電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)及安全性分析

劉丹

摘 要 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)正在廣泛的應(yīng)用于各個(gè)部門，鐵道部也不例外。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，能夠使鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)更加安全。由電子執(zhí)行單元與聯(lián)鎖主機(jī)共同構(gòu)成的電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)增強(qiáng)了對聯(lián)鎖主機(jī)與信息模塊之間的信息交換與分析，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)通信協(xié)議，確保其運(yùn)行的安全性。本文通過介紹電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理以及連鎖主機(jī)與控制模塊之間的信息傳輸，提出了電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，并分析了通信協(xié)議設(shè)計(jì)的安全性，為我國電子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng) 通信協(xié)議設(shè)計(jì) 通信協(xié)議安全性

鐵道信號(hào)、信息是鐵路安全運(yùn)輸安全性的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，鐵道部門摒棄了傳統(tǒng)的重力式繼電器，改用全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制鐵道信號(hào)。這種控制方法可以有效縮減鐵道信號(hào)控制室的面積，增強(qiáng)維護(hù)能力，而且施工量也較小。由于其自身的優(yōu)越性，目前大多數(shù)鐵道部門正逐漸將其推廣。但是，電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在信息傳輸?shù)倪^程中具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，必須設(shè)計(jì)相關(guān)的安全通信協(xié)議，保證鐵路信號(hào)可以得到有效的控制。

1 電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

1.1 電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理

1.1.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我國傳統(tǒng)的信號(hào)控制主要是通過6502電子集中聯(lián)鎖系統(tǒng)或者傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制重力繼電器來完成信號(hào)控制，這種控制方法占地面積大，維修難度大，機(jī)械的壽命周期短等。隨著通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，新的電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用全電子化控制，取消了重力繼電器，這將使信號(hào)控制以及數(shù)據(jù)傳輸更加科學(xué)與準(zhǔn)確。

全電子計(jì)算機(jī)作為新的控制系統(tǒng)，其主要利用電子開關(guān)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)以及數(shù)字化技術(shù)對鐵路信號(hào)的控制。全電子計(jì)算機(jī)主要有上位機(jī)，聯(lián)鎖機(jī)和執(zhí)行單元構(gòu)成，其硬件采用了冗余結(jié)構(gòu)形式。電子執(zhí)行單元主要是由信號(hào)、岔道模塊以及其他不同的電子單元構(gòu)成。

1.1.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)工作原理

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要的工作原理是命令-執(zhí)行與信息反饋。電子計(jì)算機(jī)上位機(jī)發(fā)出命令，通過聯(lián)鎖機(jī)將命令信息發(fā)送給電子執(zhí)行單元。電子單元采集室外設(shè)備信息，將信息傳送到聯(lián)鎖機(jī)，聯(lián)鎖機(jī)將設(shè)備信息進(jìn)行處理，發(fā)送到上位機(jī)與顯示存儲(chǔ)上，維修人員通過檢查顯示存儲(chǔ)內(nèi)容，就可以準(zhǔn)確的找到設(shè)備的機(jī)械故障，這樣可以減少工作人員的時(shí)間。

1.2 聯(lián)鎖主機(jī)與控制模塊之間的信息傳輸

控制模塊主要包括信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊以及軌道電路模塊，通過聯(lián)鎖主機(jī)下發(fā)命令控制模塊的運(yùn)行，從而控制整個(gè)鐵路系統(tǒng)。以信號(hào)機(jī)模塊為例，信號(hào)機(jī)模塊向聯(lián)鎖機(jī)上傳17種狀態(tài)信息，連鎖主機(jī)向信號(hào)機(jī)模塊下達(dá)16種命令信息。列車信號(hào)機(jī)模塊有8個(gè)燈位，每個(gè)等位有三種狀態(tài)：滅燈，閃燈，穩(wěn)定燈。如圖1所示。

根據(jù)連鎖機(jī)下達(dá)的命令不同，信號(hào)機(jī)模塊通過命令信息控制不同的燈位，以此來達(dá)到信號(hào)的效應(yīng)，保證列車的安全運(yùn)輸。

2 電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)以及安全性分析

2.1 電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

鐵路系統(tǒng)要求電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)安全性高，安全等級必須達(dá)到SIL4級。這就要求電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)必須采用內(nèi)部封閉式的信息傳輸系統(tǒng)，避免信息在傳輸?shù)倪^程中受到截取或者破壞，因此系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)必須注意其安全性與實(shí)時(shí)性。

在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要關(guān)注重重復(fù)、插入、錯(cuò)序、刪除、損壞、延時(shí)這六種隱患。因此，在設(shè)計(jì)中要充分考慮計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性與負(fù)載能力，保證聯(lián)鎖主機(jī)能夠準(zhǔn)確，及時(shí)的控制三個(gè)子系統(tǒng)，能夠保證從命令下達(dá)到信息執(zhí)行到信息反饋這一周期的時(shí)間不大于250毫秒，保證系統(tǒng)運(yùn)行的及時(shí)性，才能確保運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性。在上位機(jī)與三個(gè)狀態(tài)模塊之間都要設(shè)計(jì)8bit的源地址和16bit的目標(biāo)地址。在上位機(jī)的指令幀上，指令序號(hào)設(shè)為8bit，每完成一個(gè)指令周期，記錄模塊就會(huì)自動(dòng)記錄，指令幀序號(hào)就會(huì)自動(dòng)加一。當(dāng)指令序號(hào)小于上一次的指令序號(hào)，模塊機(jī)就會(huì)將指令序號(hào)錯(cuò)誤的信息發(fā)送于顯示記錄器，機(jī)組維修人員就可以及時(shí)維修指令機(jī)。如果指令序號(hào)和上一次序號(hào)一樣，就說明指令機(jī)在重發(fā)。根據(jù)聯(lián)鎖機(jī)傳遞給各個(gè)模塊的信息量以及幀的大小、長度不同，需要將狀態(tài)幀設(shè)為3bit。此外，為了確保系統(tǒng)的安全性與及時(shí)性，狀態(tài)幀和指令幀都應(yīng)用了復(fù)雜的驗(yàn)證碼。如果一個(gè)模塊一小時(shí)連續(xù)接受一百幀以內(nèi)的錯(cuò)誤驗(yàn)證碼，這個(gè)連鎖系統(tǒng)依舊可以安全運(yùn)行，如果一個(gè)模塊一小時(shí)內(nèi)連續(xù)接收到接收到1千幀的錯(cuò)誤密碼，聯(lián)鎖系統(tǒng)就會(huì)直接輸出安全指令，避免由于錯(cuò)誤驗(yàn)證碼對整個(gè)系統(tǒng)造成的損壞。如果狀態(tài)幀接收到信息實(shí)踐超過了250毫秒，那么就表明出現(xiàn)了通信延遲現(xiàn)象，該數(shù)據(jù)直接被視為無效數(shù)據(jù)。

2.2 電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議安全性分析

如果在鐵路運(yùn)輸過程中，電子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳遞發(fā)生誤傳、延時(shí)甚至信息傳遞錯(cuò)誤等情況，這將直接導(dǎo)致鐵路運(yùn)輸出現(xiàn)安全隱患，嚴(yán)重的情況下將會(huì)威脅人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。在系統(tǒng)信息傳輸?shù)倪^程中，主要導(dǎo)致信息傳輸錯(cuò)誤的有三種情況：

（1）控制器硬件發(fā)生損壞，最常見的損壞部位是隔離光柵和接口芯片。硬件損壞會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)備的參數(shù)的丟失，在沒有參數(shù)的基礎(chǔ)下，信息就無法辨認(rèn)對錯(cuò)，這將導(dǎo)致錯(cuò)誤信息的發(fā)送，影響整體的網(wǎng)絡(luò)的安全。

（2）外部電磁對電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的影響，這要求技術(shù)人員要加強(qiáng)對電子計(jì)算機(jī)的保護(hù)，避免電磁對計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確性形成不利影響。

（3）控制器局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，這就要求技術(shù)人員要積極地應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性與安全性。

3 結(jié)束語

綜上所述，電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)對于信息的傳送有著重要的作用，因此，要加強(qiáng)安全協(xié)議設(shè)的安全性與科學(xué)性。在設(shè)計(jì)的過程中，要保證實(shí)時(shí)性仿真，構(gòu)建科學(xué)的仿真場景以及準(zhǔn)確的分析仿真結(jié)果，從而來確保通信協(xié)議設(shè)計(jì)的科學(xué)性與安全性。

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作者單位

黑龍江工業(yè)學(xué)院 黑龍江省雞西市 158100