铁道信号安全计算关键技术及应用

北京交通大学

成果图

信号系统是轨道交通系统安全高效运营的“大脑与神经”。安全计算机是信号系统安全的基础。从20世纪90年代，安全计算机长期依赖进口，且完全受制于国外信号厂商，技术全面被封锁，导致信号系统成本居高不下。因此亟需开展国产化安全计算关键技术研究，项目团队历经十余年技术攻关，攻克了安全计算机安全定量分析与容错、安全通信与快速故障诊断、安全测试等核心理论与技术，形成了具有自主知识产权的安全计算技术体系，研发了车载与地面安全计算机成套装备，广泛应用于全路90%以上铁路信号安全装备，解决了安全计算“卡脖子”问题，实现了安全计算技术的自主可控。

一、主要科技创新

构建了基于容错表决的安全计算理论体系。提出了基于危险与可操作分析的安全计算机危险源分析方法，建立了危险源分析列表，并制定相应风险控制策略；首次提出了基于Alpha参数模型的安全计算机多重冗余结构共因失效计算方法；针对异构安全计算机面临的多路模拟数据非严格输入问题，提出了基于模糊决策子模型和模糊加权融合子模型的模糊容错表决算法。实现安全等级计算时的诊断覆盖率（DC）计算精度从1%（国际标准）提升至0.01%，将高阶冗余系统的危险侧失效概率（PFH）降低到[10-10-10-9/h），远高于SIL4等级要求[10-9-10-8/h）。

攻克了系间、系内安全高速通信以及故障快速检测等关键技术。提出了面向安全计算机系间、系内安全高速通信需求的专用安全通信协议；针对异构安全计算机表决量难以快速检测等问题，基于隐马尔可夫模型、矢量量化与动态时间规整等算法，提出了安全计算机快速故障诊断技术。实现了安全计算机系间通信速率最高达1Gbps、系内达10Gbps，实现了反应式故障检测时故障零漏报，检测准确率99%，故障发生至导向安全侧反应时间≤10ms，远优于国际其他厂商（100ms）。

研制了可移植的车载与地面安全计算机成套装备，实现了安全计算关键技术原始创新；提出了基于异构的安全计算机设计框架，大幅降低了共因失效风险；结合动态故障树和基于FARM模型的故障注入技术，构建了安全计算机安全保障与安全测试技术体系，搭建了安全计算机专用测试平台，形成了多种型号的列控中心、临时限速服务器、无线闭塞中心、计算机联锁、车载ATP等系统装备，广泛应用于我国普速铁路、高速铁路、高原铁路、重载铁路有效保障了信号系统运营安全。

二、项目评价

    该项目攻克了安全计算机安全定量分析与容错、安全通信与快速故障诊断、安全测试等核心理论与技术，形成了具有自主知识产权的安全计算技术体系，实现我国信号系统底层安全计算技术自主可控。设计研发了可移植的适于车载设备的“3取2”结构安全计算机平台和适于地面设备的“2乘2取2”结构的安全计算机平台，安全完整性等级达到SIL4级，广泛应用于全国18个铁路局、所有地方铁路、多个“一带一路”国家线路及120余条城市轨道交通线路，有力保障了应用单位信号系统的安全运营。解决了我国铁道信号安全计算系列“卡脖子”技术难题，打破了国外信号厂商的技术封锁，显著降低了信号系统安全装备的研发成本，迫使引进系统降价30%。

三、成果及效益

该项目共授权发明专利25项，登记软件著作权30项，发表论文50余篇，制订企业标准3项。成果已应用于我国全部18个铁路局、所有地方铁路、多个“一带一路”国家线路及120余条城市轨道交通线路，实现了我国信号系统安全计算技术自主可控，有力支撑了青藏铁路、京张高铁、川藏铁路（拉林段）等多项国家重大铁路工程的安全运营。项目近三年新增产值49.20亿元，新增利润12.03亿元，新增税收4.12亿元，经济效益与社会效益显著。