1.绪论
1.1论文研究背景与意义
近年来随着全国人口的日益增长，城市化进程的不断推进，公路，水路，航空等交通运输方式遇到了前所未有的压力，因此一种更高效，节能，环保的运输方式一一轨道交通开始得到越来越多的关注，其形式包括地铁，高铁，磁悬浮列车等。轨道交通作为大容量的交通工具，其安全性直接影响到广大乘客的生命安全。为了保证列车能有组织的、安全的、高效的运行，安全计算机技术在轨道交通信号系统中得到了广泛的应用。信号技术正经历由传统的继电逻辑、模拟电路、分散孤立的控制模式向数字化、网络化、智能化和综合化发展的升级换代的历史转变。高可靠性与安全性的系统始终是信号系统发展的主要方向。其中使用到的安全技术都是人们通过不断的实践经验积累与大量的事故分析的基础上总结而来的。实际上，最开始的安全技术就是从铁路信号系统的设计过程中总结而来的，并且是以铁路发展的历史和当时科学技术水平为背景不断发展进步的川。
1825年世界上出现了第一条铁路英国的托克顿一达林顿铁路(Stockton to Darlington)。当时的列车在夜晚通过车站窗口的蜡烛烛光判断是否停靠站点，但是由于烛光常被风吹灭而经常发生列车冒进停车从而造成与前车相撞的事故。由于事故的发生给乘客的生命财产造成.了巨大的损失，因此为了减少事故的发生，从那时起人们就开始关注铁路系统中的安全
为了解决上述问题，1841年戈雷格里((Gregory)发明了臂板信号机，这个发明使得铁路信号由人工式控制转为机械式自动化的控制。这种信号机白天利用臂板的位置、形状来显示信号，夜间用灯光的颜色和数目来指示列车的运行。虽然机械的使用使得信号机不那么容易受天气的影响而发生故障，但是由于信号机动作的控制系统经常发生故障，在应该发出停车信号时不能发出停车信号，使得列车冒进从而造成了大量的伤亡事故。于是人们开始意识到不管如何提高设备的可靠性，但故障是不可避免的，因此需要设计一种设备在发生故障的情况下也能够使得造成的后果不危害到人们的生命安全，能够具有导向安全侧这种特性的。
随着科技的不断进步，在1869年美国人威廉·罗宾逊( William Robinson)发明了轨道电路，这是铁路信号史上的革命性事件，也是安全计算机发展的前身。轨道电路一直沿用至今，早期的轨道电路都是直流的，主要用于检测列车是否存在于铁轨上，不能用来传输列车本身的运行信息等。于是后来先后发明了工频、音频的轨道电路，使利用钢轨的交变中场传输车地信息成为可能。轨道电路的逻辑和执行单元一般由安全继电器构成，这些安全继电器能够在系统发生故障时借助重力自发的导向安全侧以避免危险事故的发生。但是随着列车输入输出接口数量的增加，由继电器组成的信号系统的缺点也慢慢凸显出来，如配线麻烦、设备体积过大，逻辑难以更改等等。
自从上世纪80年代计算机的发明以来，计算机和网络技术越来越深入到工业、交通、国防以及各种人们的日常生活领域中。安全计算机系统在信号系统中的应用也对整个轨道交通行业产生了巨大的推动作用。微机联锁系统、车地实时通信的实现等等都使得轨道交通中的自动化程度大大提高。使用计算机系统作为控制系统不仅降低了成本，而且增强了系统的功能，缩短了系统的开发周期，还使得系统便于休整与调试，给系统设计和维护带来很事便利。根据国际电工委员会标准IEC61508中规定的安全相关领域中使用的电子信息v:统的具体要求与推荐中可知，现在世界上常用的具有高可靠性和安全性的安全计算机系统主要分为双机热备安全计算机，二乘二取二安全计算机和三取二安全计算机三种[[3]
双机热备安全计算机系统主要由两个硬件结构完全相同的单元组成，它们分别作为工作单元和备用单元，如图1.1所示.两个单元同时工作，运行相同的程序，执行相同的任务，实行定期同步。每个单元都具有故障检测和诊断功能。在运行过程中，两个单元的运行结果不会进行比较。两个单元都有自己独立的输入与输出模块，对相同的信号进行采集、这算与输出。但是，只有工作单元的输出作为实际的输出信号驱动外部的设备，而热备单几的输出会被切换单元挡住，不直接输出。当工作单元的检测模块发现本单元发生故障时，会通知切换单元将热备单元的输出信号直接输出，而本身的输出信号则不输出，从而使得沂;统能够继续安全稳定的运行下去。一般当热备系统发生切换后，发生故障的原工作单元会报警请求修复。若此时热备的系统也发生了故障，那么切换单元会切断所有的输出信号，让整个系统导向安全，进行停机维修。正是由于热备系统的存在，因此双机热备安全计算机具有很高的可靠性与可用性，只要能够及时的发现故障并给予处理，整个系统能够长时间的维持在正常工作的状态中[4]
致谢 4-5
摘要 5-6
ABSTRACT 6
目录 7-9
1. 绪论 9-18
1.1 论文研究背景与意义 9-13
1.2 国内外研究现状 13-16
1.3 论文主要内容与结构安排 16-17
1.4 本章小结 17-18
2. 可靠性与安全性评.............. 18-35
2.1 RAMS指标 18-20
2.2 MTTF与MTBF 20-21
2.3 马尔科夫理论 21-23
2.4 故障树分析 23-27
2.4.1 故障树的构建方法 24
2.4.2 故障树的.............. 24-25
2.4.3 故障树的分析方法 25-27
2.5 避错技术 27-28
2.6 容错技术 28-31
2.6.1 冗余技术 28-29
2.6.2 共因故障 29-31
2.7 故障-安全技术 31
2.8 硬件的可靠性设计方法 31-33
2.9 软件的可靠性设计方法 33
2.10 本章小结 33-35
3. 三种三取二表决结构的.............. 35-46
3.1 三种表决结构分析与建模 35-42
3.1.1 Classic表决模型建模 37-39
3.1.2 Special-1表决模型建模 39-40
3.1.3 Special-2表决模型建模 40-42
3.2 三种表决结构的.............. 42-43
3.3 三种表决结构的.............. 43-45
3.4 本章小结 45-46
4. 安全输出模块的设计与实现 46-62
4.1 安全输出模块的需求分析 46
4.2 输出模块的结构设计 46-47
4.3 各个子模块的详细设计 47-52
4.3.1 处理器模块 47-48
4.3.2 表决模块 48-51
4.3.3 回检模块 51-52
4.4 电路功能与性能测试 52-61
4.4.1 测试环境.............. 52-53
4.4.2 测试过程..............53-61
4.5 本章小结 61-62
6. 结论与展望 75-76
参考文献 76-79
作者简介 79
结论与展望
随着安全计算机在越来越多的工业，交通，能源领域的应用，其安全性与可靠性越来越成为人们关注的焦点。如何设计出具有高可靠性与安全性的安全计算机系统已经成为一个非常重要
