I R 2 ( t ) d t = 二一 = 二
7、_； J 0 2 3 6 其发生的故障为危险侧故障的概率为 a 2 = 3 a 2 a ( 1 6)= 6 a ( 1 8) ； 则三取二冗余结构构成的系统的安全度为 S = 1 一a ( 1 一R 2)= 1 6 a 2 ( 1 8) ( 1 - 3 R + 2 R 3 )； 对上面的计算结果进行比较分析， 可以发现不同的冗余结构对车站 计算机联锁控制系统可靠性和安全性的影响是不同的。 由于铁路车站计 算机联锁控制系统所选取的单机系统， 其可靠度指标通常可以达到 R 8 5 ，a 9 5 ， 在这种情况下，三取二冗余结构构成的控 制系统的可靠性， 在可靠度指标和平均故障间隔时间指标上， 都比
8、二乘 二取二结构构成的系统的相应指标要高。 对于安全性指标， 两种控制系 统由于串联结构的引人使系统具有了双机比较检 危险侧故障的功能， 其安全度比单机系统的安全性要高， 而且二乘二取二构成的控制系统优 于三取二构成 的控制系统。 4 结论 综上所述， 通过比较了两种冗余结构的铁路车站计算机联锁控制系 统的可靠性和安全性， 就可靠性而言， 三取二结构的系统优于二乘二取 二结构的系统。 但就安全性而言， 采用二乘二取二结构比三取二结构占 优势。 可见， 不同冗余结构的铁路车站计算机联锁控制系统在可靠性和 安全性方面是各有侧重的。 通过在系统的可靠性和安全眭指标比较分析 得 出的结论 ，为工程人员进行 系统选型提供了技 术支持 ， 但在具体 的选 型过程中，还必须综合考虑系统对可靠性和安全性两方面的具体要求， 根据实际情况进行具体地计算分析和比较，以便作出最合理的选择。 参考文献 1 胡昌华， 许化龙著 控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计 北京：国防工业出版 ， 2 0 0 0 2 王永信 ，喻喜平著 车站信号自动控制 北京：中国铁道出版 社， 2 0 0 7 3 赵志熙等著，计算机联锁系统技术 北京：中国铁道出版社， 1 9 9 9 ( 作者单位 ：柳州铁道职业技术学院) 作者简介：邓晓云，工作单位：柳州铁道职业技术学院，职务：教师，主要研究方向：铁路通信信号。 2 2
