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【關鍵詞】計算機聯鎖系統安全可靠性硬件軟件
1概述
計算機聯鎖系統的安全可靠性是研究、開發、生產計算機聯鎖設備必須遵循的永恒的主題,也是驗證計算機聯鎖系統性能的主要依據。計算機聯鎖設備是一種連續工作的實時系統,它必須具有極高的安全性和可靠性才能適應鐵路運輸和城市軌道交通高效和安全的運營要求。
其實汁算機聯鎖系統的安全性是指聯鎖設備在運行過程中無論發生什么故障都不能產生有可能危及列車安全運行的危險因素,一般著重于在不正常的情況下使系統導向安全,防止產生危險后果;而可靠性是指聯鎖設備在規定的時間和規定的條件下完成規定功能的能力,一般側重于防止或減少系統發生故障。顯然,安全性的實現是以可靠性為基礎,并在提高可靠性的前提下完成的。為了系統地分析問題,我們將把計算機聯鎖系統的安全性和可靠性結合在一起考慮,并著重從系統的硬件設計、軟件設計和數據傳輸及處理等幾個方面采取各種綜合技術措施,使計算機聯鎖系統符合故障—一安全的原則。
2硬件部分的安全可靠性分析
根據計算機聯鎖系統的結構組成和功能特點,硬件部分的安全可靠性技術從計算機聯鎖系統的上位機、聯鎖機和接口電路三個部分進行分析。
2.1上位機安全可靠性分析
上位機主要功能是向聯鎖機構輸入操作信息,接受聯鎖機構輸出的反映設備工作狀態和行車作業情況的表示信息。為此上位機可采用經國際安全機構認證的高可靠工業控制計算機,摒棄原商用機所采用的大母板結構,把原來的大底版(系統板)功能集中在一塊ALL--IN--ONE插卡上,底板變成無源總線母板,增加了插槽數,便于系統的升級擴展。
采用的機箱結構具有良好的散熱、隔熱、防潮、防塵性能,驅動器架采取避震措施,使整個機箱具有可靠的機械強度和很好的抗電磁干擾的能力;采用不問斷供電及凈化的專用開關電源,抗共模干擾,具有浪涌保護、過載保護、漏電保護的功能,單機設備的平均無故障工作時間可達到100000h。
計算機聯鎖系統的維修機和上位機的配置是一致的,平常可作為上位機的熱備機,在系統故障時能夠進行自動無擾切換,切換過程不影響現場設備狀態,提高設備可靠性。
上位機的人機接口界面的設計使用先進的工業控制軟件,使得系統的監控不僅具有友好的人機交互界面,而且具有豐富的圖形畫面顯示及圖形操作功能,調圖方式靈活,修改參數方便。在設計中,根據鐵路交通和城市軌道交通信號計算機聯鎖的特點,可以靈活運用登錄口令、操作員權限、安全設定點、設定點口令、安全審計跟蹤記錄等安全特性,確保聯鎖系統執行操作的安全可靠。
2.2聯鎖機安全可靠性分析
聯鎖機是信號控制系統的核心。在設計中,可選用國際安全機構認證的硬件三重冗余計算機聯鎖系統,用于實現聯鎖數據處理過程的故障—安全。所謂三重化冗余系統是指系統共有A、B、c三個相同的主機,每個主機可以把它看成系統中的一個模塊。三個模塊同時執行一致的操作,其輸出送到“表決器”的輸入端,然后把表決器的輸出作為系統的輸出。結果經輸出設備三取二表決后進行輸出,可以保證輸出的安全性。當其中一個聯鎖處理單元聯鎖邏輯單元故障時,系統能夠轉換為二取二工作方式,在不降低安全陛的前提下,使整體系統的可靠性得到提高。
采用三取二表決系統原本是為了提高系統的可靠性而采取的一種冗余系統。然而從安全性角度來看,若有兩個主機發生了同樣的故障,即共模故障,系統將輸出錯誤信息,經接口驅動后,有可能危及行車的安全。因此,必須消除軟硬件的設計錯誤,當主機的設計完全正確無誤時,僅由硬件失效和干擾而產生的共模故障的發生概率就很小。為了進—步降低未檢出故障的組合而產生共模故障的可能性,可利用單機自檢技術、主機間互檢技術和雙套不同的軟件,擴大故障檢測范圍,消除因干擾而引起的影響。
為了保證三重化冗余系統能夠通過多數一致表決得到正確的結果和發現出錯的模塊,這就要求三臺微機必須同步工作。否則,整個系統便會出現紊亂狀態,多數一致表決無法進行,系統無法保證正常可靠的工作。
計算機聯鎖系統為保證安全可靠而采取的主要措施是:全面的在線自診斷和專門的安全檢查程序。這就要求系統在規定的周期內對計算機的運算器、存儲器、接口等元器件用一系列自診斷程序進行全面自診,而安全檢查程序則對聯鎖程序任務模塊的運行狀態進行監視,對關鍵信息代碼的合法性進行檢查。在自診斷和專門的安全檢查中一旦發現故障,立即切斷計算機的輸出(同時報警)。在設計中必須采取有效的措施來確保:
(1)檢測過程本身應具有安全性,或采用相應硬件及軟件措施來實現安全性;
(2)檢測要要有足夠的頻率,使類似或等同故障在二次檢測之間不會發生;
(3)檢測要足夠靈敏,能夠測出每個安全單元之中的重要故障;
(4)檢測失敗時應及時產生安全保護動作;
(5)冗余裝置要足夠獨立,使之不受其他故障的影響。
例如在具體實施中,使輸出控制單元經過表決后輸出,所有輸出進行反饋檢查閉環控制;在輸出執行環節采用條件電源供電方法,當用實時檢測或實時比較技術發現聯鎖微機內部故障時,即使產生危險側的錯誤控制命令,通過強制切斷執行環節的條件電源,減少錯誤的控制命令輸出。
采用光電隔離技術,接點輸入電路要經過光電耦合后力節目接至接口電路輸入輸出模塊,有效的抑制接點輸入電路的電磁干擾;采用靜態輸入或動態輸入方式,以便有效的實現故障—安全原則。
在輸出接口的設計中,采用代碼—動靜態和動靜態—電平兩級變換電路;采用不間斷供電及凈化的專用電源,電源模塊內部設有雙重化電壓調整器及自診斷電路,可檢測電壓的輸出范圍與是否超溫并給出相應報警。
2.3接口電路安全可靠性分析
由于一般繼電電路采用的重力式安全繼電器具有很高的安全性,在我國鐵路中運用了幾十年,為此計算機聯鎖系統的接口電路仍然以安全繼電器作為計算機聯鎖機構與室外設備控制電路的接口。我們知道安全繼電器通過以下技術實現故障—一安全:電氣接點采用特殊材料制作,使接點粘連的可能極小;采用吹弧技術,消除接點拉弧造成熔接;采用重力式設計原理,在繼電器故障時,利用其重力使銜鐵復位,從而保證實現系統的故障——安全的目的。
為此在計算機聯鎖系統中,信號、道岔、軌道電路等監控對象的狀態信息依然是用安全型繼電器的接點狀態來反映的,輸人接口的任務就是將這種電平形式的二值邏輯數據安全地采集到聯鎖機中來。
2.4其他方面的安全可靠性分析
考慮計算機聯鎖系統硬件設備的其他方面的安全可靠性,對包括電源、計算機、數據通訊線路、輸人輸出接口、機架結構及地線設置等方面采取了電磁兼容設計和防雷設計,以保證在規定等級的運用環境中,設備必須正常工作,不產生任何指標下降和功能上非期望值的偏差。
3軟件系統的安全可靠性分析
在計算機聯鎖控制系統里,各種復雜的功能主要依靠軟件來實現。嵌入在安全控制系統中的軟件,不僅要能完整地實現系統的控制功能,還要能保證實現系統在發生意外時的安全防護即故障—一安全功能。
一般在汁算機聯鎖控制系統中,普遍采用以下軟件技術來提高系統的安全可靠性:
(1)采用信息編碼技術,以便出錯時能被及時識別。例如,對于涉及行車安全的邏輯變量,用多元代碼來表示安全變量的兩個值—一安全側值和危險側值。這樣,當代碼在存儲或傳輸過程中,由于存儲器硬件故障或者外界干擾而發生畸變,一旦錯成非法碼時,就可由軟件自動檢出并導向安全側。
(2)采用軟件冗余技術,保證軟件運行的安全性。
(3)采用軟件檢測技術及時發現故障,以進一步采取措施防止危險側信息的發生和輸出。
圖1計算機聯鎖系統數據處理模型框圖
圖1是一個從安全角度去考慮的計算機聯鎖系統的框圖,實際上也是計算機聯鎖系統的一個安全性模型,只是僅從保障安全的角度把計算機聯鎖系統描述成為一個典型的數據處理系統。對于計算機聯鎖系統來說,保障安全就是保障框圖中的數據流和控制流這兩種信息處理的安全;退一步講,即便信息處理發生錯誤也不會導致危險的后果。
聯鎖機和外部設備的輸入/輸出信息具有兩種特性,—是開關性;二是安全性。外部設備向聯鎖機提供的輸入信息具有開關性。同樣,聯鎖機的輸出信息也具有開關性,這種開關性可由表示兩個狀態的器件如繼電器來反映。輸入/輸出信息的安全性是根據信息與行車安全的關系來界定的。一類是與安全無關的信息,稱作非安全信息;另一類是與安全有關的信息,稱作安全信息。
聯鎖機和監控對象之間交換的信息屬于安全信息,因此必須考慮當輸凡輸出通道發生故障時,一定要確保傳送信息的安全。為此,在通道設計上必須采用安全輸凡輸出接口。在CPU與輸入和輸出模塊間采用專用總線以保證傳送的正確性,對輸入電路采用光電隔離電路讀取。輸入值,以檢測“粘連”狀態,對各個輸出信號在提供給繼電器前進行表決,不致因輸出模塊本身的故障而影響信息安全。一般在具體的系統設計中,可采取如下措施:
(1)安全信息的輸入:在計算機輸出每種信號設備狀態碼的第一位后,待輸出電平穩定(如20ms),再將每種信號設備狀態碼的第一位讀入儲存,并立即輸出第二位代碼;讀入全部代碼后,經計算機整理后再傳給每個對象的存儲模塊。
(2)安全信息的存儲與更新:計算機聯鎖中監視現場設備狀態的存儲單元,在宏觀上必須與被監視的對象建立不斷的聯系,當聯系中斷時,系統必須立即倒向安全。
(3)安全信息的運算:聯鎖條件滿足時,程序的走向和運算結果都是預知的。為了提高安全性和防止漏檢查聯鎖條件,在每次判斷條件成立后,將該條代碼進行按位累加,聯鎖關系全部檢查正確時,其累加值應與預期結果相符。
(4)安全信息的輸出:計算機的開關量的輸出是非故障安全的。為了保證安全,可對輸出環節進行連續的監視,如出現不應有的危險側輸出,應快速地在現場設備未動作前予以切斷。
(5)安全信息在計算機間的傳遞:為了符合信號系統的傳統做法,遵循故障安全的要求,在計算機聯鎖的設計時,應采用點對點的循環傳送方法,而不采用變化檢出、一次傳送的方法。
計算機聯鎖的串行數據在傳輸過程中,由于干擾而引起誤碼是難免的,在檢查數據位和冗余位之間的關系是否正確時,應著重防止在傳輸中錯誤地出現危險側代碼。為了確保信息傳輸的安全可靠,一方面可以采用冗余度小、檢錯能力高的循環碼(CRC)作為檢錯碼;另一方面就是在軟件編程時對傳輸的信息進行特殊編碼,并以反饋重發方式糾錯。
根據編碼理論,利用n位二值碼元可生成一個具有2”種伏態的碼字或代碼的集合。在這2”種狀態的代碼組合當中,僅取一種狀態代表危險側碼字(例如用危險側碼字10101010代表對應繼電器吸起),再取另一種狀態代表安全側碼字(例如用安全側碼字01010101代表對應繼電器落下),其余的均認為是非法碼字,則這種代碼便具有典型的故障—一安全特性。由于非法碼字在正常的聯鎖運算時也被認做安全側碼字,故而該編碼組合僅有1種碼字對應危險側,其余2“—1種狀態均對應安全側。但在實際的運行中要真正能做到故障導向安全,還需對軟件編程的安全編碼進行科學的分析和認真的考慮。
我們認為編碼中各個碼元發生差錯的概率是相同的且不同碼元發生差錯的事件是獨立的。假定每一碼元發生差錯的概率是",則無差錯的概率即為1—p,此時整個代碼均無差錯的概率為(1—p)“。當選用編碼組合中碼距最大的一對代碼,即碼距等于n的—對代碼分別作為代表危險側和安全側的有效碼時,安全側代碼因故畸變成危險側代碼的條件是n個碼元同時出錯,其出錯概率為曠;而安全側代碼出錯變為另外一個代碼的概率則為1—(1—p),顯然這兩個概率有著明顯的數量的不同,這就造成了編碼在故障或受到干擾情況下邏輯出錯的不對稱性,假定2“種編碼中任一個發生畸變、出錯變為另外任一個代碼的概率相同,均為P(c);此時,因危險側代碼只有—個,某一代碼錯為該代碼的概率即為戶(c)以上數值與目前國內外廣泛使用的信號安全型繼電器的不對稱指數相比顯然是可以認可的;同時n取為16,恰好是計算機內存字節的整數,便于進行軟件編程。根據鐵道部《計算機聯鎖技術條件》標準,與行車安全有關的信息在計算機內必須以空間冗余的方式存儲,在自由狀態下其非法碼字和合法碼字出現的比率或非安全側碼字和安全側碼字出現的比率必須大于255:1,上述規定中所謂空間冗余即意味著必須用多余的信息位表示單一比特的信息,采用不對稱碼元的方法表示涉安信息即為空間冗余方法之一。此外,自由狀態即指任一代碼發生畸變而成另一代碼相同概率P(c)的假設。該條件給出的具體數值則意味著如采用不對稱碼元,則所選代碼位至少為n:8。基于這些原因,計算機聯鎖中選用16位代碼來表示聯鎖數據是可取的。經過正確的合理編碼,完全可以保證編碼的漢明距大于4。
4結論
計算機聯鎖系統的安全可靠性是計算機聯鎖系統的關鍵,我們必須從系統的硬件設計、軟件設計和數據傳輸及處理等幾個方面采取各種綜合技術措施,才可使計算機聯鎖系統符合故障—一安全的原則。
綜合以上分析和考慮,并通過可估算和推導的數學方法進行可靠性和安全性計算機聯鎖系統的安全可靠性指標:平均故障間隔時間MTBF為1x10h,平均危險側故障間隔時間MTBFAS為1x10h,符合國家標準。
參考文獻
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在經濟高速發展的今天,網絡化和科技化發展成為信息存儲和交流的主要方法,也是未來科技發展的重點趨勢。在網絡時代,計算機網絡技術已經在人們的日常生活中得到普及,生活、學習、工作之中幾乎無時無刻都離不開計算機網絡技術的支持。計算機網絡技術滲透在社會生活的各個領域之中,辦公自動化、生產自動化、家電智能化、電子商務等領域的發展,已經成為社會進步和經濟發展的必然趨勢[1]。電子科技產品的應用使得信息流通和存儲在計算機網絡技術交流中變得十分關鍵,而人們在追求高效率的信息傳輸過程中,對于信息安全也十分關注。計算機網絡技術在發展,黑客技術也層出不窮,經常出現國家情報泄露、商業機密丟失、個人隱私泄露、巨額財產被盜等電子信息安全事故,對國家安全、企業經濟發展以及個人的信息財產安全造成嚴重的威脅。所以,必須對電子科技安全技術進行廣泛的研究,為國家、企業、個人的電子信息安全提供必要的保障,在享受電子科技技術為人類帶來的便利的同時,也可以不必對信息安全造成的危害進行擔心[2]。
2電子科技信息安全現狀
2.1電子科技安全概述
電子科技安全問題在某種程度上來講就是指信息安全,計算機系統在硬件、軟件的運行過程中,數據信息都應該受到一定的保護,避免出現偶然或者惡意原因的破壞、泄露和更改等,保障計算機用戶的信息安全。計算機信息系統安全的主要目的是要保證信息的真實性、完整性、可用性,并且在傳輸和存儲過程中不會受到人為或者非人為的更改、丟失和損壞[3]。計算機信息系統安全通常包含兩個方面,一方面是技術安全,另外一方面則是指信息管理方面的安全問題,在計算機信息安全系統的保護過程中,需要將計算機內部和外部的安全技術和管理進行緊密的結合。
2.2國內外計算機信息安全技術研究現狀
計算機的發明和使用是人類科技領域的重要成就之一,在計算機技術發展過程中,研究的重點逐漸轉向了提高計算機性能,降低計算機價格方面,這也是計算機技術發展為科研提出的新的挑戰。國際上關于計算機信息安全系統的研究較早,成立了比較權威的組織對計算機信息安全進行廣泛的研究,對信息系統安全管理、信息安全技術標準等問題進行了深入的探討,形成了比較全面的計算機安全評價標準。國際上通常認為可以從多個方面對計算機的安全特性進行規定,比如對于訪問的控制,對于身份的識別與驗證,服務的可靠性,信息的可用性等,同時可以從不同的層面對計算機信息安全進行保護,如開發過程中的保護、操作過程中的保護等[4]。關于計算機信息安全技術的研究也在不斷的發展,國外關于計算機信息安全技術的研究主要集中在訪問控制、身份識別、網上監控、數據加密、內容審查等方面。我國也在20世紀80年代開始了對計算機信息系統安全的研究,成立了國家公安部計算機監察司、計算機安全委員會等組織對計算機信息安全的相關問題進行研究。我國在計算機信息安全技術方面的研究主要集中在技術角度、安全教育宣傳的角度,普及計算機安全知識,推廣計算機安全技術,對計算機信息安全犯罪活動進行防范。我國研究的計算機信息安全技術產品主要集中在防火墻相關產品的研究,比如安全服務器等,也有關于網絡安全產品的研究和計算機病毒防治方面的產品。
3電子科技安全技術分析
電子科技的發展為人們的學習和生活帶來便利的同時,也為電子科技安全技術的發展帶來了新的挑戰。計算機技術信息安全的主要目標是要保證電子科技產品的機密信息不會對授權人以外的單位或個人進行泄露,可以通過通信實體對用戶身份的真實性進行識別,并且要保證計算機數據信息的完整性和一致性,避免被外來入侵者進行篡改和破壞。電子科技安全技術要在技術手段的基礎上,對用戶的信息資源進行有效的保護,拒絕對信息資源的非法利用行為,并對網絡和計算機系統出現的問題進行及時的預警。電子科技安全技術主要包含兩個大的方面,一方面是防火墻技術,一方面是電子信息加密技術。
3.1安全防火墻技術
計算機網絡技術的發展為黑客的入侵行為提供了可利用的資源,雖然在計算機網絡技術發展過程中,信息安全系統的等級不斷提升,但是計算機信息安全問題也是層出不窮,給計算機用戶的信息安全帶來了很大的威脅。對于計算機網絡的外部入侵行為,采用安全防火墻技術可以起到十分重要的防范作用,有效避免計算機用戶的個人信息被惡意的篡改和非法利用。所謂防火墻,就是在兩個網絡之間設置一個特定的安全系統,對不可信的網絡訪問進行預警和阻攔,計算機之中所有信息的進出,都需要經過這個系統屏障進行過濾[5]。包括學生在內的一些年輕的計算機用戶,經常利用計算機登錄一些與個人信息具有緊密聯系的賬戶,進行社交活動或者是網上購物,如果不注意信息安全,將對用戶的個人隱私和資金賬戶安全造成嚴重威脅。通過鏈路級網關、過濾防火墻或者復合型防火墻的使用,可以對用戶的信息安全進行有效的保護。
3.2電子信息加密技術
電子信息加密技術是指通過明文、密鑰等編碼轉換的方式對計算機信息的傳輸進行保護,確保信息在傳輸過程中的安全性和完整性。電子信息加密技術是電子科技安全技術中十分重要的組成部分,通常可以將電子信息加密技術分為兩類,一類是對稱密鑰加密技術,一類是非對稱密鑰加密技術。對稱加密技術是利用序列密碼、分組機密等方式對信息進行加密處理,在加密過程中包含許多關鍵的組成要素,如加密和解密算法、明文、密鑰等。非對稱加密則需要將公開密鑰與私有密鑰兩者進行配合使用,從而達到相應的加密保護效果,提高信息傳輸的安全性。
4結束語
鐵路計算機網絡安全系統應用于多個方面,并且為其他行業做出鮮明的例子。合理的建立計算機網絡安全系統,可以在計算機網絡安全系統上建立一系列的安全系統平臺。合理的鐵路計算機網絡安全系統,可以讓鐵路的客戶端避免病毒的侵害,并且減少網絡攻擊等方面的侵害。鐵路計算機網絡安全系統為鐵路信息系統提供了一個堅實的安全保障,讓鐵路信息系統在安全的環境下運行,保證客戶資料的安全性。隨著信息化社會的不斷發展,鐵路的運輸以及市場營銷和物流行業的發展,鐵路計算機網絡安全也在不斷的提升網絡安全程度,保證鐵路信息網絡的最大化安全。鐵路計算機的網絡安全,需要建立行業證書安全系統、訪問控制系統、病毒防護系統等方面的安全系統,這樣才能夠有效的保證鐵路計算機系統的安全性,讓鐵路計算機的網絡系統發揮最大化的作用。通過完善鐵路計算機網絡安全,可以有效保證鐵路計算機在最大化的安全下運行。
2鐵路計算機網絡安全的建設途徑
2.1三網隔離為了保證生產網、內部服務網、外部服務網的安全,實現三網互相物理隔離,不得進行三網直接連接。尤其生產網、內部服務網的運行計算機嚴禁上INTERNET。
2.2建立良好的鐵路行業數字證書系統良好的鐵路行業數字證書系統能夠有效的保證鐵路計算機網絡的安全,鐵路的數字證書主要包括簽名證書與加密證書。證書的管理系統有利于保證網絡和信息安全。鐵路行業的數字證書系統能夠有效的提高鐵路信息系統的安全,讓鐵路信息系統在一個安全的環境下運行。證書系統加強了客戶身份的認證機制,加強了訪問者的信息安全,并且發生了不安全的問題還有可以追查的可能。行業數字證書在鐵路信息系統中有效的防止了非法人員篡改鐵路信息的不良行為,并且對訪問者提供了強大的保護手段。
2.3建立安全的訪問控制系統安全的訪問控制系統,是整個鐵路計算機網絡中的核心。建立合理的訪問控制系統,可以防止用戶對鐵路資源的實際操作,隱藏鐵路應用系統在網絡中的位置,在鐵路計算機網絡的運行中,保證用戶訪問的安全性。根據用戶的選擇進行網絡的授權,可以有效的控制用戶對于鐵路資源的訪問,保證鐵路用戶合理的訪問鐵路資源。控制系統可以針對不同的資源建立不同的訪問控制系統,建立多層次的訪問控制系統。控制訪問系統構成了鐵路計算機網絡的必經之路,并且可以將不良的信息進行有效的隔離與阻斷,確保鐵路網絡信息的安全性。建立有效的訪問控制系統,可以保證網絡訪問的安全性和數據傳輸的安全性,最大限度的保障鐵路計算機的信息安全。
2.4建立有效的病毒防護系統有效的病毒防護系統就相當于殺毒軟件存在于電腦中的作用一樣,可以有效的防止病毒的入侵,控制進出鐵路信息網的信息,保證信息的安全性。病毒的防護系統可以將進出鐵路信息系統的信息進行檢查,保證了鐵路客戶端的安全。病毒防護系統防止了不法人員企圖通過病毒來入侵鐵路信息網絡系統,讓鐵路信息網絡系統能夠在安全的環境下運行,保證了信息的最大化安全性。定期的病毒查殺,可以保證鐵路網絡信息系統的安全,讓鐵路信息網絡系統得到有效的控制,保證客戶端的資料不被侵犯,保證鐵路計算機網絡的正常運行。
2.5加強人才培養和培訓的力度信息系統的安全性很重要的一點是人員素質,管理人員的安全意識和技術水平直接影響到整個系統的安全性。目前,已有許多成熟的安全技術、安全產品,但能否讓這些技術和產品在實際應用中充分發揮作用,關鍵還在于我們如何規劃、組織及配置,這些都是和管理人員與工程技術人員的素質分不開的,因此,應該加強人才培養力度,根據信息安全的特殊性和各種不同人才需求層次,進行有針對性的培養和培訓,為確保鐵路信息安全,培養一支實力強勁的專業隊伍。