IPS- 200 計算機聯鎖處理系統

李 奇，徐 曼，裴 標

（卡斯柯信號有限公司，上海）

引言

鐵路運輸在全球范圍內占據了重要的地位，而計算機聯鎖處理系統是鐵路運輸安全的關鍵組成部分。聯鎖處理系統確保了鐵路各個設備之間的正確、安全互動，從而保證了列車和乘客的安全。近年來，隨著科技的進步，許多新的聯鎖處理系統開始出現，其中之一就是本文將要詳細介紹的IPS-200 系統。

1 IPS-200 計算機聯鎖處理系統概述

IPS-200 是一種先進的計算機聯鎖處理系統，專為現代鐵路運輸設計。該系統采用了高度集成的設計，在單獨的安全平臺上處理所有的聯鎖功能，是滿足“故障-安全”的計算機聯鎖處理系統。其核心功能包括但不限于邏輯處理、系統管理、維護診斷、安全控制、通信等。該系統為雙系冗余系統，該系統應用軟件不隨具體應用而變化，通過數據和配置也可達到適應不同項目的需求，其特點具有高可靠性、高效率和易于維護性，使其在許多鐵路系統中得到了廣泛應用。

2 IPS-200 計算機聯鎖處理系統硬件架構

如圖1 所示，IPS-200 的硬件主要有安全運算模塊、通信模塊、電源模塊和人機界面組成，IPS-200 是雙系冗余結構，硬件上還具有單獨的切換單元。

圖1 IPS-200 硬件架構

安全運算模塊是系統的核心，負責執行所有的聯鎖處理，正常運行時，安全運算模塊1 和安全運算模塊2 形成二取二運算關系[1]。通信模塊負責接收和發送消息，通信模塊具備擴展性，當通信網口不足時，可增加通信板卡，由于機籠機械長度限制，目前通信板卡最多支持5 塊。人機界面則提供了用戶與系統交互的手段，可以實時顯示系統的狀態和報警信息。電源模塊為所有模塊板卡提供穩定工作的5 V 直流電源。切換單元用于人工切換雙系的主備關系。安全運算模塊、通信模塊、電源模塊都是獨立板卡，單系所有板卡都工作在同一個機械機籠中通過背板通信，切換單元是單獨裝置，通過CAN 線與雙系背板連接。

3 IPS-200 計算機聯鎖處理系統軟件架構

軟件架構是IPS-200 系統的另一個關鍵組成部分。該系統的軟件架構設計采用了模塊化的方法，使得系統的擴展和維護變得更加容易。軟件模塊包括但不限于安全控制功能、邏輯處理功能、系統管理功能、維護診斷功能。這些模塊之間的通信采用了高效的通信協議，保證了數據傳輸的實時性和準確性。

3.1 安全原理

IPS-200 系統由A、B 雙系和切換單元組成，每一系由兩個安全運算模塊組成，構成二乘二取二系統。單系兩個安全運算模塊獨立運行相同的軟件功能，但操作系統異構，一個安全運算模塊選用DIAB 編譯器運行在一種嵌入式操作系統上，另一個安全運算模塊選用GCC 編譯器運行在另外一種嵌入式操作系統上；兩個安全運算模塊輸入來源一致，提高了輸入數據的安全性，從而降低了危險側故障的概率[2]；兩個安全運算模塊只有在輸出一致的情況下才能繼續運行，否則倒向安側；每個安全運算模塊會檢查自身的關鍵信息，并檢查對方的關鍵信息，只要檢查失敗，該系會導向安全側。

單系內的兩個安全運算模塊分別采用各自的時鐘[3]，通過互相反饋調節實現周期性的時鐘同步。完成時鐘同步后，兩者時鐘的誤差為2/1 000 ms，并時刻監測對方時鐘是否正常。

IPS-200 的安全運算模塊默認設置可重啟，上電時會執行自檢，確認板卡是否正常，不正常則板卡宕機，正常運行后，IPS-200 執行周期性自檢，一旦檢查結果報錯則宕機。

3.2 軟件架構

如圖2 所示，IPS-200 的軟件架構設計分為兩大部分，一部分是應用軟件，另外一部分是安全平臺，應用軟件則囊括了計算聯鎖業務上的所有功能，包括邏輯處理、系統管理、維護診斷等，安全平臺主要提供安全控制和通信功能，其負責安全原理的實現，并集成了多種鐵路安全通信協議，便于IPS-200 系統通過標準協議和外部系統通信。

圖2 軟件架構

（1） 邏輯處理又分為多個模塊，包括邏輯運算、列控接口、鄰站接口、軌旁接口、操作員界面接口、電子執行單元接口、移動閉塞接口、計軸接口、車載接口、地面電子接口，這些模塊負責處理對應業務的輸入輸出功能，并通過邏輯處理計算出業務狀態，其設計特點模塊化、耦合度小、可擴展性強。隨著業務功能越來越多，應用軟件會不斷拓展邏輯和接口功能，到具體站場應用時，一個站場數據通常只需要其中幾個接口，應用軟件根據站場功能的注冊機制應運而生，比如當IPS-200 軟件發現數據中只有列控接口時，IPS-200 的應用軟件只注冊列控接口功能，這樣IPS-200 軟件可以極大的優化內存空間和運行效率。

（2） 系統管理功能主要包括管理系統版本、雙系同步、雙系主備切換、SNTP、IP 浮動切換等功能，IPS-200 是二乘二取二的系統架構，冗余架構是為了提高系統的可用性，那么雙系如何產生主系、備系，以及主備切換邏輯，都需要IPS-200 通過設定判決原則進行管理，比如備系通信狀態更好時，主備系自動發生切換。SNTP 則為系統提供了時間同步功能，便于系統進行Debug 記錄和維護診斷時提供時間依據。IPS-200 對外通信是雙網冗余，通過雙網發送同樣數據很大程度增強了網絡可用性，IP 浮動功能則是在雙網斷網或者單網斷網時，啟動備用網口，再次增強網絡可用性。

（3） 維護診斷功能是系統運行維護中不可或缺的功能，為了精確定位系統運行狀態以及出現故障時的故障原因，IPS-200 在維護功能中設計了全參數追蹤、版本文件查詢、驅動采集碼位監測、外部通信狀態、內部診斷debug 信息、記錄操作員操作和計數、系統運行狀態、機籠人機界面狀態、板卡狀態、板卡溫度、關鍵硬件部件狀態等功能。

安全平臺則主要實現了安全控制和通信功能，為應用軟件提供API 接口，實現和外部系統通過既定的通信協議進行通信。

（1） 安全控制功能主要是實現3.1 章節的安全原理，其他還完成硬件初始化和驅動等。

（2） 通信功能主要實現了安全通信和非安全通信，實現安全通信協議有但不限于RSSP-I、RSSP-II、FSFB2、SACEM 等，非安全通信主要用于維護診斷信息接收和發送，通信功能不但實現了通信協議，其網絡邏輯鏈接還可根據設備冗余特點設計為交叉互聯、雙網直連，分別如圖3、圖4 所示，該設計可通過文件配置，于此同時通信功能實現還對外的通信點播和組播管理。

圖3 網絡邏輯鏈接設計- 交叉互聯

圖4 網絡邏輯鏈接設計- 雙網直連

4 IPS-200 計算機聯鎖處理系統性能分析

我們對IPS-200 系統進行了詳細的性能分析，包括反應時間、可靠性、可維護性等。

4.1 反應時間

IPS-200 系統的反應時間分析從輸入信號到輸出信號所需要的時間。由于IPS-200 系統采用高速處理器和優化算法，應站場數據大小，主周期可配置為150 ms、250 ms、500 ms，當IPS-200 接收到輸入信號后，系統會迅速進行處理，并將輸出信號發送到相應的設備。

關于IPS-200 的系統反應時間，介紹其中一種計算方式是使用新鮮度計算來取代寬恕周期的場景，計算模型如圖5 所示，其中Survival_time 表示IPS-200沒有收到新消息，從而開始使用存儲消息的時間間隔，Round_trip 是傳輸時間，Cyclemain代表系統主周期。因此Round_trip+Survival_time=(cycn-RSN)*Cyclemain+Cyclemain。

圖5 系統反應時間模型

因為系統反應時間SRT=Round_trip+Survival time-T。于是有，SRT= (cycn-RSN)* Cyclemain+ Cyclemain-T。

根據新鮮度計算公式， (cycn-RSN)* Cyclemain-(TSN-LTSN)* Cycleremote

其中，RSN 表示遠端序列號，Cycleremote是遠端設備處理周期，TSN 和LTSN 分別表示傳輸序列號和最后傳輸序列號，F 表示新鮮度值，該值可由用戶設置。

因此由SRT

又因為T≥(TSN-LTSN)* Cycleremote，因此當T=(TSN-LTSN)*Cycleremote時，得到系統反應時間為：

從模型計算可得IPS-200 的系統反應時間取決于系統主周期，而IPS-200系統主周期可配置，因此這個過程非?？?，保證了系統的實時性和可靠性。

4.2 可維護性和可靠性

IPS-200 計算機聯鎖處理系統的維護包括硬件和軟件的維護。硬件維護主要是對系統中的設備進行檢測、更換和維修，以確保其正常運行。軟件維護主要是對系統的應用程序進行修改、升級和優化，以提高系統的性能和穩定性。IPS-200 系統具有運行狀態、指示燈、顯示屏等信息，用于判斷系統是否存在故障；通過測試IPS-200 系統的各個模塊和接口的功能，通過其維護診斷系統可以對系統進行深入的檢測和定位，很快確定故障的位置和原因；IPS-200 系統在運行中，一般都有板卡備件，用于通過替換疑似故障的部件，確定故障是否被排除；IPS-200 系統在運行之前默認配置為可重新啟動，板卡支持熱插拔，通過重新啟動系統或板卡，可排除因軟件或硬件過載導致的故障。

因此IPS-200 系統在出現故障或者異常的情況時，能夠進行及時、有效的檢測、定位和修復，以恢復正常運行的能力。IPS-200 計算機聯鎖處理系統的可維護性是該系統的重要性能指標之一，需要通過有效的維護和故障排除措施，確保系統的穩定性和可靠性。

5 結論

本文對IPS-200 計算機聯鎖處理系統進行了全面的介紹和分析。結果表明，IPS-200 系統具有良好的性能，滿足行業標準。此外，我們還對該系統的能耗進行了分析，結果表明，該系統的能耗較低，符合現代鐵路運輸對環保的要求。該系統具有高可靠性、高效率、易維護等優點，且在真實的鐵路環境中表現出了良好的性能。因此，我們相信IPS-200 系統將成為未來鐵路運輸系統的重要組件。