atp在高速鐵路中的運用

PAGE目錄TOC\o"1-3"\h\u11652摘要 I1219Abstract II15668第一章引言 129189第二章高鐵自動防護系統(tǒng)（ATP）的工作原理 2120532.1ATP系統(tǒng)概述 2172952.2ATP系統(tǒng)工作原理 2185782.2.1軌旁設備的工作原理 3168722.2.2車載設備工作原理 435122.2.3數(shù)據(jù)通信的工作原理 4204832.3ATP系統(tǒng)的主要功能 4287682.3.1高鐵定位 441592.3.2速度和距離測量 5188622.3.3ATP監(jiān)督功能 5159772.3.4超速防護 5308642.3.5停車點防護 620165第三章ATP系統(tǒng)在高速鐵路中的應用設計 754033.1ATP硬件冗余結構 788083.2二乘三取二冗余結構 8266243.3利用馬爾科夫狀態(tài)圖法建立系統(tǒng)狀態(tài)圖 8254563.4利用狀態(tài)變量分析法求系統(tǒng)可靠度和安全度 1036883.5表決電路的冗余 12286303.6ATP軟件冗余結構 12138203.6.1N-編程技術 13122673.6.2恢復塊技術 13312063.7系統(tǒng)分析及假設 14240133.8系統(tǒng)硬件配置 16289333.9系統(tǒng)軟件設計 1711591結語 2016052致謝 211參考文獻 2117104附錄 23西南交通大學網(wǎng)絡教育畢業(yè)設計（論文）PAGEII摘要在最近幾年的發(fā)展中，中國的鐵路建設和高鐵建設上，都有了長足的進步。人們對于出行的質量和速度要求越來越高，列車運行的高速度和低運行間隔的形式下，鐵路總公司開始了對于相關牽頭的研究和設計。通過歐洲列車運行控制系統(tǒng)的研究，同時也結合中國當下的真實情況，進行中國鐵路的控制系統(tǒng)的制定。通過研究能夠看出，很多設備的制造廠商在生產(chǎn)的時候，都會嚴格的根據(jù)國產(chǎn)的標準來進行。在這種情況下，列車的控制系統(tǒng)本身都是較為嚴謹?shù)?，都能夠穩(wěn)定可靠的進行工作。系統(tǒng)的穩(wěn)定就能夠更為可靠的使得整體的安全性提升很多，在進行相關的維修上，也會更加容易。所以，在高鐵中，ATP系統(tǒng)的研究非常重要。高鐵ATP通常是列車在進行控制的時候，輔助的子系統(tǒng)模式。這種系統(tǒng)通常能夠進行整體控制系統(tǒng)的安全性的保證。同時，對于這個系統(tǒng)的可靠性的研究多好是通過利時系統(tǒng)工程有限公司的邸麗清工程師的觀點來進行的。但是在現(xiàn)在de很多研究方法中，運用這樣的形式進行研究，還是存在一定問題的。在這篇文章的研究中，運用的是西安地鐵2號線來進行研究的。整體的研究也是在無線移動閉塞高鐵自動防護子系統(tǒng)是進行研究的。同時對于軌旁、車載設備和一些系統(tǒng)的主要參數(shù)進行分析。在研究的基礎上也能夠很好的做到對于高鐵安全問題的考慮。ATP是一種高鐵控制系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)，因此，在進行高鐵安全的考慮上至關重要。關鍵詞：高鐵自動防護系統(tǒng)；高速鐵路；應用AbstractInrecentyears,withtheincreasingspeedofrailwayreformandtheconstructionofhigh-speedrailway,inordertomeetthehighspeedandlowrunningintervaloftrainoperationrequirements,therailwaycompanyledbytherelevantrailwayresearchanddesign,universitiesandotherunits,accordingtotheETCS（EuropeanTrainControlSystem,theEuropeantraincontrolsystem）standardaccordingtotheactualsituationofmeinChina,developedasuitablefortheactualsituationofChinaRailwayCTCS（ChineseTrainControlSystem,Chinesetraincontrolsystem）standard.Onthebasisoftheabovestandards,therelatedequipmentmanufacturershavedevelopedthelocalizationofChinesetraincontrolsystemequipment.Chinatraincontrolsystemisasafetycriticalsystem,anditssafeandreliableoperationisofgreatsignificancetoensurethesafetyofrailwaytransportation.Researchonthereliabilityofthetraincontrolsystemishelpfultoguidethedesignandmaintenanceofthetraincontrolsystem,layingthefoundationforthefurtherimprovementofthesystemandtheestablishmentofmaintenancestrategy.HighspeedrailwayATPsystemisasubsystemofthetraincontrolsystem,thereliabilityanalysisofhigh-speedrailwayATPsystemisveryimportanttothereliabilityoftheentiretraincontrolsystem.Researchonreliabilityofhigh-speedrailwayATPsystem,HollysysCo.，LiqingDiengineersproposedamethodcombiningthereliabilityblockdiagramandMarkovprocess.However,theabovemethodisusedtoanalyzethereliabilityofATPsysteminhighspeedrailway.ThispaperismainlyinXi'anMetroLine2onthewirelessmobilehigh-speedautomaticdoorbasedonocclusion（ATP）subsystem,vehicletracksidemainequipmentsystemstructure,mainfunction,systemfunction,workingprincipleanddesignschemeofdatacommunicationnetworktechnology,forthecityrailtransportationchannelhigh-speedrailautomaticprotectionsystemthatisaATPpartoftheautomaticcontrolsystemofhighiron,itsroleistoensurethatthehighironfastrunningsafety.Keywords:highspeedrailwayautomaticprotectionsystem;highspeedrailway;application西南交通大學網(wǎng)絡教育畢業(yè)設計（論文）第3頁第一章引言在現(xiàn)在，中國的很多城市的軌道交通在建設的時候就會自然的運用固定閉塞、準移動閉塞、移動閉塞等三種形式，但是高鐵的自動控制系統(tǒng)中，進行自我防護的形式還有很多不同。在西安的地鐵二號線上，運用的就是ATP的子系統(tǒng)模式。同時在現(xiàn)在的較為先進的無線移動設備中，閉塞制式是最能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整合理交換的主要形式。高鐵的移動過程的一般都需要進行移動的授權，才能夠實現(xiàn)在超速時候的保護，同時還能夠使得高鐵可以在非常小的間隔中運動。通過有一些地面設備或者車載的設備就能夠完成這些要求。一般情況下，高鐵在進行工作的時候，多是運用了地面的接收設備來工作，從而使得高鐵能夠安全穩(wěn)定的運行。所有的高鐵之間想要能夠實現(xiàn)安全穩(wěn)定的運行，就要能夠保持一定的安全距離。Z在一些連鎖車站中，ATP系統(tǒng)僅僅存在一個進路是合理的。這個系統(tǒng)還可以進行車門和站臺封閉問題的研究。通常ATP的工作模式多是把信息進行傳遞，從車上到地面和從地面到車上。運用這樣的方式能夠更好的實現(xiàn)信息的及時流動，從而做到更好的平穩(wěn)運行。中國的技術發(fā)展日新月異，高鐵的整體速度也提升了很多。僅僅依靠地面的信號來進行安全的維護已經(jīng)不能夠滿足安全性能的需求。因此，對于現(xiàn)代化的高鐵來說，能夠實現(xiàn)行車的安全就必須要能夠使得車載信號得到有效的利用。從另一種角度來看，高鐵的自動防護系統(tǒng)本身就是一類速度控制的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠很好的做到對于線路信息的補充。因此，高鐵的自動防護系統(tǒng)對于速度和安全來說非常重要。除了這些，系統(tǒng)的主要運行方式就是通過設備來實現(xiàn)的。ATP系統(tǒng)是為了能夠很好的實現(xiàn)高鐵在全部的區(qū)間中進行車輛速度和線路的設定。對于一些叉路口中還能夠實現(xiàn)限速的問題。第二章高鐵自動防護系統(tǒng)（ATP）的工作原理2.1ATP系統(tǒng)概述ATP是自動高鐵控制（ATC）系統(tǒng)的子系統(tǒng)，針對碰撞、超速以及通過高鐵檢測、高鐵間隔和聯(lián)鎖的其他危害條件，進行故障-安全防護.IEEE1474標準將ATP系統(tǒng)分為車載ATP系統(tǒng)和軌旁ATP系統(tǒng)。車載ATP系統(tǒng)，通常基于二乘二取二或三取二架構安全計算機平臺，在平臺軟件的支持下，主要實現(xiàn)包括測量高鐵速度、高鐵定位、目標點確定、ATP速度曲線計算、模式管理等功能外，還包括主備同步與切換、自檢、版本校驗、日志記錄等。軌旁ATP系統(tǒng)，通?；诙硕《踩嬎銠C平臺，在平臺軟件的支持下，主要實現(xiàn)包括高鐵位置跟蹤、移動授權管理、軌道線路管理、聯(lián)鎖支持等功能外，也同樣包括主備同步與切換、自檢、版本校驗、日志記錄等。2.2ATP系統(tǒng)工作原理圖2.1ATP系統(tǒng)結構圖ATP本身對于高鐵來說是一個極為重要的高特自動防護系統(tǒng)。這個系統(tǒng)最為重要的作用就是在于能夠進行及時的自身防護，同時還能夠使得高鐵可以安全穩(wěn)定的運行。高鐵在進行工作的時候，通常對于設備的要求是較高的，因此這種系統(tǒng)的安全問題，也就是最不可忽視的問題。所以，對于高鐵來說，能夠進行防護系統(tǒng)的研究非常重要。自動防護系統(tǒng)的原理和功能能夠完善，一般存在下面的幾種形式：首先要能夠保證停車的時候是非常安全的。列車在運行的時候，也不能夠出現(xiàn)超速的問題。當高鐵在超過速度的時候，要能夠保證不會超過過于危險的速度。在超過這個速度的時候，也要能夠及時的采取制動的方式。ATP系統(tǒng)在速度上一般都非常特定，當線路很自由的時候，能夠通過的最大速度通常是由高鐵的物理性質決定的。高鐵的速度限制或者臨時的速度問題，都會使得速度出現(xiàn)變化。在ATP系統(tǒng)中通過高鐵相應的狀態(tài)和線路條件，都會有一定的緊急制動方式。因此，高鐵在工作的時候，盡可能的不會出現(xiàn)超出目標的速度才能夠穩(wěn)定運行。把全部的速度問題限制成為曲線的形式，就能夠形成相應的速度距離模式曲線。假設說高鐵在輸出上的指令是有問題的，也就是超過了能夠被允許的最大速度，ATP車載速度就能夠在某種程度上進行報警提示。如果速度超過一定數(shù)值，輸出就會變成最大常用制動的形式。這兩種情況下，列車都能夠在一定時間內達到降速的目的，假設說沒能夠在指定的時間內達到相應的速度，那么就要進行緊急的制動形式。通常高鐵防護系統(tǒng)的速度在出現(xiàn)變化的時候，全部的命令都會通過車載ATP設備和ATP速度命令接收器進行調節(jié)。而車載ATP設備一般是運用阻抗變壓器的模式來實現(xiàn)速度命令輸入軌道的確定。進一步運用速度命令的模式實施信號的研究。研究最為重要的目的就是在于能夠使得依據(jù)命令問題進行相應的減速。ATP速度命令接收器在工作的時候，工作的方式主要是首先把信號和命令放在感應線圈中，進一步運用車載接收單位的方式把信號過濾轉變成為限速信息。然后通過繼電器的方式把信號再次放在帶通濾波器上。系統(tǒng)處理器一般會把信號實施處理，從而使得實際速度得到確認。CPU和控制器多能夠通過接收信號的形式把信號實施重新比較，當發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)超速問題的時候，就會使得車載ATC進行減速控制。2.2.1軌旁設備的工作原理在全部的監(jiān)控器里，一般都要實現(xiàn)指令形式的得到和處理。在了解了所有的障礙物位置之后，就能夠將自動授權的問題有更深入的了解。在這種情況下還能夠實現(xiàn)指令的更新問題。整個工作最后的階段，通常要采取移動閉塞的模式來使得高鐵在可以工作的最小空間里運行。（1）ZC和MicrolokII的工作原理。ZC的主要功能是可以實現(xiàn)微處理器的安全控制器。這種形式在工作的時候，一般能夠運用DCS和很多接口實現(xiàn)相應的聯(lián)系。所有的每個ZC接收臨時限速指令和該控制區(qū)內高鐵發(fā)出的位置信息，根據(jù)所有已知障礙物的位置和預計的交通荷載確定其區(qū)域內所有高鐵的移動授權，并持續(xù)更新和傳輸移動權限指令，通過移動閉塞確保高鐵以最小的運行間隔安全運行。同時ZC也回應相鄰ZC的移動授權申請。（2）高鐵自動監(jiān)控（ATS）。采用冗余結構傳輸命令，在ATP子系統(tǒng)的支持下完成對全線高鐵運行的自動管理和監(jiān)控。（3）數(shù)據(jù)庫存儲單元（DSU）和臨時限速數(shù)據(jù)庫管理。DSU保存所有維護記錄和高鐵運行線路的軌道數(shù)據(jù)。軌道數(shù)據(jù)庫通過離線數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，包括：土建限速信息、身份識別號碼、軌道應答器位置、轉轍機位置、折返位置、其他障礙物的位置等相關線路信息。每個CC和ZC都使用軌道數(shù)據(jù)庫，定期與數(shù)據(jù)庫服務器聯(lián)系，獲取當前正在使用的數(shù)據(jù)庫版本號。如果CC或ZC需要更新數(shù)據(jù)則向數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)出請求，數(shù)據(jù)庫服務器將通過發(fā)送一系列所需的軌道數(shù)據(jù)信息來回應。2.2.2車載設備工作原理車載控制器是在微處理器上的基礎上建立的，里面會存儲與高鐵運行有關的軌道線路數(shù)據(jù)，它是通過與每個子系統(tǒng)的端口連接，來實現(xiàn)高鐵定位、允許速度執(zhí)行、控制模式的管理移動授權這些命令。TP車載設備主要實現(xiàn)以下功能：超速防護，列控車載設備監(jiān)控高鐵在允許速度下運行，監(jiān)控的速度包括動車組構造速度、最大允許速度、進路允許速度、臨時限速等；測速測距功能；應答器信息接收與處理；級間切換，列控車載設備能夠實現(xiàn)C3級和C2級之間的切換，實現(xiàn)跨線運行；防溜功能，列控車載設備在高鐵停車的狀態(tài)下，會對高鐵的不恰當移動進行防護；控車及提示信息顯示功能；數(shù)據(jù)記錄功能。2.2.3數(shù)據(jù)通信的工作原理軌旁骨干網(wǎng)絡是由骨干交換機構成，兩個單獨的單模光纜會交互連接，骨干網(wǎng)采的彈性分組數(shù)據(jù)環(huán)技術將接入交換機連接起來，具有智能化、經(jīng)濟性、高效率和可靠性的優(yōu)點。2.3ATP系統(tǒng)的主要功能ATP子系統(tǒng)主要負責“超速防護”，起保障安全的作用。高鐵自動防護（ATP）子系統(tǒng)，即高鐵運行超速防護或高鐵運行速度監(jiān)督，是保證行車安全、防止高鐵進入前方高鐵占用區(qū)段和防止超速運行的設備，實現(xiàn)高鐵運行安全間隔防護和超速防護。通過ATP子系統(tǒng)檢測高鐵位置并向高鐵傳送ATP信息（目標速度信息或目標距離信息），高鐵收到ATP信息，自動實現(xiàn)速度控制，確保高鐵在目標距離內不超過目標速度的前提下安全運行。2.3.1高鐵定位定位的任務就是確定高鐵在路網(wǎng)中的地理位置。通常，ATP系統(tǒng)都是利用查詢應答器及測速電機和雷達完成高鐵定位的。安裝在線路上某些位置的應答器用于高鐵物理位置的檢測，每個應答器發(fā)送一個包括識別編號（ID）的應答器報文，由高鐵接收。在ATP車載計算機單元的線路數(shù)據(jù)庫里存有應答器的位置，這樣高鐵就知道它在線路上的確切位置。由測速電機和雷達執(zhí)行高鐵位移測量。高鐵定位的誤差來自應答器檢測精度、應答器安裝精度和位移測量精度。

2.3.2速度和距離測量高鐵實際運行速度是施行速度控制的依據(jù)，速度測量的準確性直接影響到速度控制效果。高鐵位置直接關系到高鐵運行的安全，通過確定高鐵的實際位置，才能保證高鐵之間的運間隔，以及能夠在抵達障礙物或限制區(qū)之前停下或減速。高鐵間隔控制是一種既能保證行安全，又能提高運行效率的信號概念。移動閉塞與劃分閉塞分區(qū)、設立防護信號機的固定閉塞不同，移動閉塞的閉塞長度和位置不固定，是隨前行車的位置、后續(xù)高鐵的實際速度及線路參數(shù)（如坡度）不斷改變。ATP子系統(tǒng)能將移動授權限定在前方高鐵尾部后面的安全距離外方停車點，保證高鐵之間的最小安全間隔。無線數(shù)據(jù)通信是移動閉塞實現(xiàn)的基礎。高鐵通過可靠的無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，不間斷地將其標識、位置、車次、高鐵長度、實際速度、制動潛能和運行狀況等信息以無線傳輸方式發(fā)送給軌旁區(qū)域控制器（ZC），ZC根據(jù)來自高鐵的信息計算、確定高鐵的安全行車間隔，并將相關信息通過無線傳輸方式傳遞給高鐵，控制高鐵運行。2.3.3ATP監(jiān)督功能ATP監(jiān)督負責保證高鐵運行的安全。各監(jiān)督功能管理高鐵安全的一個方面，并在它自己的權限內產(chǎn)生緊急制動；所有的監(jiān)督功能，在信號系統(tǒng)范圍內提供了最大可能的高鐵防護。各種監(jiān)督功能之間的操作是獨立的，且同時進行。ATP監(jiān)督包括速度監(jiān)督、方向監(jiān)督、車門監(jiān)督、緊急制動監(jiān)督、后退監(jiān)督、報文監(jiān)督、設備監(jiān)督等。2.3.4超速防護城市軌道交通中的速度限制分為兩種：一種是固定速度限制，如區(qū)間最大允許速度、高鐵最大允許速度；另一種是臨時性的速度限制，例如線路在維修時臨時設置的速度限制。固定限速是在設計階段設置的，ATP車載設備中都儲存著整條線路上的固定限速區(qū)息。ATP子系統(tǒng)根據(jù)固定限速，如區(qū)間最大允許速度（取決于線路參數(shù)）、高鐵最大允許速度（取決于高鐵的物理特性）和臨時限速，如線路在維修時設置的臨時速度，計算常用制動和緊急制動模式曲線，常用制動略低于緊急制度曲線3～5

km/h。當高鐵的實速超越最大允許速度時，ATP車載設備立即發(fā)出報警提示。2.3.5停車點防護停車點有時就是危險點，危險點在任何情況下都是不能越過的，因為這會導致危險情況。例如站內有車時，車站的起點即是必須停車點，在停車點的前方通常還設置一段防護段，ATP系統(tǒng)通過計算得出的緊急制動曲線即以該防護區(qū)段入口點為基礎，保證高鐵不超越入口點。有時也可在入口點處設置一個高鐵滑行速度值（如5km/h），一旦需要，高鐵可在此基礎上加速，或者停在危險點前方。第三章ATP系統(tǒng)在高速鐵路中的應用設計3.1ATP硬件冗余結構常見的ATP硬件冗余結構有雙機熱備、三取二、二乘二取二、二乘三取二。雙機熱備、三取二、二乘二取二的結構如圖3.1所示，二乘三取二的結構如附錄圖3.2所示。圖3.1雙機熱備、三取二、二乘二取二的結構圖雙機熱備是兩個模塊同時工作，互為備用，如果通過故障檢測發(fā)現(xiàn)模塊發(fā)生故障，通過切換裝置，切換到備用模塊工作。三取二結構構成的系統(tǒng)是三個模塊同時工作，三個模塊互為校核，通過表決電路，只要有兩個模塊工作正常，系統(tǒng)就能正常工作，具有故障屏蔽功能，能屏蔽掉一個故障模塊。二乘二取二結構構成的系統(tǒng)采用雙模冗余結構，是一個比較系統(tǒng)，內層是兩個互為校核的模塊，組成一系，只有兩個模塊都正常工作，輸出才能正常，相當于邏輯“與”的關系，外層相同的兩系構成互備結構，與雙擊熱備功能相同，由此可知二乘二取二結構組成的系統(tǒng)是互為校核與互為備用的組合。二乘三取二結構構成的系統(tǒng)同樣采用雙重結構，內層是一個三取二結構，具有表決輸出和故障屏蔽的功能，外層兩系構成互為備用結構，由此可知，二乘三取二結構構成的系統(tǒng)是互為校核互為備用且具有故障屏蔽功能的結構。圖3.2二乘三取二結構圖3.2二乘三取二冗余結構在二乘三取二冗余結構工作過程中，當某一模塊出現(xiàn)了故障，它可以被掩蓋過去，但系統(tǒng)失去了容錯能力，如果不及時修復，那再有一個模塊出現(xiàn)故障，三個輸出就完全不一致了，導致系統(tǒng)只能通過切換到備用機繼續(xù)工作。為了最大程度上避免故障屏蔽飽和，不輕易動用故障切換技術，必須技術檢測出故障并維修，這樣才能提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。3.3利用馬爾科夫狀態(tài)圖法建立系統(tǒng)狀態(tài)圖近年來，國內外在容錯計算機可靠性和安全性性能評估方面的研究較為活躍，目前已有很多成熟的理論和方法，如馬爾科夫狀態(tài)圖法，蒙特卡洛圖法等，可對一些較為復雜的系統(tǒng)作可靠性和安全性分析和評估。使用馬爾科夫分析系統(tǒng)的可靠性和安全性前作如下假設：1.六個模塊完全相同，且連續(xù)工作時間和故障修復時間服從負指數(shù)分布；2.輸出選擇器和比較器完全可靠；3.在任一時刻，不會有兩個或兩個以上的處理模塊同時出現(xiàn)故障；4.開始時，四個處理模塊均正常。由假設1可知，若某模塊在時刻t正常工作，則在發(fā)生故障的概率為（3-1）其中λ為故障率，即單位時間如1h內出現(xiàn)的故障數(shù)。對于很小Δt,該式可簡化為（3-2）考慮到故障檢測檢測率率c,則模塊出現(xiàn)故障且被檢測到的概率為cλΔt，不能被檢測到的概率為同樣若某模塊在時刻t出現(xiàn)故障，則在時被修復的概率為（3-3）其中μ為修復率，即單位時間如1h內修復的故障數(shù)。基于以上假設，在考慮只有一組維修工的情況下，系統(tǒng)馬爾柯夫模型狀態(tài)轉換圖如附錄圖3-5所示。圖3.3二乘三取二馬爾科夫狀態(tài)圖狀態(tài)0：六個模塊均正常工作；狀態(tài)1：只有一個模塊出現(xiàn)可測故障；狀態(tài)2：只有一個模塊出現(xiàn)不可測故障；狀態(tài)3：一個子系統(tǒng)有兩個可測故障，比較輸出不一致，系統(tǒng)停止工作；狀態(tài)4：一個子系統(tǒng)有一個可測故障，另一個子系統(tǒng)有一個不可測故障；狀態(tài)5：每個子系統(tǒng)都有一個可測故障；狀態(tài)6：一個子系統(tǒng)有兩個可測故障，另一個子系統(tǒng)有一個可測故障，比較輸出不一致，系統(tǒng)停止工作；狀態(tài)7：一個子系統(tǒng)有一個可測故障和一個不可測故障，另一個子系統(tǒng)有一個可測故障，比較輸出不一致，系統(tǒng)停止工作；狀態(tài)8：每個子系統(tǒng)都有一個不可測故障；狀態(tài)9：一個子系統(tǒng)有兩個可測故障，另一個子系統(tǒng)有一個不可測故障，比較輸出不一致，系統(tǒng)停止工作；狀態(tài)10：一個子系統(tǒng)有一個可測故障和一個不可測故障，另一個子系統(tǒng)有一個不可測故障，比較輸出不一致，系統(tǒng)停止工作；狀態(tài)11：一個子系統(tǒng)有兩個不可測故障，比較輸出不一致，系統(tǒng)停止工作；狀態(tài)12：一個子系統(tǒng)有兩個不可測故障，另一個子系統(tǒng)有一個不可測故障，通過比較電路兩個子系統(tǒng)輸出不一致，系統(tǒng)停止工作。3.4利用狀態(tài)變量分析法求系統(tǒng)可靠度和安全度狀態(tài)轉移公式為（3-4）其中A為特征矩陣。根據(jù)馬爾科夫狀態(tài)圖可以得到（3-5）公式（4-7）可簡化為：（3-6）公式（4-9）為一階微分方程，兩邊積分得：（3-7）其中為狀態(tài)轉移矩陣。其計算可由如下公式所得：（3-8）根據(jù)凱萊-哈密爾頓定理，式中e0、e1、...、ek-1滿足：（3-9）其中α為矩陣A的特征根。由馬爾科夫狀態(tài)圖可知狀態(tài)0、1、2、4、5、8為可靠工作狀態(tài)，且所有的狀態(tài)都是故障安全的，其可靠度和安全度可表示為：（3-10）（3-11）由上述計算方法，假設系統(tǒng)修復率μ=0.9，故障檢測率c=0.99，利用泰勒級數(shù)計算所得可靠度和安全度數(shù)據(jù)記錄于表3.1和3.2。表3.1二乘三取二冗余下故障率λ對系統(tǒng)可靠度的影響t（h）R（t）（μ=0.9c=0.99）λ=0.001λ=0.0001λ=0.00001λ=0.00000110.99988306050.99998893050.99999889930.9999998900100.99883571290.99989744960.99998988450.99999898981000.98835278760.99898238760.99989973360.999989988310000.88938802600.98987769920.99899867210.9998999777100000.30965931420.90327216490.99003259580.99900031691000000.00000810610.36156759300.90468068690.9900481097從表4-3.1可以看出，二乘三取二冗余結構的可靠度隨時間的增加而逐漸減小，隨單機故障率的降低而增加，和系統(tǒng)經(jīng)過長時間運作后會出現(xiàn)故障的現(xiàn)實情況相符合。表3.2二乘三取二冗余下故障率λ對系統(tǒng)安全度的影響t（h）S（t）（μ=0.9c=0.99）λ=0.001λ=0.0001λ=0.00001λ=0.00000110.99999117650.99999924510.99999992580.9999999927100.99999012900.99999923460.99999992570.99999999261000.99999012870.99999923460.99999992570.999999992610000.99999012870.99999923460.99999992570.9999999926100000.99999012870.99999923460.99999992570.99999999261000000.99999012870.99999923460.99999992570.9999999926從表3.2可已看出，二乘三取二冗余結構具有超高的安全度。同時，由于時間的推移系統(tǒng)可靠度將降低，系統(tǒng)的安全度也將大打折扣，所以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障模塊時要得到及時的修復才能使系統(tǒng)一直處于高安全狀態(tài)。3.5表決電路的冗余表決電路需要有很高的可靠性和安全性，這是顯而易見的。若把表決電路當做單系統(tǒng)看，則它可以有各種硬件冗余結構。實際上，整個系統(tǒng)是表決電路與前面冗余系統(tǒng)的級聯(lián)，系統(tǒng)的可靠度和安全度是兩者的乘積，系統(tǒng)的可靠性和安全性小于表決電路的可靠性和安全性。表決電路不能只檢測故障，也能有效地修復故障。為了使表決電路具有超高的可靠性和安全性，硬件采用集成電路，有效方法是利用FPGA的動態(tài)可重構技術，設計多模冗余，這樣不僅能控制硬件的質量，提高資源利用率，也能通過編程簡化電路并且實現(xiàn)多方面功能。3.6ATP軟件冗余結構前面已提到，容錯技術包含硬件冗余和軟件冗余，任何一種容錯系統(tǒng)體系結構，都離不開軟件。所謂軟件冗余技術主要是指在軟件設計過程中，除完成編寫系統(tǒng)功能本身所需的程序代碼外，為提高系統(tǒng)的性能及可靠性等其他各種特性，而額外增加一些必要的附加的程序代碼技術。在軟件開發(fā)之前，在寫軟件設計規(guī)范時，往往無法預料所有可能的異常情況，讓軟件作出相應的處理。也許設計者壓根就沒有考慮到設備維修、故障檢測等方面的問題?；蚴窃谲浖鲥e時怎么避免錯誤的輸出。常見的有兩種類型的軟件冗余結構，N編程技術和恢復塊技術。3.6.1N-編程技術N-編程技術相當于硬件冗余技術，是在N個CPU上，根據(jù)相同的軟件規(guī)范，編出相互獨立的N個版本，在幾乎相同的起始點執(zhí)行，最后用一個可靠的判決算法來決定程序的輸出。N-版本編程企圖沿襲傳統(tǒng)的N模冗余的硬件容錯概念。在N-版本軟件系統(tǒng)中，每一個模塊都有N個不同的實現(xiàn)。每一種實現(xiàn)用不同的方式完成相同的功能。它們把結果送給表決器，以確定正確的回答，作為模塊的計算結果。理想地，當然希望所有實現(xiàn)給出相同的結果，因而都是正確的。這種系統(tǒng)基于各版本設計的差異性，能夠容許軟件的設計故障。如果這N個版本是運行在不同類型的硬件上，軟件的差異性就能保證，來防止共模故障。因此，N版本的開發(fā)由不同的程序員完成，假定各程序的失敗相互獨立，就像在硬件冗余那樣。3.6.2恢復塊技術一個恢復塊由至少一個一級模塊、一個二級模塊、一個可接受測試模塊和一個例外處理模塊組成。程序開始執(zhí)行一級模塊，再由可接受測試模塊進行可接受測試，如果結果是可接受的，就輸出結果，若結果不可接受則返回執(zhí)行二級模塊，若所有模塊都不可接受則執(zhí)行例外處理模塊，其流程圖如圖3.4所示?；謴蛪K技術對某一個主要模塊編制若干恢復塊，在正常情況下，程序只執(zhí)行主模塊。這里的關鍵技術是檢查點的設置和可接受測試的質量。可接受測試是一個由軟件實現(xiàn)的檢查程序，以檢查由主模塊或恢復塊所產(chǎn)生的結果的差錯。它常常是根據(jù)特定應用的信息，相當于一個可執(zhí)行的軟件斷言。例如用數(shù)學的逆運算來檢查。要檢查一個開平方運算是否正確，只有把結果乘平方看是否得到原操作數(shù)就可以了。我們也看到，恢復塊方法和N-版本方法的區(qū)別并不很大。傳統(tǒng)的恢復塊方法讓各模塊串行執(zhí)行，直到通過可接受測試。現(xiàn)在，恢復塊方法已經(jīng)包括各模塊的并行執(zhí)行。而N-版本方法則在N模硬件上并行執(zhí)行。圖3.4恢復塊技術流程圖3.7系統(tǒng)分析及假設安全計算機是ATP系統(tǒng)的中心，它幾乎和其它所有的模塊相連接，若它發(fā)生細微故障就很可能影響整個系統(tǒng)的正常運作甚至使系統(tǒng)完全癱瘓，因此安全計算機的結構必須采用超高可靠性和安全性的冗余結構，根據(jù)上文的分析，采用二乘三取二結構是最理想的。但相應的，它的資源浪費率也是最高的，價格及維修費用也最昂貴。從圖3.5和圖3.6中可以看出，二乘三取二結構是兩個三取二結構互為備用，并且通過第四章的分析可以知道三取二結構的可靠性要比雙機熱備高，安全性僅次于二乘三取二結構，因此為了簡化系統(tǒng)，不采用而乘三取二結構而采用三取二的冗余結構。如圖3.3所示的安全計算機的功能，開始時，系統(tǒng)通過測速測距模塊確定自身位置及高鐵運行實際速度，并接收從軌旁電路發(fā)來的前方高鐵的位置，通過計算得出兩車的距離，再結合路況與高鐵制動能力得出高鐵運行速度曲線。接著系統(tǒng)再將測得的高鐵實際速度，并與制動速度相比較來控制高鐵的加速、剎車或保持并進行顯示。高鐵制動后影響了實際運行的速度，實際速度和高鐵制動又影響了兩車距離，從而繼續(xù)進行下一次的比較輸出。高鐵實際運行情況如圖3.4所示，高鐵在到達B點前可以不超過最大允許速度的任何速度運行而不會發(fā)生危險，把這段區(qū)域成為自由區(qū)。在AB段中有一個規(guī)定的停車點，高鐵B在到達停車點時速度要降為零，B到停車點間的區(qū)間為控制區(qū)域。在B點到停車點之間，B車的速度要受到制動速度的影響，若大于制動速度則高鐵啟動剎車，小于制動速度則高鐵加速，等于制動速度則高鐵保持。圖3.5ATP系統(tǒng)功能圖圖3.6高鐵實際運行情況圖為了簡化系統(tǒng)，我們根據(jù)圖3.5和圖3.6作如下假設和規(guī)定：檢測輸入為兩車距離和高鐵實際運行速度，忽略其它設備，輸出為四位信號分別代表保持、加速、制動警報、等待輸出；假設A高鐵靜止，不考慮A高鐵運動對AB之間距離的影響；假設高鐵運行在筆直無坡度的路段，即忽略路況對系統(tǒng)的影響；規(guī)定安全區(qū)域的長度為255m，高鐵最大允許速度Vmax=230.4km/h即Vmax=64m/s，制動能力為8m/s2，則控制區(qū)域長度為。3.8系統(tǒng)硬件配置三取二結構有三個子模塊和一個表決電路。三個子模塊對應三個微機，單片機價格便宜并且可以滿足簡化了的ATP系統(tǒng)的設計要求，因此子模塊選用單片機。單個模塊的輸入為10位距離和8位速度，輸出為3位信號加一位等待輸出信號。三個模塊的輸入為并聯(lián)結構，考慮到若三個模塊不同步則即使模塊無故障輸出也會不一致，因此采用同步時鐘的方式，并且若所編程序采用N-編程軟件冗余，程序執(zhí)行時間不一致，則應在程序中加入同步輸出模塊，使得三個模塊能得到相同時刻的輸出。表決電路為單模塊，輸入為每個系統(tǒng)子模塊的4位輸出，輸出為3位信號，其可靠度應比系統(tǒng)子模塊高得多，若用分立門元件搭建則因為引腳多，結構復雜，且無冗余結構而可靠性無法達到標準，因此采用集成電路，最優(yōu)方法是利用FPGA的動態(tài)可重構技術，通過編程來模擬冗余結構，這樣不僅簡化了電路減少出錯的機會，又能構成冗余結構提高電路可靠性。利用AltiumDesignerWinter畫出電路圖如圖3.7所示，P0口及P2.0、P2.1表示10位距離，總長度達1024m，P1口代表8位速度，輸入均為低電平有效，P3.0代表制動報警，P3.1代表保持，P3.2代表加速，P3.3代表計算結束。FPGA三個輸出接LED等，方便觀察系統(tǒng)運行情況，高電平有效。圖3.7模擬電路圖3.9系統(tǒng)軟件設計根據(jù)圖3.1及假設知道，安全區(qū)域為255m，若兩車間隔在此區(qū)域內則不管高鐵B的速度為何都開啟警報。在自由區(qū)內，由于高鐵速度無限制，只要不超過最大允許速度，所以高鐵保持實際運行速度。在控制區(qū)域內，則當高鐵實際速度大于制動速度則高鐵啟動剎車并報警，小于制動速度則高鐵加速，等于制動速度則高鐵保持。開始系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，當被激活后，安全計算機中的三個模塊共同等待接收兩車距離和實際速度，若未受到信號則保持原狀態(tài)輸出為保持。當收到信號后各個子模塊運行自己的程序得到制動距離再與實際運行距離比較得出結果，然后通過表決電路判斷其它模塊是否已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)，若以準備好則進行表決輸出。設制動速度為V實際速度為Vs，則具體流程圖如圖3.8所示。圖3.8程序流程圖由于軟件冗余要求程序有差異性，需要不同的編程人員在無合作的情況下完成，所以只給出了一種程序，見附錄。具有同步輸出功能的表決電路程序如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD-LOGIC-1164.ALL;ENTITYJUDGEISPORT（A,B,C:INSTD-LOGIC-VECTOR(3DOWMTO0）；Y:OUTSTD-LOGIC-VECTOR（3DOWMTO0）)；ENDJUDGE;ARCHITECTURECOMPAREOFJUDGEISBEGINWITHA&B&CSELECTY<='001'WHEN"100110011001"|"100110011000"|"100110011010"|"100110011100"；Y<='001'WHEN"100110001001"|"100110101001"|"100111001001"；Y<='001'WHEN"100010011001"|"101010011001"|"110010011001"；Y<='010'WHEN"101010101010"|"101010101000"|"101010101001"|"101010101100"；Y<='010'WHEN"101010001010"|"101010011010"|"101011001010"；Y<='010'WHEN"100010101010"|"100110101010"|"110010101010"；Y<='100'WHEN"110011001100"|"110011001000"|"110011001001"|"110011001010"；Y<='100'WHEN"110010001100"|"110010011100"|"110010101100"；Y<='100'WHEN"100011001100"|"100111001100"|"101011001100"；Y<='000'WHENOTHERS;ENDCOMPARE;實際完成的作品及功能見附錄。結語在這篇論文中，重點的對于怎樣使得ATP車載系統(tǒng)的可靠性和安全性實現(xiàn)提高等問題進一步分析。本人在研究中取得成績如下：懂得了ATP系統(tǒng)其他形式的冗余技術的基本形式。了解了研究系統(tǒng)可靠性和安全性的方式?？梢暂^為簡單方便的實現(xiàn)這種形式系統(tǒng)的設計。硬件設計方式以及軟件編程的方式有所不同，也有很大提高。從整體的角度來看，畢業(yè)設計最終完成了，本人在進行系統(tǒng)的設定和知識了解的時候，都有了很高的進步。全部這些在某種程度上都會在后期的學習中產(chǎn)生很大的作用。西南交通大學網(wǎng)絡教育畢業(yè)設計（論文）第28頁致謝這次的論文寫作是在老師的幫助下完成的。不管是在選題構思，還是在最后，都是通過老師的不斷指導，才達到最后發(fā)效果。本人的導師知識和學風上面，都是非常具有大家風范的，從他身上學到的知識，讓我受益匪淺。在這里，我表示衷心的感謝。論文的寫作并不是敲敲鍵盤那么簡單的事情，所以，在進行寫作的過程中，不管是在查閱資料，還是在其他方面，我都做出了很多努力和改變。學習對于我們來說應該是永無止境的事情，不能一蹴而就，所以，不管是以后的學習，還是現(xiàn)在的努力，都是我們發(fā)現(xiàn)的目標。沒有認真學習和鉆研，自己就不可能有研究的能力，就不可能有自己的研究，就不會有所收獲和突破。希望這個經(jīng)歷，在今后的學習和生活中能夠繼續(xù)激勵我前進。另外，還要特別感謝我的家人，他們時刻關心我，給我提供了學習的機會，時時刻刻為我鼓勁、為我加油，進而促使我不斷成長和進步。同時，也要感謝寢室的室友以及所有關心我的朋友，感謝他們陪伴我走過了很多美好的時光，在我遇到困難時他們關心我、幫助我。在完成畢業(yè)論文的過程中，很多朋友都給了我無私的幫助和支持，在此表示由衷的謝意！最后，因本人水平有限，論文肯定還有不少不足之處，懇請各位老師批評指正，我希望可以有機會繼續(xù)去完善，我將不斷努力繼續(xù)充實自己。

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