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1、城市轨道交通信号与通信系统 -信号基础设备与通信系统的安全 内容提要内容提要内容提要内容提要1.了解信号与通信系统的基本内容2.掌握故障-安全原理的基本内容3.了解信号安全技术原则信号与通信系统概述信号与通信系统概述信号与通信系统概述信号与通信系统概述 城市轨道交通的特点 轨道交通信号系统的作用 的轨道交通信号系统的发展城市轨道交通通信系统简介故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理故障安全原理基本概念 安全性：在规定的条件下，在规定的时间内，安全性：在规定的条件下，在规定的时间内，系统不陷入危险状态的性能。系统不陷入危险状态的性能。可靠性：系统在给定的条件下，到给定的时刻可靠性
2、：系统在给定的条件下，到给定的时刻t t，不发生故障的概率。，不发生故障的概率。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 故障安全原理基本概念故障：由于错误造成系统的部件或软件或系统丧失必故障：由于错误造成系统的部件或软件或系统丧失必要的功能。要的功能。永久性故障和瞬时性故障。永久性故障和瞬时性故障。确定值故障和非确定值故障。确定值故障和非确定值故障。局部故障和分布式故障局部故障和分布式故障失误：人为的失败和错误。通常指人的错误操作失误：人为的失败和错误。通常指人的错误操作危害：有可能给人类或财产带来不良影响的事情危害：有可能给人类或财产带来不良影响的事情错误：指系统陷入不正常状
3、态或执行非正常操作。错误：指系统陷入不正常状态或执行非正常操作。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 故障安全原理基本概念风险：用来表示危及安全的事件发生频度以及风险：用来表示危及安全的事件发生频度以及事件危害程度的指标。事件危害程度的指标。容错：指一个系统在故障暴露之后仍能提供要容错：指一个系统在故障暴露之后仍能提供要求的功能的存活的属性。求的功能的存活的属性。安全性评估：采用解析或测试的方法，对系统安全性评估：采用解析或测试的方法，对系统的安全性能进行估算和分析，从而对系统的安的安全性能进行估算和分析，从而对系统的安全性能做出定量或定性的评价。全性能做出定量或定性的评价。
4、故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 故障安全原理故障安全系统在发生故障的情况下，能够维持安全状态系统在发生故障的情况下，能够维持安全状态或向安全状态转移。这种与安全相关的系统特或向安全状态转移。这种与安全相关的系统特性就是故障性就是故障- -安全。安全。 在信号系统中常称为故障倒向安全原则。又称在信号系统中常称为故障倒向安全原则。又称F-S (Fail-Safe) F-S (Fail-Safe) 原则。原则。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理故障-安全原理 在继电信号设备中，故障在继电信号设备中，故障- -安全的实现是以具安全的实现是以具有非对称错误特性
5、的信号继电器和闭路原理有非对称错误特性的信号继电器和闭路原理为基础，实现信号设备的整体性的故障为基础，实现信号设备的整体性的故障- -安全。安全。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 故障故障- -安全是一个具有概率特性的概念安全是一个具有概率特性的概念可靠度为百分之百的信号设备是不存在的可靠度为百分之百的信号设备是不存在的危险侧故障和安全侧故障危险侧故障和安全侧故障危险侧故障率相对全故障率小到可以忽略的程危险侧故障率相对全故障率小到可以忽略的程度时，该设备才是故障度时，该设备才是故障- -安全的安全的安全侧故障率也应尽可能的小。安全侧故障率也应尽可能的小。结论：结论：为了实
6、现故障为了实现故障- -安全，危险侧故障率和安全安全，危险侧故障率和安全侧故障率都应该尽可能的小。在此前提下危险侧故障率都应该尽可能的小。在此前提下危险比和非对称错误概率也要足够小。比和非对称错误概率也要足够小。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理n 事故事故 = = 故障故障 危险侧危险侧 n 没有事故没有事故 = = 没有故障没有故障 安全侧安全侧 n 安全性安全性 = = 高可靠性高可靠性 故障安全性故障安全性 故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理n故障安全输入接口故障安全输入接口 l光电隔离技术光电隔离技术l编码输入或过程编码输入或过程故障故障故障故
7、障- -安全原理安全原理安全原理安全原理n故障安全输出接口：由代码故障安全输出接口：由代码动动/ /静态变换电路静态变换电路l软件变换软件变换l硬件变换硬件变换故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理安全性评估-硬件系统的可靠性和安全性评估指标 在定量地考虑系统的可靠性时，一般用平均故障间隔时间MTBF (Mean Time Between Failures)来衡量系统的可靠性。 故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 硬件可靠性的评估依据 系统中若有表决器、比较器、自动转换装置以及系统之间接口电路等模块，则认为它们较微型计算机系统具有更高的可靠性，在计算它们时可
8、对它们的可靠度作为1处理而仅考虑微机系统的可靠性。为了便于不同冗余结构的系统之间进行比较，假定各系统所用的微型计算机的可靠性指标是相同的。 故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理硬件安全性的评估依据 三取二二取二 故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理硬件安全性的评估依据硬件安全性的评估依据 微机第一次发生故障，使得基本的或冗余的信微机第一次发生故障，使得基本的或冗余的信息中出现了错误信息。息中出现了错误信息。在第一次故障尚未被检出期间又发生了第二次在第一次故障尚未被检出期间又发生了第二次故障故障 这两个错误的信息构成了两个相同的、错误的这两个错误的信息构成了两
9、个相同的、错误的有效代码有效代码错误的有效代码是危险侧代码，产生危及行车错误的有效代码是危险侧代码，产生危及行车安全的命令。安全的命令。 只有上述四个条件都存在时才算是出现了危险侧故障只有上述四个条件都存在时才算是出现了危险侧故障 故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 软件系统的可靠性评估 软件可靠性是指软件在所规定的环境条件下和规定的时间内，一直能按需求规格说 明正确地完成任务的能力。软件可靠性的概率度量称为软件可靠度。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理 面向用户的软件可靠度 程序在规定的时间内对一组随机选择的输入数据能给出正确输出的概率； 程序在规定的
10、时间和规定的用户环境中，对一组典型的输入数据，给出正确输出的概率。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理软件安全性评估确定系统及系统中软件的安全性要求。将系统安全性说明中的要求在软件设计及编码中实现。软件需求说明中确定当可能发生安全事故时的系统对策。对软件的安全关键单元进行分析。故障故障故障故障- -安全原理安全原理安全原理安全原理软件安全性评估通过分析、验证，确保软件系统安全性要求的实现，通过分析、验证，确保软件系统安全性要求的实现，验证不存在有损于安全性的单个或多个失效事件，验证不存在有损于安全性的单个或多个失效事件，保证系统的安全性要求不致引起新的危险保证系统的安全性要求
11、不致引起新的危险 编制出的程序不会因为触发危险功能、或阻碍正常编制出的程序不会因为触发危险功能、或阻碍正常功能的执行而使系统处于危险状态。功能的执行而使系统处于危险状态。保证系统中的软件能有效地减少硬件的安全风险保证系统中的软件能有效地减少硬件的安全风险保证对系统进行充分的安全性测试保证对系统进行充分的安全性测试信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 故障-安全计算机系统组成故障-安全计算机输入输出接口 信息传输信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 故障-安全计算机的构成方法非对称性错误特性的元件的构成方法通用的对称性错误特性元件的构成方法采用通用计算机或处理器的构成方法
12、信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 软件的相异性双版本软件双版本软件软件自校验软件自校验数据的相异性数据的相异性硬件的相异性紧密耦合的总线同步方式紧密耦合的总线同步方式时差同步式时差同步式程序同步式程序同步式信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 信号设备微型计算机化的主要特点使用的器件具有非对称性错误特性使用的故障-安全技术设备的功能高速化和智能化设备的抗干扰能力较强信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 硬件安全性技术分类多重化技术高可靠技术故障检测技术电路构成技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 软件安全性技术分类 高可靠技术 故障检测技
13、术 故障屏蔽和恢复技术 人机技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 容错技术-计算机系统中发生的故障分类 硬件故障 软件故障 外界干扰信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 采用容错技术的目的 使系统在发生上述故障的情况下，仍能正确地执行给定的算法、或正确执行预期的操作。信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 避错技术的局限性 目标是减小系统发生故障的概率。目标是减小系统发生故障的概率。 避错技术不可能使故障率减为避错技术不可能使故障率减为0 0 避错技术对故障的处理均由系统外部提供，一避错技术对故障的处理均由系统外部提供，一旦计算机系统发生故障，损失严重旦计算机系统发生故障，损失严重信号安全技术信号安全技术信号安全技术信号安全技术 容错技术的特点容错技术以承认故障的不可避免为前提静态的方法动态的方法小结小结小结小结 小结l城市轨道交通信号系统作用及发展城市轨道交通信号系统作用及发展l继电器的结构及组成继电器的结构及组成l继电器分类继电器分类l继电器原理继电器原理l故障安全原理的概念（安全、故障、失效故障安全原理的概念（安全、故障、失效)l信号系统故障安全的含义信号系统故障安全的含义l信号系统故障安全的内容信号系统故障安全的内容
