一种基于五取三架构的铁路信号安全云平台的制作方法

本发明属于铁路信号控制，具体涉及一种基于五取三架构的铁路信号安全云平台。

背景技术：

1、铁路信号系统的主要任务是保证行车安全，提供信息服务，提高运输效率。运输业的发展对铁路运输提出了更安全、更高效、更多样的要求，因此铁路信号系统向功能先进、基于通用硬件的计算机控制系统的过渡是必然趋势，同时云计算技术的飞速发展使基于云平台的控制系统在铁路信号中的广泛应用成为可能。

2、目前传统铁路信号安全平台，主要存在以下劣势：一是，硬件种类多、维护成本高。在传统的铁路信号安全平台中，通常需要针对不同功能设计实现相应的平台结构，因此一个完整的铁路信号系统可能由几种安全平台共同叠加构成，安全计算机硬件与较多种类、数量的设备之间接口增加了维护成本。同时，系统结构的复杂化也降低了铁路信号系统的平均故障间隔时间mtbf(mean time between failures)。二是，灵活性较差。各子系统之间较为封闭，各自拥有独立开发环境、管理工具、存储形式，无法实现资源共享，无论是从开发角度还是管理维护角度，都较为繁杂，且当设备需要维护或更新时，将导致系统的一部分功能失效和应用服务中断。三是，无法扩展。既有铁路信号系统依据前期需求规划进行部署，且专设专用，一旦施工完成投入运营，难以增加新的接口或新的设备以对当前系统进行扩展。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于五取三架构的铁路信号安全云平台，实现了基于云计算的铁路信号安全平台。

2、本发明提供的一种基于五取三架构的铁路信号安全云平台，包括操作表示层、逻辑处理层和安全层；安全层接收到来自其它铁路信号系统的应用信息后对其进行安全协议解析得到解析结果，再将解析结果发送至逻辑处理层的所有节点，逻辑处理层对解析结果进行逻辑运算得到输出数据并将输出数据发送至安全层，安全层在规定的周期内对逻辑处理层的输出数据进行五取三一致性比较和安全协议的封装后发送至对应的其它铁路信号系统和操作表示层；

3、所述操作表示层包含运行人机交互系统的第一服务器集群及运行维护系统的第二服务器集群，所述人机交互系统用于为操作人员提供车站及列车相关操作的人机交互界面，所述维护系统用于记录信号员的所有操作、相关站场设备状态及报警信息；

4、所述逻辑处理层包含五个第三服务器集群，所有第三服务器集群具有相同的硬件结构及功能，第三服务器集群均作为五取三架构的一个节点；

5、所述安全层由基于2×2oo2安全冗余架构的具有sil4级安全完整性等级的比较单元构成，用于实现数据的一致性比较和安全协议的解析。

6、进一步地，所述人机交互系统为单个车站、多个车站、调度集中系统或列车调度指挥系统中的人机交互系统。

7、进一步地，所述控制车站及列车相关操作包括指挥车站作业、控制车站信号设备、监控信号设备工作状态、调度列车及下达行车计划。

8、进一步地，所述节点为ice61508中表示能够独立完成相同功能的通道结构中的通道。

9、进一步地，所述比较单元由双系组成，每一系的功能板卡包括安全完整性等级为sil4级的安全计算单元板和安全完整性等级为sil0级的以太网接口板；

10、所述安全计算单元板，负责对所有服务器集群节点的输出数据进行五取三一致性比较，及对云平台所承载的应用与其它铁路信号系统交互信息的安全协议运算；所述安全计算单元板为双cpu板，cpu-1与cpu-2各自进行上述五取三一致性比较和安全协议运算，在运算结果的输入或输出时进行时序同步和安全比较；

11、所述以太网接口板为单cpu板，用于提供eth接口功能，实现以太网接口的传输层与物理层。

12、进一步地，所述比较单元中设定有五个比较信息缓存，分别为cmpbuf1、cmpbuf2、cmpbuf3、cmpbuf4及cmpbuf5，同时还设定有五个比较一致计数，分别为cnt1、cnt2、cnt3、cnt4、cnt5；

13、当五个节点均正常工作时，比较单元将收到五份节点信息，处理第一份节点信息时，将节点信息存入cmpbuf1，并将cnt1置为1；处理第二份节点信息时与比cmpbuf1中的节点信息进行比较，若一致则丢弃第二份节点信息并将cnt1置为2，若不一致则将第二份节点信息存入cmpbuf2并将cnt2置为1；处理第三份节点信息时与比cmpbuf1和cmpbuf2中的节点信息进行比较，若一致则丢弃第三份节点信息并将对应的cnt1或cnt2加1，若不一致则将第三份节点信息存入cmpbuf3并将cnt3置为1；对于第四、五份节点信息的处理与第三份节点信息相同；当某个比较一致计数达到3时，允许将对应的节点信息对外输出。

14、进一步地，所述比较单元中节点信息的有效时间为两个比较单元的运行周期。

15、进一步地，所述逻辑处理层中的每个节点在任意时刻都属于主控状态、从属状态、联机状态中的一种；

16、节点初始启动时进入从属状态，从属节点在等待主控节点心跳超时后，其节点状态变为联机状态，在增加自身的状态序列号后向其它节点发出升主请求；

17、若联机状态的节点发现系统中已经存在主控状态的节点，或存在拥有更大的状态序列号的节点，则将自身状态变为从属状态；

18、其它节点接收到升主请求后，若针对该状态序列号还未做过升主应答且该状态序列号大于本地状态序列号，则回复升主应答并增加自身的状态序列号与收到的状态序列号一致，否则不发送升主应答；

19、若联机状态的节点接收到的升主应答数量超过阈值则将自身状态变为主控状态，并向其它节点发送主控心跳，其它节点收到主控心跳后变为或保持从属状态；若在升主超时时间内未超过阈值则不向其它节点发送主控心跳，其它节点接收主控心跳超时后联机状态的节点发起新一轮的升主请求；

20、主控节点若发现系统中存在拥有更大状态序列号的节点，则由主控状态变为从属状态。

21、进一步地，所述主控节点心跳超时的时间及升主超时时间均为随机设定的时间。

22、进一步地，所述节点均生成本地时钟信息，并发送至其它节点，当接收到其它节点的时钟信息后与本地时钟信息进行比较，若偏差值的绝对值大于设定的偏差阈值则将偏差值置为0，计算本地时钟信息与所有其它节点时钟信息的偏差值的平均值，再将平均值增加到本地时钟值上；若节点与超过半数节点的时钟偏差的绝对值均大于偏差阈值，则该节点将本地时钟重置为正常节点时钟的平均值。

23、有益效果：

24、本发明基于云计算技术构建了五取三架构下的铁路信号安全平台，结合了云计算的特征使铁路信号安全平台具有可扩展性和灵活性，使得计算资源不再受时间和空间的限制，为铁路信号系统的数字化、一体化、智能化提供了技术发展的基础和动力。

技术特征：

1.一种基于五取三架构的铁路信号安全云平台，其特征在于，包括操作表示层、逻辑处理层和安全层；安全层接收到来自其它铁路信号系统的应用信息后对其进行安全协议解析得到解析结果，再将解析结果发送至逻辑处理层的所有节点，逻辑处理层对解析结果进行逻辑运算得到输出数据并将输出数据发送至安全层，安全层在规定的周期内对逻辑处理层的输出数据进行五取三一致性比较和安全协议的封装后发送至对应的其它铁路信号系统和操作表示层；

2.根据权利要求1所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述人机交互系统为单个车站、多个车站、调度集中系统或列车调度指挥系统中的人机交互系统。

3.根据权利要求1所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述控制车站及列车相关操作包括指挥车站作业、控制车站信号设备、监控信号设备工作状态、调度列车及下达行车计划。

4.根据权利要求1所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述节点为ice61508中表示能够独立完成相同功能的通道结构中的通道。

5.根据权利要求1所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述比较单元由双系组成，每一系的功能板卡包括安全完整性等级为sil4级的安全计算单元板和安全完整性等级为sil0级的以太网接口板；

6.根据权利要求5所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述比较单元中设定有五个比较信息缓存，分别为cmpbuf1、cmpbuf2、cmpbuf3、cmpbuf4及cmpbuf5，同时还设定有五个比较一致计数，分别为cnt1、cnt2、cnt3、cnt4、cnt5；

7.根据权利要求6所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述比较单元中节点信息的有效时间为两个比较单元的运行周期。

8.根据权利要求1所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述逻辑处理层中的每个节点在任意时刻都属于主控状态、从属状态、联机状态中的一种；

9.根据权利要求8所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述主控节点心跳超时的时间及升主超时时间均为随机设定的时间。

10.根据权利要求1所述的铁路信号安全云平台，其特征在于，所述节点均生成本地时钟信息，并发送至其它节点，当接收到其它节点的时钟信息后与本地时钟信息进行比较，若偏差值的绝对值大于设定的偏差阈值则将偏差值置为0，计算本地时钟信息与所有其它节点时钟信息的偏差值的平均值，再将平均值增加到本地时钟值上；若节点与超过半数节点的时钟偏差的绝对值均大于偏差阈值，则该节点将本地时钟重置为正常节点时钟的平均值。

技术总结
本发明公开了一种基于五取三架构的铁路信号安全云平台，基于云计算技术构建了五取三架构下的铁路信号安全平台，结合了云计算的特征使铁路信号安全平台具有可扩展性和灵活性，使得计算资源不再受时间和空间的限制，为铁路信号系统的数字化、一体化、智能化提供了技术发展的基础和动力。

技术研发人员：魏东冬,孔嘉铖,白帅,何志彬,梁志国,王龙生,刘逸明,张浩,于健洁,许镇,郭亮,贾春肖,郑长宗,李钰骙,赵梦瑶,王拓,伍田昊睿,朱晓琳,胡妙春
受保护的技术使用者：中国国家铁路集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15