关键词:
云计算
联锁系统
云联锁
冗余结构
数据容错
场景完整性
摘要:
车站联锁设备作为高速铁路信号系统中关键、核心设备,在保障行车安全中发挥着极其重要的作用。同时,它也是铁路信息化、数字化发展的重要的基础设施。目前,计算机联锁系统核心控制部分一般采用专用计算机平台,该平台设计与维护成本较高,且存在联锁运算能力有限、难以动态扩展等问题。而云计算具有计算能力强、扩展性好、通用性强以及性价比高等优点,将云计算引入联锁系统中可以很好地解决计算机联锁系统存在的问题。但是,通用云计算技术并不满足计算机联锁系统最高安全完整性等级(Safety Integrity Level,SIL)的安全性要求。这主要是因为云平台节点数量庞大、网络环境复杂,跨地域部署范围广,存在诸多的不确定性;同时又采用通用计算机作为计算和存储资源,其可靠性和安全性要劣于专用的计算机平台。对于如何设计云联锁系统使其满足SIL4级安全要求,目前的研究中还缺乏有效的理论方法。基于此,本文针对将云计算应用到联锁系统涉及到的安全保障技术开展深入研究,填补我国基于云计算的联锁(云联锁)系统安全保障相关研究领域的空白,从而为云联锁系统的实际应用以及未来在云平台上部署列控中心等其他安全苛求系统奠定坚实基础。论文的主要研究工作和贡献如下:
(1)研究并提出云联锁系统总体结构以及一种基于容错的二取二(2oo2Fault Tolerance)结构的云联锁系统冗余结构安全保障方法。首先,定义了云联锁系统平台中涉及的相关概念,设计了一种云联锁系统总体结构。其次,基于对云联锁系统功能的分析,结合云平台特征,提出了基于虚拟机容错技术的云联锁系统冗余结构。然后,经过对服务器失效因素和云联锁系统冗余结构的工作模式进行分析,建立云服务器故障树模型和基于容错的二取二结构动态故障树的PFH(Probability of a Dangerous Failure Per Hour)量化模型。最后,通过实验对DFT模型进行分析。结果表明:与在云平台中直接应用二乘二取二和三取二冗余结构相比,提出的云联锁2oo2 FT结构可靠性更高、安全性更好。
(2)研究并提出一种云联锁系统的数据容错方法以保障联锁功能的安全性和正确性。首先,对进路控制过程进行分析,以进路控制过程为切入点,采用特征编码方法对联锁进路和输入信息进行编码。然后,采用基于矩阵算法的容错技术来检测联锁运算结果的错误,并通过监控联锁软件的运行来发现云联锁系统的计算错误等问题。接下来,对多节点联锁运算故障进行了分析,提出了针对云联锁系统可能发生的多重故障的故障恢复措施,并进行了详细分析。最后,通过平均危险失效概率进行了定量计算,分析了基于该数据容错方法的云联锁系统的安全性。研究结果显示,与第3章提出的单独采用2oo2 FT结构相比,基于该数据容错方法的2oo2 FT结构具有更高的联锁安全性能,满足联锁系统的SIL4级安全要求。
(3)研究并提出一种针对云联锁系统的基于场景的测试方法,以及针对该测试的完整性评价准则,以保证对云联锁系统进行全面严格的测试,从而保障云联锁系统功能的安全性和正确性。首先,提出了一种测试用例生成方法,建立了基于场景测试方法的结束准则,并对其进行建模,从覆盖度角度对模型进行评价。然后,运用马尔科夫链蒙特卡洛方法进行实例仿真,对影响测试覆盖度的场景有关因素进行分析。实验表明,该方法具有良好的覆盖度,可以通过该测试方法提升云联锁系统功能的安全性。最后,搭建实际的实验环境,验证了云联锁系统的安全性。