CN108415403B - 一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于：1)独立时钟计算及校核；2)内存刷新；3)控制数据接收;4)控制数据接收超时校核；5）控制数据输出；6）输入数据安全采集及控制数据安全回采；7）计算系统校核字并发送、采集数据发送。与现有技术相比，本发明提供了高效安全的计算机联锁数据采集控制方法，保障了计算机联锁将布尔逻辑运算结果安全高效地输出到轨旁设备并安全可靠的为计算机联锁布尔逻辑运算提供轨旁设备状态，提高了计算机联锁系统时效性、安全性。

Description

一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法

技术领域

本发明涉及一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法，属于计算机安全信息处理技术领域。

背景技术

目前我国大量发展轨道交通产业，轨道交通作为大容量的公共交通工具，其安全性直接关系到乘客的生命，所以在轨道交通行业保证其安全的计算机联锁系统，具有高可靠、高安全的特点，能实现安全信息采集和安全信息输出以及安全逻辑运算处理等主要功能，安全完整性等级达到SIL4最高等级，符合“故障-安全”原则。

计算机联锁系统中，对于数据的采集、控制输出的安全性是保障整个联锁系统安全的关键环节，系统的安全完整性等级必须达到SIL4级，通常联锁信号厂家采用二取二的硬件电路对采集、控制输出数据进行处理，这种方法硬件设计复杂，成本高，扩展性差，安全性低；还有的信号厂家直接用计算机的0和1表示输入、输出数据进行处理动态输出，这种方法出错率高，可靠性低，安全性低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法，解决现有技术中计算机联锁系统数据采集控制出错率高、可靠性及安全性较低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法，包括下述安全处理步骤中的一个步骤或多个步骤的组合：

独立时钟计算及校核：对独立时钟进行校核，校核通过则进一步计算独立时钟计数，否则系统记录错误日志并退出运行；

内存刷新：包括时钟校核内存刷新、系统校核字内存刷新及数据通道内存刷新；

输出控制数据接收：分别对系统接收缓存、安全通信通道校核字缓存进行刷新，通过安全通信接口接收输出控制数据；

输出控制数据接收超时校核：通过超时校核计算判断输入输出数据处理子系统接收联锁逻辑处理子系统数据失效次数是否大于系统定义的容忍阈值T；

控制数据输出：对控制数据进行安全编码规则校核，校核通过则控制数据输出；

输入数据安全采集及控制数据安全回采：对输出回采数据与输出控制数据进行一致性比较，通过则进入下一步，否则生成错误系统校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统切断控制输出电源；

计算系统校核字并发送：对输入奇偶周期采集数据进行码字校核、数据一致性校验，如果满足输入安全性要求，则继续提供控制输出电源，否则切断控制输出电源；

采集数据发送：将采集数据进行组包通过安全通信发送到联锁逻辑子系统。

独立时钟校核的具体方法为：

获取当前独立时钟的毫秒、微秒计数，通过当前独立时钟时间与上一周期独立时钟时间计算系统的周期处理时间；

如果周期处理时间超出系统预设时间百分比，系统将记录错误日志并退出运行；

如果周期处理时间没有超出系统预设时间百分比，则计算独立时钟计数将其带入系统校核字证据链进行多项式G(x)运算。

采用常数回归拟合算法计算独立时钟计数。

所述内存刷新的具体方法如下：

时钟校核内存刷新：通过上周期时钟计数存储地址及地址取反，分别对上周期时钟计数内容进行替代实现上周期时钟内存正反刷新，然后对上周期时钟计数G(x)运算生成上周期正反刷新时钟校核字；通过本周期时钟计数存储地址及地址取反，分别对本周期时钟计数内容进行替代实现本周期时钟内存正反刷新，然后对本周期时钟计数G(x)运算生成本周期正反刷新时钟校核字。要严格按照上述步骤操作执行，每周期都是先正刷新，后反刷新，每一步生成的时钟校核字都会代入下一步计算。

系统校核字内存刷新：上周期系统校核字内存刷新及校核字G(x)运算，本周期系统校核字内存刷新及G(x)运算，产生校核字存储区校核字，将校核字存储区校核字代入系统校核字证据链进行逐步迭代，实现系统校核字内存刷新；

数据通道内存刷新:发送缓冲区刷新及发送缓冲区数据G(x)运算，校核发送缓冲区校核字，采集原始数据缓冲区刷新及采集原始数据G(x)运算，校核采集原始数据缓冲区校核字，输出数据缓冲区刷新及输出数据G(x)运算，校核输出回采数据缓冲区校核字，输出原始数据缓冲区刷新及输出原始数据G(x)运算，校核输出原始数据缓冲区校核字，输出数据缓冲区刷新及控制输出数据缓冲区数据G(x)运算，校核输出数据缓冲区校核字，产生数据内存校核字，将数据内存校核字代入系统校核字证据链进行逐步迭代，实现内存刷新；

其中，G(x)运算的数学表达式如下：

M(x).x^m＝Q(x)G(x)+R(x)

其中：

x：由“0”和“1”组成的32位二进制信息码；

M(x)：信息码对应的多项式；

G(x)：生成多项式，最高次幂为m；

Q(x)：商多项式；

R(x)：余数多项式。

对于“输出控制数据接收”进行安全处理的具体方法如下：

首先，刷新接收数据区内存及校核控制输出数据，接收缓冲区刷新及接收缓冲区数据G(x)运算；

然后，进行安全通信缓冲区刷新及安全通信缓冲区数据G(x)运算，接收控制数据；

最后，验证接收数据长度、时间、发送者ID，控制数据个数、接收者ID、发送者索引。

输出控制数据接收超时校核的具体方法如下：

将周期超时校核字进行多项式G(x)运算加入系统校核字证据链；

通过本周期接收计数器校核字修正值校核系统校核字；

通过超时校核计算判断输入输出数据处理子系统接收联锁逻辑处理子系统数据失效次数是否大于系统定义的容忍阈值T。

对于“控制数据输出”进行安全处理的具体方法为：

对控制数据进行安全编码规则校核：通过码字校验检查每个控制数据是否为安全编码，且奇偶两个周期控制数据是否一致，如果全部其安全编码且奇偶周期数据一致，则认为符合安全编码规则，对应安全数据输出板卡通道控制输出高电平，实现控制数据输出。

对于“输入数据安全采集及控制数据安全回采”进行安全处理的具体方法为：

通过安全数据输入板卡采集轨旁设备状态，将采集数据存储到采集数据区；

通过安全数据输出板卡回采控制输出轨旁设备状态，将回采数据存储到回采数据区；

将输出回采数据与输出控制数据进行比较，如果完全一致则进入下一步运行，否则生成错误系统校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统切断控制输出电源。

对于“计算系统校核字并发送”进行安全处理的具体方法如下：

通过对两个奇偶周期处理生成证据链系统校核字CW，校核离线配置文件生成常量数据区校核字；

校核输出数据区真值表生成最终校核字CW，通过系统校核字修正字进行校核，如果通过校核将该校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统根据离线生成的修正字裁决该校核字，如果该校核字正确，继续提供控制输出电源，否则切断控制输出电源。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明能够实现对输入输出的动态处理，降低了出错率，多个输入输出子系统通过网络连接便于分布式扩展，完整证据链保障了系统高可靠性、高安全性。

附图说明

图1是本发明所适用的计算机联锁系统结构框图；

图2是输入输出数据子系统程序处理流程图。

具体实施方式

本发明提供的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，整个处理过程分为奇偶两个周期也称两个通道，奇周期为通道1，偶周期为通道2，每个变量采用32位奇偶安全编码进行表示，并且每个周期采用不同的多项式除法进行运算，通过32位安全编码运算生成的系统校核字贯穿整个数据处理过程。具体包括如下步骤：

1)独立时钟计算及校核，包括：

a.获取当前独立时钟的毫秒，微秒计数，计算本周期时钟计数；

b.根据上周期时钟计数获取系统处理周期计数。

2)内存刷新，包括：

a.时钟校核内存刷新；

b.系统校核字内存刷新；

c.通道内存刷新。

3)控制数据接收，包括：

a.系统接收缓存刷新；

b.安全通信通道校核字缓存刷新；

c.通过安全通信接口接收控制数据；

4)控制数据接收超时校核，包括：

a.将周期超时校核字进行多项式运算加入系统校核字证据链；

b.通过本周期接收计数器校核字修正值校核系统校核字。

5)控制数据输出，包括：

a.通过码字校验检查每个数据是否为安全编码并且通道1数据与通道2数据一致；

b.将满足安全要求的数据输出。

6)输入数据安全采集及控制数据安全回采，包括：

a.奇周期时输入输出板卡采集/回采计数器清零；

b将所有输入输出板卡设置为读；

c.读取输入输出板卡数据，将原始数据存储到采集、回采原始数据缓冲区；

7)计算系统校核字并发送；采集数据发送，包括：

a.将输出区为真值的数据复制到输出回采数据区，通过对输出回采数据区多项式运算，将其加入系统校核字证据链；

b.更新周期主校核字，通过周期输出回采校核字修正值校验系统校核字；

c.通过安全通信接口将系统校核字发送到电源控制子系统；

d.通过对输入奇偶周期采集数据码字校核、数据一致性校验，满足输入安全性要求将通过安全通信接口发送到联锁逻辑处理子系统。

本发明提供了高效安全的计算机联锁数据采集控制方法，保障了计算机联锁将布尔逻辑运算结果安全高效地输出到轨旁设备并安全可靠的为计算机联锁布尔逻辑运算提供轨旁设备状态，提高了计算机联锁系统时效性、安全性。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，为计算机联锁系统结构框图，联锁逻辑处理子系统接收列车自动化监控系统控制命令进行联锁逻辑运算，将结果发送到数据处理子系统，本发明是对输入输出数据处理子系统中数据进行安全处理的方法，数据处理子系统从联锁逻辑处理子系统接收控制输出数据经过安全处理通过安全数据输出板卡控制轨旁设备动作，并通过安全数据采集板采集数据经过安全校核上送到联锁逻辑处理子系统，数据处理子系统保证了轨旁设备采集、驱动输出的安全性，进而提高了联锁系统的安全性。

如图2所示输入输出数据处理子系统程序处理流程图：

1.初始化模块：系统上电以后首先需要实现的初始化相关配置的功能，主要包括读取硬件信息、读取本计算机联锁系统离线配置数据文件、设置安全数据输出板卡输出缓冲区位全假值、采集输入/输出信号、初始化安全通信接口、与逻辑处理子系统/电源管理子系统建立网络连接、初始化安全数据采集板采集数据和开定时中断，在任意步骤出错，数据处理子系统都将退出运行。系统在初始化时安全数据输出板卡电源处于切断状态，初始化模块不发送系统校核字，初始化失败停止运行，或者错误不会影响到系统安全，主流程的安全性也不依赖于初始化模块，因此该模块安全性等级定义为SIL0级。

2.奇周期时钟校核：获取当前独立时钟的毫秒，微秒计数，通过当前独立时钟时间与上周期独立时钟时间计算出系统周期处理时间，如果周期处理时间超出系统预设时间百分比，系统将记录错误日志退出运行，正常时通过常数回归拟合算法计算独立时钟计数将其带入系统校核字证据链进行多项式G(x)运算。

多项式除法数学表达式为：

M(x).x^m＝Q(x)G(x)+R(x)

其中：

x：由“0”和“1”组成的32位二进制信息码；

M(x)：信息码对应的多项式，例如1011表示为：x³+x+1，本发明初始信息码为：0x55558800；

G(x)：生成多项式，最高次幂为m，本发明采用的生成多项式为：

x³²+x²⁴+x⁶+1(通道1)，x³²+x²⁸+x²⁷+x⁸+1(通道2)；

Q(x)：商多项式，在本发明中通过生成多项式运算得到，作为系统校核字计算的一个迭代步骤，根据一个步骤的修正字验证该步骤的正确性；

R(x)：余数多项式，在本发明中通过生成多项式运算得到，进而迭代运算生成下一步计算所需的校核字。

信息码采用的是32位二进制数。

由于系统的独立时钟存在偏差，周期获取的独立时钟计数在一个范围内变化，为了能够使独立时钟计数参与到校核字证据链运算，时钟计数必须是一个固定数值，所以就引入了常数回归拟合算法，其特点是输入在一定范围内变化，输出为一确定的数值；常数回归拟合算法从本质上来讲属于函数曲线拟合的一种，实现离线多输入到唯一输出的一个映射。

常数回归拟合算法的计算函数如下：

Y＝(f(clock_count)+MA)&MB

公式中MA、MB为离线常数，当输入时钟计数clock_count为一定取值范围时，输出Y为唯一的确定值，则该过程定义为常数回归拟合过程，该算法称之为常数回归拟合算法。

3.通道1(奇周期)内存刷新：时钟校核内存刷新，上周期时钟内存刷新及时钟计数G(x)运算，本周期时钟内存刷新及时钟计数G(x)运算，这一步产生时钟校核字；系统校核字内存刷新，上周期系统校核字内存刷新及校核字G(x)运算，本周期系统校核字内存刷新及G(x)运算，这一步产生校核字存储区校核字；数据通道内存刷新，发送缓冲区刷新及发送缓冲区数据G(x)运算，校核发送缓冲区校核字，采集原始数据缓冲区刷新及采集原始数据G(x)运算，校核采集原始数据缓冲区校核字，输出数据缓冲区刷新及输出数据G(x)运算，校核输出回采数据缓冲区校核字，输出原始数据缓冲区刷新及输出原始数据G(x)运算，校核输出原始数据缓冲区校核字，输出数据缓冲区刷新及控制输出数据缓冲区数据G(x)运算，校核输出数据缓冲区校核字，这一步产生数据内存校核字，本步骤中每一项G(x)运算产生的校核字都是唯一的并作为系统校核字证据链进行逐步迭代。

4.输出控制数据接收：首先刷新接收数据区内存及校核控制输出数据，接收缓冲区刷新及接收缓冲区数据G(x)运算，安全通信缓冲区刷新及安全通信缓冲区数据G(x)运算，接收控制数据，验证接收数据长度、时间、发送者ID，控制数据个数、接收者ID、发送者索引。

5.接收输出控制数据超时判断：通过超时校核计算判断输入输出数据处理子系统接收逻辑处理子系统数据失效次数是否大于系统定义的容忍阈值T，并将这一步运算结果作为整个证据链的一步，这保证了整个计算机联锁系统的时效性、安全性。

6.控制数据输出：控制数据为32位安全编码，首先通过安全编码校核，符合安全编码规则对应安全数据输出板卡通道控制输出高电平，这保证了控制数据输出的安全性。

7.安全输入/输出数据采集(通道1)：输入数据安全采集及控制数据安全回采，通过安全数据输入板卡采集轨旁设备状态，采集数据为32位安全编码存储到采集数据区，通过安全数据输出板卡回采控制输出轨旁设备状态，回采数据为32位安全编码存储到回采数据区，采集、回采数据的获取都是经过安全编码校核验证的，保证了系统原始数据获取的安全性与准确性；控制输出数据与安全回采数据进行一致性比较，如果完全一致则进入下一步运行，否则生成错误系统校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统切断控制输出电源保证系统“故障-安全”。

8.进入偶周期处理，其中时钟校核、内存刷新、接收输出控制数据超时判断、控制数据输出跟奇周期处理方法一致。

9.校核字计算及发送：计算系统校核字CW，通过对上述两个奇偶周期处理生成证据链系统校核字CW，校核离线配置文件生成常量数据区校核字，然后校核输出数据区真值表生成最终校核字CW，通过系统校核字修正字进行校核，如果通过校核将该校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统根据离线生成的修正字裁决该校核字，如果正确继续提供控制输出电源，否则切断控制输出电源保证联锁系统“故障-安全”。

10.采集数据发送：将输入数据进行组包通过安全通信发送到联锁逻辑子系统，这能够保证采集数据的时效性、安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，包括下述安全处理步骤中的一个步骤或多个步骤的组合：

独立时钟计算及校核：对独立时钟进行校核，校核通过则进一步计算独立时钟计数，否则系统记录错误日志并退出运行；

内存刷新：包括时钟校核内存刷新、系统校核字内存刷新及数据通道内存刷新；

输出控制数据接收：分别对系统接收缓存、安全通信通道校核字缓存进行刷新，通过安全通信接口接收输出控制数据；

输出控制数据接收超时校核：通过超时校核计算判断输入输出数据处理子系统接收联锁逻辑处理子系统数据失效次数是否大于系统定义的容忍阈值T；

控制数据输出：对控制数据进行安全编码规则校核，校核通过则控制数据输出；

输入数据安全采集及控制数据安全回采：对输出回采数据与输出控制数据进行一致性比较，通过则进入下一步，否则生成错误系统校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统切断控制输出电源；

计算系统校核字并发送：对输入奇偶周期采集数据进行码字校核、数据一致性校验，如果满足输入安全性要求，则继续提供控制输出电源，否则切断控制输出电源；

采集数据发送：将采集数据进行组包通过安全通信发送到联锁逻辑子系统；

独立时钟校核的具体方法为：

获取当前独立时钟的毫秒、微秒计数，通过当前独立时钟时间与上一周期独立时钟时间计算系统的周期处理时间；

如果周期处理时间超出系统预设时间百分比，系统将记录错误日志并退出运行；

如果周期处理时间没有超出系统预设时间百分比，则计算独立时钟计数将其带入系统校核字证据链进行多项式G(x)运算；

所述内存刷新的具体方法如下：

时钟校核内存刷新：通过上周期时钟计数存储地址及地址取反，分别对上周期时钟计数内容进行替代实现上周期时钟内存正反刷新，然后对上周期时钟计数G(x)运算生成上周期正反刷新时钟校核字；通过本周期时钟计数存储地址及地址取反，分别对本周期时钟计数内容进行替代实现本周期时钟内存正反刷新，然后对本周期时钟计数G(x)运算生成本周期正反刷新时钟校核字；

系统校核字内存刷新：上周期系统校核字内存刷新及校核字G(x)运算，本周期系统校核字内存刷新及G(x)运算，产生校核字存储区校核字，将校核字存储区校核字代入系统校核字证据链进行逐步迭代，实现系统校核字内存刷新；

数据通道内存刷新:发送缓冲区刷新及发送缓冲区数据G(x)运算，校核发送缓冲区校核字，采集原始数据缓冲区刷新及采集原始数据G(x)运算，校核采集原始数据缓冲区校核字，输出数据缓冲区刷新及输出数据G(x)运算，校核输出回采数据缓冲区校核字，输出原始数据缓冲区刷新及输出原始数据G(x)运算，校核输出原始数据缓冲区校核字，输出数据缓冲区刷新及控制输出数据缓冲区数据G(x)运算，校核输出数据缓冲区校核字，产生数据内存校核字，将数据内存校核字代入系统校核字证据链进行逐步迭代，实现内存刷新；

其中，G(x)运算的数学表达式如下：

M(x).x^m＝Q(x)G(x)+R(x)

其中：

x：表示由“0”和“1”组成的32位二进制信息码；

M(x)：信息码对应的多项式；

G(x)：生成多项式，最高次幂为m；

Q(x)：商多项式；

R(x)：余数多项式。

2.根据权利要求1所述的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，采用常数回归拟合算法计算独立时钟计数。

3.根据权利要求1所述的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，对于“输出控制数据接收”进行安全处理的具体方法如下：

首先，刷新接收数据区内存及校核控制输出数据，接收缓冲区刷新及接收缓冲区数据G(x)运算；

然后，进行安全通信缓冲区刷新及安全通信缓冲区数据G(x)运算，接收控制数据；

最后，验证接收数据长度、时间、发送者ID，控制数据个数、接收者ID、发送者索引。

4.根据权利要求1所述的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，输出控制数据接收超时校核的具体方法如下：

将周期超时校核字进行多项式G(x)运算加入系统校核字证据链；

通过本周期接收计数器校核字修正值校核系统校核字；

通过超时校核计算判断输入输出数据处理子系统接收联锁逻辑处理子系统数据失效次数是否大于系统定义的容忍阈值T。

5.根据权利要求1所述的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，对于“控制数据输出”进行安全处理的具体方法为：

对控制数据进行安全编码规则校核：通过码字校验检查每个控制数据是否为安全编码，且奇偶两个周期控制数据是否一致，如果全部为安全编码且奇偶周期数据一致，则认为符合安全编码规则，对应安全数据输出板卡通道控制输出高电平，实现控制数据输出。

6.根据权利要求1所述的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，对于“输入数据安全采集及控制数据安全回采”进行安全处理的具体方法为：

通过安全数据输入板卡采集轨旁设备状态，将采集数据存储到采集数据区；

通过安全数据输出板卡回采控制输出轨旁设备状态，将回采数据存储到回采数据区；

将输出回采数据与输出控制数据进行比较，如果完全一致则进入下一步运行，否则生成错误系统校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统切断控制输出电源。

7.根据权利要求1所述的计算机联锁数据采集控制安全处理方法，其特征在于，对于“计算系统校核字并发送”进行安全处理的具体方法如下：

通过对两个奇偶周期处理生成证据链系统校核字CW，校核离线配置文件生成常量数据区校核字；

校核输出数据区真值表生成最终校核字CW，通过系统校核字修正字进行校核，如果通过校核将该校核字发送给电源控制子系统，由电源控制子系统根据离线生成的修正字裁决该校核字，如果该校核字正确，继续提供控制输出电源，否则切断控制输出电源。

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