atp在高速铁路中的运用

PAGE目录TOC\o"1-3"\h\u11652摘要 I1219Abstract II15668第一章引言 129189第二章高铁自动防护系统（ATP）的工作原理 2120532.1ATP系统概述 2172952.2ATP系统工作原理 2185782.2.1轨旁设备的工作原理 3168722.2.2车载设备工作原理 435122.2.3数据通信的工作原理 4204832.3ATP系统的主要功能 4287682.3.1高铁定位 441592.3.2速度和距离测量 5188622.3.3ATP监督功能 5159772.3.4超速防护 5308642.3.5停车点防护 620165第三章ATP系统在高速铁路中的应用设计 754033.1ATP硬件冗余结构 788083.2二乘三取二冗余结构 8266243.3利用马尔科夫状态图法建立系统状态图 8254563.4利用状态变量分析法求系统可靠度和安全度 1036883.5表决电路的冗余 12286303.6ATP软件冗余结构 12138203.6.1N-编程技术 13122673.6.2恢复块技术 13312063.7系统分析及假设 14240133.8系统硬件配置 16289333.9系统软件设计 1711591结语 2016052致谢 211参考文献 2117104附录 23西南交通大学网络教育毕业设计（论文）PAGEII摘要在最近几年的发展中，中国的铁路建设和高铁建设上，都有了长足的进步。人们对于出行的质量和速度要求越来越高，列车运行的高速度和低运行间隔的形式下，铁路总公司开始了对于相关牵头的研究和设计。通过欧洲列车运行控制系统的研究，同时也结合中国当下的真实情况，进行中国铁路的控制系统的制定。通过研究能够看出，很多设备的制造厂商在生产的时候，都会严格的根据国产的标准来进行。在这种情况下，列车的控制系统本身都是较为严谨的，都能够稳定可靠的进行工作。系统的稳定就能够更为可靠的使得整体的安全性提升很多，在进行相关的维修上，也会更加容易。所以，在高铁中，ATP系统的研究非常重要。高铁ATP通常是列车在进行控制的时候，辅助的子系统模式。这种系统通常能够进行整体控制系统的安全性的保证。同时，对于这个系统的可靠性的研究多好是通过利时系统工程有限公司的邸丽清工程师的观点来进行的。但是在现在de很多研究方法中，运用这样的形式进行研究，还是存在一定问题的。在这篇文章的研究中，运用的是西安地铁2号线来进行研究的。整体的研究也是在无线移动闭塞高铁自动防护子系统是进行研究的。同时对于轨旁、车载设备和一些系统的主要参数进行分析。在研究的基础上也能够很好的做到对于高铁安全问题的考虑。ATP是一种高铁控制系统的主要子系统，因此，在进行高铁安全的考虑上至关重要。关键词：高铁自动防护系统；高速铁路；应用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西南交通大学网络教育毕业设计（论文）第3页第一章引言在现在，中国的很多城市的轨道交通在建设的时候就会自然的运用固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞等三种形式，但是高铁的自动控制系统中，进行自我防护的形式还有很多不同。在西安的地铁二号线上，运用的就是ATP的子系统模式。同时在现在的较为先进的无线移动设备中，闭塞制式是最能够实现数据完整合理交换的主要形式。高铁的移动过程的一般都需要进行移动的授权，才能够实现在超速时候的保护，同时还能够使得高铁可以在非常小的间隔中运动。通过有一些地面设备或者车载的设备就能够完成这些要求。一般情况下，高铁在进行工作的时候，多是运用了地面的接收设备来工作，从而使得高铁能够安全稳定的运行。所有的高铁之间想要能够实现安全稳定的运行，就要能够保持一定的安全距离。Z在一些连锁车站中，ATP系统仅仅存在一个进路是合理的。这个系统还可以进行车门和站台封闭问题的研究。通常ATP的工作模式多是把信息进行传递，从车上到地面和从地面到车上。运用这样的方式能够更好的实现信息的及时流动，从而做到更好的平稳运行。中国的技术发展日新月异，高铁的整体速度也提升了很多。仅仅依靠地面的信号来进行安全的维护已经不能够满足安全性能的需求。因此，对于现代化的高铁来说，能够实现行车的安全就必须要能够使得车载信号得到有效的利用。从另一种角度来看，高铁的自动防护系统本身就是一类速度控制的系统。这种系统能够很好的做到对于线路信息的补充。因此，高铁的自动防护系统对于速度和安全来说非常重要。除了这些，系统的主要运行方式就是通过设备来实现的。ATP系统是为了能够很好的实现高铁在全部的区间中进行车辆速度和线路的设定。对于一些叉路口中还能够实现限速的问题。第二章高铁自动防护系统（ATP）的工作原理2.1ATP系统概述ATP是自动高铁控制（ATC）系统的子系统，针对碰撞、超速以及通过高铁检测、高铁间隔和联锁的其他危害条件，进行故障-安全防护.IEEE1474标准将ATP系统分为车载ATP系统和轨旁ATP系统。车载ATP系统，通常基于二乘二取二或三取二架构安全计算机平台，在平台软件的支持下，主要实现包括测量高铁速度、高铁定位、目标点确定、ATP速度曲线计算、模式管理等功能外，还包括主备同步与切换、自检、版本校验、日志记录等。轨旁ATP系统，通常基于二乘二取二安全计算机平台，在平台软件的支持下，主要实现包括高铁位置跟踪、移动授权管理、轨道线路管理、联锁支持等功能外，也同样包括主备同步与切换、自检、版本校验、日志记录等。2.2ATP系统工作原理图2.1ATP系统结构图ATP本身对于高铁来说是一个极为重要的高特自动防护系统。这个系统最为重要的作用就是在于能够进行及时的自身防护，同时还能够使得高铁可以安全稳定的运行。高铁在进行工作的时候，通常对于设备的要求是较高的，因此这种系统的安全问题，也就是最不可忽视的问题。所以，对于高铁来说，能够进行防护系统的研究非常重要。自动防护系统的原理和功能能够完善，一般存在下面的几种形式：首先要能够保证停车的时候是非常安全的。列车在运行的时候，也不能够出现超速的问题。当高铁在超过速度的时候，要能够保证不会超过过于危险的速度。在超过这个速度的时候，也要能够及时的采取制动的方式。ATP系统在速度上一般都非常特定，当线路很自由的时候，能够通过的最大速度通常是由高铁的物理性质决定的。高铁的速度限制或者临时的速度问题，都会使得速度出现变化。在ATP系统中通过高铁相应的状态和线路条件，都会有一定的紧急制动方式。因此，高铁在工作的时候，尽可能的不会出现超出目标的速度才能够稳定运行。把全部的速度问题限制成为曲线的形式，就能够形成相应的速度距离模式曲线。假设说高铁在输出上的指令是有问题的，也就是超过了能够被允许的最大速度，ATP车载速度就能够在某种程度上进行报警提示。如果速度超过一定数值，输出就会变成最大常用制动的形式。这两种情况下，列车都能够在一定时间内达到降速的目的，假设说没能够在指定的时间内达到相应的速度，那么就要进行紧急的制动形式。通常高铁防护系统的速度在出现变化的时候，全部的命令都会通过车载ATP设备和ATP速度命令接收器进行调节。而车载ATP设备一般是运用阻抗变压器的模式来实现速度命令输入轨道的确定。进一步运用速度命令的模式实施信号的研究。研究最为重要的目的就是在于能够使得依据命令问题进行相应的减速。ATP速度命令接收器在工作的时候，工作的方式主要是首先把信号和命令放在感应线圈中，进一步运用车载接收单位的方式把信号过滤转变成为限速信息。然后通过继电器的方式把信号再次放在带通滤波器上。系统处理器一般会把信号实施处理，从而使得实际速度得到确认。CPU和控制器多能够通过接收信号的形式把信号实施重新比较，当发现出现超速问题的时候，就会使得车载ATC进行减速控制。2.2.1轨旁设备的工作原理在全部的监控器里，一般都要实现指令形式的得到和处理。在了解了所有的障碍物位置之后，就能够将自动授权的问题有更深入的了解。在这种情况下还能够实现指令的更新问题。整个工作最后的阶段，通常要采取移动闭塞的模式来使得高铁在可以工作的最小空间里运行。（1）ZC和MicrolokII的工作原理。ZC的主要功能是可以实现微处理器的安全控制器。这种形式在工作的时候，一般能够运用DCS和很多接口实现相应的联系。所有的每个ZC接收临时限速指令和该控制区内高铁发出的位置信息，根据所有已知障碍物的位置和预计的交通荷载确定其区域内所有高铁的移动授权，并持续更新和传输移动权限指令，通过移动闭塞确保高铁以最小的运行间隔安全运行。同时ZC也回应相邻ZC的移动授权申请。（2）高铁自动监控（ATS）。采用冗余结构传输命令，在ATP子系统的支持下完成对全线高铁运行的自动管理和监控。（3）数据库存储单元（DSU）和临时限速数据库管理。DSU保存所有维护记录和高铁运行线路的轨道数据。轨道数据库通过离线数据库创建，包括：土建限速信息、身份识别号码、轨道应答器位置、转辙机位置、折返位置、其他障碍物的位置等相关线路信息。每个CC和ZC都使用轨道数据库，定期与数据库服务器联系，获取当前正在使用的数据库版本号。如果CC或ZC需要更新数据则向数据库服务器发出请求，数据库服务器将通过发送一系列所需的轨道数据信息来回应。2.2.2车载设备工作原理车载控制器是在微处理器上的基础上建立的，里面会存储与高铁运行有关的轨道线路数据，它是通过与每个子系统的端口连接，来实现高铁定位、允许速度执行、控制模式的管理移动授权这些命令。TP车载设备主要实现以下功能：超速防护，列控车载设备监控高铁在允许速度下运行，监控的速度包括动车组构造速度、最大允许速度、进路允许速度、临时限速等；测速测距功能；应答器信息接收与处理；级间切换，列控车载设备能够实现C3级和C2级之间的切换，实现跨线运行；防溜功能，列控车载设备在高铁停车的状态下，会对高铁的不恰当移动进行防护；控车及提示信息显示功能；数据记录功能。2.2.3数据通信的工作原理轨旁骨干网络是由骨干交换机构成，两个单独的单模光缆会交互连接，骨干网采的弹性分组数据环技术将接入交换机连接起来，具有智能化、经济性、高效率和可靠性的优点。2.3ATP系统的主要功能ATP子系统主要负责“超速防护”，起保障安全的作用。高铁自动防护（ATP）子系统，即高铁运行超速防护或高铁运行速度监督，是保证行车安全、防止高铁进入前方高铁占用区段和防止超速运行的设备，实现高铁运行安全间隔防护和超速防护。通过ATP子系统检测高铁位置并向高铁传送ATP信息（目标速度信息或目标距离信息），高铁收到ATP信息，自动实现速度控制，确保高铁在目标距离内不超过目标速度的前提下安全运行。2.3.1高铁定位定位的任务就是确定高铁在路网中的地理位置。通常，ATP系统都是利用查询应答器及测速电机和雷达完成高铁定位的。安装在线路上某些位置的应答器用于高铁物理位置的检测，每个应答器发送一个包括识别编号（ID）的应答器报文，由高铁接收。在ATP车载计算机单元的线路数据库里存有应答器的位置，这样高铁就知道它在线路上的确切位置。由测速电机和雷达执行高铁位移测量。高铁定位的误差来自应答器检测精度、应答器安装精度和位移测量精度。

2.3.2速度和距离测量高铁实际运行速度是施行速度控制的依据，速度测量的准确性直接影响到速度控制效果。高铁位置直接关系到高铁运行的安全，通过确定高铁的实际位置，才能保证高铁之间的运间隔，以及能够在抵达障碍物或限制区之前停下或减速。高铁间隔控制是一种既能保证行安全，又能提高运行效率的信号概念。移动闭塞与划分闭塞分区、设立防护信号机的固定闭塞不同，移动闭塞的闭塞长度和位置不固定，是随前行车的位置、后续高铁的实际速度及线路参数（如坡度）不断改变。ATP子系统能将移动授权限定在前方高铁尾部后面的安全距离外方停车点，保证高铁之间的最小安全间隔。无线数据通信是移动闭塞实现的基础。高铁通过可靠的无线数据通信网，不间断地将其标识、位置、车次、高铁长度、实际速度、制动潜能和运行状况等信息以无线传输方式发送给轨旁区域控制器（ZC），ZC根据来自高铁的信息计算、确定高铁的安全行车间隔，并将相关信息通过无线传输方式传递给高铁，控制高铁运行。2.3.3ATP监督功能ATP监督负责保证高铁运行的安全。各监督功能管理高铁安全的一个方面，并在它自己的权限内产生紧急制动；所有的监督功能，在信号系统范围内提供了最大可能的高铁防护。各种监督功能之间的操作是独立的，且同时进行。ATP监督包括速度监督、方向监督、车门监督、紧急制动监督、后退监督、报文监督、设备监督等。2.3.4超速防护城市轨道交通中的速度限制分为两种：一种是固定速度限制，如区间最大允许速度、高铁最大允许速度；另一种是临时性的速度限制，例如线路在维修时临时设置的速度限制。固定限速是在设计阶段设置的，ATP车载设备中都储存着整条线路上的固定限速区息。ATP子系统根据固定限速，如区间最大允许速度（取决于线路参数）、高铁最大允许速度（取决于高铁的物理特性）和临时限速，如线路在维修时设置的临时速度，计算常用制动和紧急制动模式曲线，常用制动略低于紧急制度曲线3～5

km/h。当高铁的实速超越最大允许速度时，ATP车载设备立即发出报警提示。2.3.5停车点防护停车点有时就是危险点，危险点在任何情况下都是不能越过的，因为这会导致危险情况。例如站内有车时，车站的起点即是必须停车点，在停车点的前方通常还设置一段防护段，ATP系统通过计算得出的紧急制动曲线即以该防护区段入口点为基础，保证高铁不超越入口点。有时也可在入口点处设置一个高铁滑行速度值（如5km/h），一旦需要，高铁可在此基础上加速，或者停在危险点前方。第三章ATP系统在高速铁路中的应用设计3.1ATP硬件冗余结构常见的ATP硬件冗余结构有双机热备、三取二、二乘二取二、二乘三取二。双机热备、三取二、二乘二取二的结构如图3.1所示，二乘三取二的结构如附录图3.2所示。图3.1双机热备、三取二、二乘二取二的结构图双机热备是两个模块同时工作，互为备用，如果通过故障检测发现模块发生故障，通过切换装置，切换到备用模块工作。三取二结构构成的系统是三个模块同时工作，三个模块互为校核，通过表决电路，只要有两个模块工作正常，系统就能正常工作，具有故障屏蔽功能，能屏蔽掉一个故障模块。二乘二取二结构构成的系统采用双模冗余结构，是一个比较系统，内层是两个互为校核的模块，组成一系，只有两个模块都正常工作，输出才能正常，相当于逻辑“与”的关系，外层相同的两系构成互备结构，与双击热备功能相同，由此可知二乘二取二结构组成的系统是互为校核与互为备用的组合。二乘三取二结构构成的系统同样采用双重结构，内层是一个三取二结构，具有表决输出和故障屏蔽的功能，外层两系构成互为备用结构，由此可知，二乘三取二结构构成的系统是互为校核互为备用且具有故障屏蔽功能的结构。图3.2二乘三取二结构图3.2二乘三取二冗余结构在二乘三取二冗余结构工作过程中，当某一模块出现了故障，它可以被掩盖过去，但系统失去了容错能力，如果不及时修复，那再有一个模块出现故障，三个输出就完全不一致了，导致系统只能通过切换到备用机继续工作。为了最大程度上避免故障屏蔽饱和，不轻易动用故障切换技术，必须技术检测出故障并维修，这样才能提高系统的可靠性和安全性。3.3利用马尔科夫状态图法建立系统状态图近年来，国内外在容错计算机可靠性和安全性性能评估方面的研究较为活跃，目前已有很多成熟的理论和方法，如马尔科夫状态图法，蒙特卡洛图法等，可对一些较为复杂的系统作可靠性和安全性分析和评估。使用马尔科夫分析系统的可靠性和安全性前作如下假设：1.六个模块完全相同，且连续工作时间和故障修复时间服从负指数分布；2.输出选择器和比较器完全可靠；3.在任一时刻，不会有两个或两个以上的处理模块同时出现故障；4.开始时，四个处理模块均正常。由假设1可知，若某模块在时刻t正常工作，则在发生故障的概率为（3-1）其中λ为故障率，即单位时间如1h内出现的故障数。对于很小Δt,该式可简化为（3-2）考虑到故障检测检测率率c,则模块出现故障且被检测到的概率为cλΔt，不能被检测到的概率为同样若某模块在时刻t出现故障，则在时被修复的概率为（3-3）其中μ为修复率，即单位时间如1h内修复的故障数。基于以上假设，在考虑只有一组维修工的情况下，系统马尔柯夫模型状态转换图如附录图3-5所示。图3.3二乘三取二马尔科夫状态图状态0：六个模块均正常工作；状态1：只有一个模块出现可测故障；状态2：只有一个模块出现不可测故障；状态3：一个子系统有两个可测故障，比较输出不一致，系统停止工作；状态4：一个子系统有一个可测故障，另一个子系统有一个不可测故障；状态5：每个子系统都有一个可测故障；状态6：一个子系统有两个可测故障，另一个子系统有一个可测故障，比较输出不一致，系统停止工作；状态7：一个子系统有一个可测故障和一个不可测故障，另一个子系统有一个可测故障，比较输出不一致，系统停止工作；状态8：每个子系统都有一个不可测故障；状态9：一个子系统有两个可测故障，另一个子系统有一个不可测故障，比较输出不一致，系统停止工作；状态10：一个子系统有一个可测故障和一个不可测故障，另一个子系统有一个不可测故障，比较输出不一致，系统停止工作；状态11：一个子系统有两个不可测故障，比较输出不一致，系统停止工作；状态12：一个子系统有两个不可测故障，另一个子系统有一个不可测故障，通过比较电路两个子系统输出不一致，系统停止工作。3.4利用状态变量分析法求系统可靠度和安全度状态转移公式为（3-4）其中A为特征矩阵。根据马尔科夫状态图可以得到（3-5）公式（4-7）可简化为：（3-6）公式（4-9）为一阶微分方程，两边积分得：（3-7）其中为状态转移矩阵。其计算可由如下公式所得：（3-8）根据凯莱-哈密尔顿定理，式中e0、e1、...、ek-1满足：（3-9）其中α为矩阵A的特征根。由马尔科夫状态图可知状态0、1、2、4、5、8为可靠工作状态，且所有的状态都是故障安全的，其可靠度和安全度可表示为：（3-10）（3-11）由上述计算方法，假设系统修复率µ=0.9，故障检测率c=0.99，利用泰勒级数计算所得可靠度和安全度数据记录于表3.1和3.2。表3.1二乘三取二冗余下故障率λ对系统可靠度的影响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从表4-3.1可以看出，二乘三取二冗余结构的可靠度随时间的增加而逐渐减小，随单机故障率的降低而增加，和系统经过长时间运作后会出现故障的现实情况相符合。表3.2二乘三取二冗余下故障率λ对系统安全度的影响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从表3.2可已看出，二乘三取二冗余结构具有超高的安全度。同时，由于时间的推移系统可靠度将降低，系统的安全度也将大打折扣，所以在系统出现故障模块时要得到及时的修复才能使系统一直处于高安全状态。3.5表决电路的冗余表决电路需要有很高的可靠性和安全性，这是显而易见的。若把表决电路当做单系统看，则它可以有各种硬件冗余结构。实际上，整个系统是表决电路与前面冗余系统的级联，系统的可靠度和安全度是两者的乘积，系统的可靠性和安全性小于表决电路的可靠性和安全性。表决电路不能只检测故障，也能有效地修复故障。为了使表决电路具有超高的可靠性和安全性，硬件采用集成电路，有效方法是利用FPGA的动态可重构技术，设计多模冗余，这样不仅能控制硬件的质量，提高资源利用率，也能通过编程简化电路并且实现多方面功能。3.6ATP软件冗余结构前面已提到，容错技术包含硬件冗余和软件冗余，任何一种容错系统体系结构，都离不开软件。所谓软件冗余技术主要是指在软件设计过程中，除完成编写系统功能本身所需的程序代码外，为提高系统的性能及可靠性等其他各种特性，而额外增加一些必要的附加的程序代码技术。在软件开发之前，在写软件设计规范时，往往无法预料所有可能的异常情况，让软件作出相应的处理。也许设计者压根就没有考虑到设备维修、故障检测等方面的问题。或是在软件出错时怎么避免错误的输出。常见的有两种类型的软件冗余结构，N编程技术和恢复块技术。3.6.1N-编程技术N-编程技术相当于硬件冗余技术，是在N个CPU上，根据相同的软件规范，编出相互独立的N个版本，在几乎相同的起始点执行，最后用一个可靠的判决算法来决定程序的输出。N-版本编程企图沿袭传统的N模冗余的硬件容错概念。在N-版本软件系统中，每一个模块都有N个不同的实现。每一种实现用不同的方式完成相同的功能。它们把结果送给表决器，以确定正确的回答，作为模块的计算结果。理想地，当然希望所有实现给出相同的结果，因而都是正确的。这种系统基于各版本设计的差异性，能够容许软件的设计故障。如果这N个版本是运行在不同类型的硬件上，软件的差异性就能保证，来防止共模故障。因此，N版本的开发由不同的程序员完成，假定各程序的失败相互独立，就像在硬件冗余那样。3.6.2恢复块技术一个恢复块由至少一个一级模块、一个二级模块、一个可接受测试模块和一个例外处理模块组成。程序开始执行一级模块，再由可接受测试模块进行可接受测试，如果结果是可接受的，就输出结果，若结果不可接受则返回执行二级模块，若所有模块都不可接受则执行例外处理模块，其流程图如图3.4所示。恢复块技术对某一个主要模块编制若干恢复块，在正常情况下，程序只执行主模块。这里的关键技术是检查点的设置和可接受测试的质量。可接受测试是一个由软件实现的检查程序，以检查由主模块或恢复块所产生的结果的差错。它常常是根据特定应用的信息，相当于一个可执行的软件断言。例如用数学的逆运算来检查。要检查一个开平方运算是否正确，只有把结果乘平方看是否得到原操作数就可以了。我们也看到，恢复块方法和N-版本方法的区别并不很大。传统的恢复块方法让各模块串行执行，直到通过可接受测试。现在，恢复块方法已经包括各模块的并行执行。而N-版本方法则在N模硬件上并行执行。图3.4恢复块技术流程图3.7系统分析及假设安全计算机是ATP系统的中心，它几乎和其它所有的模块相连接，若它发生细微故障就很可能影响整个系统的正常运作甚至使系统完全瘫痪，因此安全计算机的结构必须采用超高可靠性和安全性的冗余结构，根据上文的分析，采用二乘三取二结构是最理想的。但相应的，它的资源浪费率也是最高的，价格及维修费用也最昂贵。从图3.5和图3.6中可以看出，二乘三取二结构是两个三取二结构互为备用，并且通过第四章的分析可以知道三取二结构的可靠性要比双机热备高，安全性仅次于二乘三取二结构，因此为了简化系统，不采用而乘三取二结构而采用三取二的冗余结构。如图3.3所示的安全计算机的功能，开始时，系统通过测速测距模块确定自身位置及高铁运行实际速度，并接收从轨旁电路发来的前方高铁的位置，通过计算得出两车的距离，再结合路况与高铁制动能力得出高铁运行速度曲线。接着系统再将测得的高铁实际速度，并与制动速度相比较来控制高铁的加速、刹车或保持并进行显示。高铁制动后影响了实际运行的速度，实际速度和高铁制动又影响了两车距离，从而继续进行下一次的比较输出。高铁实际运行情况如图3.4所示，高铁在到达B点前可以不超过最大允许速度的任何速度运行而不会发生危险，把这段区域成为自由区。在AB段中有一个规定的停车点，高铁B在到达停车点时速度要降为零，B到停车点间的区间为控制区域。在B点到停车点之间，B车的速度要受到制动速度的影响，若大于制动速度则高铁启动刹车，小于制动速度则高铁加速，等于制动速度则高铁保持。图3.5ATP系统功能图图3.6高铁实际运行情况图为了简化系统，我们根据图3.5和图3.6作如下假设和规定：检测输入为两车距离和高铁实际运行速度，忽略其它设备，输出为四位信号分别代表保持、加速、制动警报、等待输出；假设A高铁静止，不考虑A高铁运动对AB之间距离的影响；假设高铁运行在笔直无坡度的路段，即忽略路况对系统的影响；规定安全区域的长度为255m，高铁最大允许速度Vmax=230.4km/h即Vmax=64m/s，制动能力为8m/s2，则控制区域长度为。3.8系统硬件配置三取二结构有三个子模块和一个表决电路。三个子模块对应三个微机，单片机价格便宜并且可以满足简化了的ATP系统的设计要求，因此子模块选用单片机。单个模块的输入为10位距离和8位速度，输出为3位信号加一位等待输出信号。三个模块的输入为并联结构，考虑到若三个模块不同步则即使模块无故障输出也会不一致，因此采用同步时钟的方式，并且若所编程序采用N-编程软件冗余，程序执行时间不一致，则应在程序中加入同步输出模块，使得三个模块能得到相同时刻的输出。表决电路为单模块，输入为每个系统子模块的4位输出，输出为3位信号，其可靠度应比系统子模块高得多，若用分立门元件搭建则因为引脚多，结构复杂，且无冗余结构而可靠性无法达到标准，因此采用集成电路，最优方法是利用FPGA的动态可重构技术，通过编程来模拟冗余结构，这样不仅简化了电路减少出错的机会，又能构成冗余结构提高电路可靠性。利用AltiumDesignerWinter画出电路图如图3.7所示，P0口及P2.0、P2.1表示10位距离，总长度达1024m，P1口代表8位速度，输入均为低电平有效，P3.0代表制动报警，P3.1代表保持，P3.2代表加速，P3.3代表计算结束。FPGA三个输出接LED等，方便观察系统运行情况，高电平有效。图3.7模拟电路图3.9系统软件设计根据图3.1及假设知道，安全区域为255m，若两车间隔在此区域内则不管高铁B的速度为何都开启警报。在自由区内，由于高铁速度无限制，只要不超过最大允许速度，所以高铁保持实际运行速度。在控制区域内，则当高铁实际速度大于制动速度则高铁启动刹车并报警，小于制动速度则高铁加速，等于制动速度则高铁保持。开始系统处于睡眠状态，当被激活后，安全计算机中的三个模块共同等待接收两车距离和实际速度，若未受到信号则保持原状态输出为保持。当收到信号后各个子模块运行自己的程序得到制动距离再与实际运行距离比较得出结果，然后通过表决电路判断其它模块是否已经准备好数据，若以准备好则进行表决输出。设制动速度为V实际速度为Vs，则具体流程图如图3.8所示。图3.8程序流程图由于软件冗余要求程序有差异性，需要不同的编程人员在无合作的情况下完成，所以只给出了一种程序，见附录。具有同步输出功能的表决电路程序如下：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;实际完成的作品及功能见附录。结语在这篇论文中，重点的对于怎样使得ATP车载系统的可靠性和安全性实现提高等问题进一步分析。本人在研究中取得成绩如下：懂得了ATP系统其他形式的冗余技术的基本形式。了解了研究系统可靠性和安全性的方式。可以较为简单方便的实现这种形式系统的设计。硬件设计方式以及软件编程的方式有所不同，也有很大提高。从整体的角度来看，毕业设计最终完成了，本人在进行系统的设定和知识了解的时候，都有了很高的进步。全部这些在某种程度上都会在后期的学习中产生很大的作用。西南交通大学网络教育毕业设计（论文）第28页致谢这次的论文写作是在老师的帮助下完成的。不管是在选题构思，还是在最后，都是通过老师的不断指导，才达到最后发效果。本人的导师知识和学风上面，都是非常具有大家风范的，从他身上学到的知识，让我受益匪浅。在这里，我表示衷心的感谢。论文的写作并不是敲敲键盘那么简单的事情，所以，在进行写作的过程中，不管是在查阅资料，还是在其他方面，我都做出了很多努力和改变。学习对于我们来说应该是永无止境的事情，不能一蹴而就，所以，不管是以后的学习，还是现在的努力，都是我们发现的目标。没有认真学习和钻研，自己就不可能有研究的能力，就不可能有自己的研究，就不会有所收获和突破。希望这个经历，在今后的学习和生活中能够继续激励我前进。另外，还要特别感谢我的家人，他们时刻关心我，给我提供了学习的机会，时时刻刻为我鼓劲、为我加油，进而促使我不断成长和进步。同时，也要感谢寝室的室友以及所有关心我的朋友，感谢他们陪伴我走过了很多美好的时光，在我遇到困难时他们关心我、帮助我。在完成毕业论文的过程中，很多朋友都给了我无私的帮助和支持，在此表示由衷的谢意！最后，因本人水平有限，论文肯定还有不少不足之处，恳请各位老师批评指正，我希望可以有机会继续去完善，我将不断努力继续充实自己。

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