CN111010258A - 一种基于编码的计算机联锁系统通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于编码的计算机联锁系统通信方法，综合应用NISAL技术、VCP技术和CRC技术，实现了对通信消息的冗余编码和超时判断，保证了数据的完整性和时效性，以离线数据方式的补偿值辅助各个编码之间的转化，防止指令失效和匹配错误，采用纯编码方式实现对通信消息的安全防护，可适用单核和多核CPU，降低对操作系统要求，不需两种相异实时操作系统，也不需要单一认证实时操作系统，仅需一种实时操作系统，降低对编译系统要求，不需两种相异编译器，也不需要单一认证编译器，仅需一种通用编译器，具有可移植性。

Description

一种基于编码的计算机联锁系统通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于编码的计算机联锁系统通信方法。

背景技术

计算机联锁系统是以计算机为主要技术手段，结合信息、控制、容错、故障-安全等技术来实现车站联锁的信号系统。目前国内的计算机联锁系统主要包括双机热备系统、2乘2取2系统、3取2系统等。

计算机联锁系统基于的通信协议主要为RSSP-I协议(铁路信号安全通信协议-I型协议)，是一种基于封闭式系统的安全通信协议，能对通信过程中数据帧重复、删除、插入、错序、损坏、延迟等进行防护。

在目前国内的双机热备系统上直接实现RSSP-I通信，主要存在以下不足：

1、若采用单CPU时，在设计过程中存在较大系统性风险，在运行过程中存在随机性的指令失效、内存失效、运算错误等风险；若采用双CPU，虽然随机性风险相对较好的防护，但容易出现系统设计过程中的其独立性不足，从而导致共模失效风险的明显增加。

2、RSSP-I协议能保证消息在安全层进行正常时序交互，但应用层消息正确处理需要合理的消息处理机制来保证其数据一致性、完整性，时效性。

3、数据处理过程中，会出现内存固化，内存随机失效引发通信失败，甚至通信消息匹配错误。

发明内容

本发明提供一种基于编码的计算机联锁系统通信方法，综合应用NISAL技术、VCP技术和CRC技术，实现了对通信消息的冗余编码和超时判断，保证了数据的完整性和时效性，以离线数据方式的补偿值辅助各个编码之间的转化，防止指令失效和匹配错误，采用纯编码方式实现对通信消息的安全防护，不依赖硬件、操作系统和编译器，具有可移植性。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于编码的计算机联锁系统通信方法，包含以下步骤：

接收应用层的数据时，根据CRC组合性原理将接收数据拆解为CRC时效性特征信息和CRC非时效性特征信息，对CRC时效性特征信息进行VCP编码获得VCP变量和VCP校验码，利用VCP校验码和离线配置工具提供的补偿值，将CRC非时效性特征信息通过BOOL运算转化为NISAL码；

发送数据给应用层时，利用VCP校验码和离线配置工具提供的补偿值，通过BOOL运算将NISAL码转化为CRC非时效性特征信息，利用VCP校验码，根据VCP编码将VCP变量转化为CRC时效性特征信息，根据CRC组合性原理将CRC时效性特征信息和CRC非时效性特征信息整合为发送数据。

双机热备计算机联锁系统的双通道进行并行通信，双通道的VCP编码和NISAL编码时分配的码字不同。

所述的离线配置工具提供VCP编码过程中所需的变量签名和签名调整值，从而维持VCP变量为固定值，离线配置工具还提供补偿值，以实现CRC与NISAL码字的相互转换。

VCP校验码的计算方式为：VCP_CKW＝PD(g_IF_S_0,SrcID)，其中，VCP_CKW是VCP校验码，PD运算是多项式除法，g_IF_S_0是对VCP编码过程的超时判断的结果变量，SrcID是不同节点的ID号。

所述的补偿值的计算方式为：

Rectify＝PD逆(NISAL,CRC,VCP_CKW)；

其中，Rectify是补偿值，PD逆是多项式除法的逆运算，NISAL是具体的码位，CRC是CRC非时效性特征信息，VCP_CKW是VCP校验码。

所述的通过BOOL运算转化为NISAL码的计算方式为：

NISAL＝PD(Rectify,VCP_CKW,CRC)；

其中，PD运算是多项式除法，Rectify是补偿值，VCP_CKW是VCP校验码，CRC是CRC非时效性特征信息。

本发明综合应用NISAL技术、VCP技术和CRC技术，实现了对通信消息的冗余编码和超时判断，保证了数据的完整性和时效性，以离线数据方式的补偿值辅助各个编码之间的转化，防止指令失效和匹配错误，采用纯编码方式实现对通信消息的安全防护，可适用单核和多核CPU，降低对操作系统要求，不需两种相异实时操作系统，也不需要单一认证实时操作系统，仅需一种实时操作系统，降低对编译系统要求，不需两种相异编译器，也不需要单一认证编译器，仅需一种通用编译器，具有可移植性。

附图说明

图1是本发明的实施例中离线配置工具产生各种离线变量的示意图。

图2是本发明的实施例中接收应用层的数据时的处理示意图。

图3是本发明的实施例中CRC信息和VCP变量相互转化的示意图。

图4是本发明的实施例中发送数据给应用层时的处理示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

本发明提供一种基于编码的计算机联锁系统通信方法，基于计算机联锁系统中的运算模块实现，包含以下步骤：

接收应用层的数据时，根据CRC组合性原理将接收数据拆解为CRC时效性特征信息和CRC非时效性特征信息，对CRC时效性特征信息进行VCP编码获得VCP变量和VCP校验码，利用VCP校验码和离线配置工具提供的补偿值Rectify，将CRC非时效性特征信息通过BOOL运算转化为NISAL码。

发送数据给应用层时，利用VCP校验码和离线配置工具提供的补偿值Rectify，通过BOOL运算将NISAL码转化为CRC非时效性特征信息，利用VCP校验码，根据VCP编码将VCP变量转化为CRC时效性特征信息，根据CRC组合性原理将CRC时效性特征信息和CRC非时效性特征信息整合为发送数据。

所述的CRC组合性原理是指，如果几个消息异或的结果与某个消息A一致，则这几个消息对应的CRC异或的结果与消息A的CRC结果一致。

所述的VCP编码(安全编码技术，Vital Coded Processor)是指，给每个变量分配独一无二的签名，然后配有相应的低位和高位，在每周期运行过程中，分别更新低位和高位得到固定的签名值，如果签名值发生变化，则说明程序处理失败。

所述的NIASL(Numerically Integrated Safety Assurance Logic，数字集成安全保障逻辑)技术是指，通过32位冗余编码并将编码分为成对出现的真值和假值的方法，保证各变量的安全侧代码倒向危险侧的概率极低。而在双机热备系统中，把传统的由继电器实现的联锁逻辑和控制逻辑转化为一系列逻辑表达式，通过NISAL技术的联锁安全运算功能(简称BOOL运算)保证逻辑表达式的正确实施。

所述的离线配置工具提供VCP编码过程中所需的变量签名和签名调整值，从而维持VCP变量为固定值，离线配置工具还提供补偿值Rectify，以实现CRC与NISAL码字的相互转换。

在本发明的一个实施例中，所述的运算模块一般是逻辑运算板卡(嵌入式的板卡，一般插在机架上)。在本发明中，所谓的“在线”可以理解为逻辑运算板卡在运行过程中接收和发送的数据，而相对的，“离线”指的是在非运行过程，通过一定规则，得到的固定数据。而离线配置工具，就是为了在指定的运行场景下(实际环境中就是一个车站)，通过这个规则，得到固定的配套数据。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述的离线配置工具首先通过签名分配模块产生签名信息，即，将CRC转VCP过程中涉及到的每个变量分配一个独一无二的变量签名，并产生一个记录所有原始变量签名的文件，用以辅助签名闭环验证。所谓的变量签名，指的是给一个变量分配一个特定的数字，而该数字本身满足VCP编码的性质要求，这些数字都是提前筛选好的，然后把这些数字不重复的分配给所有变量作为变量签名。

同时签名分配模块还生成一个二进制文件VCP2CRC.bin，该二进制文件中包含变量签名和节点掩码值(以下简称为M值，每个节点的M值不同且唯一，每个节点都有若干变量，在本实施例中，所述的节点代表车次)。

通信处理程序本质上是进行通信消息的模拟，模拟了多个通信节点的多种通信状态(正常接收、宽恕处理，超时处理)，首先模拟通信的数据包，包括正常通信数据包，宽恕数据包，超时数据包，然后通信处理程序用VCP2CRC转化技术进行超时判断，批量得到与实际代码运行结果一致的各个节点对应的VCP校验码(VCP_CKW)和签名调整值，将VCP校验码和签名调整值保存在离线索引表中。

VCP_UP模块和VCP_DN模块代表的是双通道，两个模块逻辑实现部分是相同的，重点实现VCP超时判断部分，并将判断结果相关变量存储生成离线索引表；而他们的差异在于使用了不同的数据，从而实现双通道运算。

VCP_CKW＝PD(g_IF_S_0,SrcID)，其中，PD运算是多项式除法(PolynomialDivision)，g_IF_S_0是超时判断的结果变量(结果包含超时，正常通信，宽恕；但是不同节点的正常通信变量也不一样)，SrcID是不同节点的ID号。

签名调整值是根据不同的超时判断的结果变量做出的不同签名调整值。原理上，变量签名要维持每个周期一致，而在超时判断过程中，会改变变量签名，所以为了维持一致，就要根据不同的超时判断结果进行补偿，使变量签名的值恢复到超时判断以前。

在实际应用中，为了得到一个固定可复用的离线索引表，引入了Map.ini映射配置文件，实现不同通信节点映射到固定离线索引表的功能。该Map.ini配置文件中保存不同节点的ID信息。原理上，在分配变量签名的时候，是通过变量的顺序记录的，所以为了使这个顺序关系与SrcID能对应上，增加了这个Map.ini映射配置文件，以兼容不同的SrcID，实现与SrcID的解绑。

整个通信处理程序通过输入的原始签名和对数据直接计算CRC的方式，验证CRC转化VCP过程的正确性，实现闭环校验功能。通信处理程序会对模拟的通信数据进行VCP2CRC转化，结合CRC组合型原理得到该模拟的通信数据的CRC值。而验证的时候，会直接对原始的通信数据进行CRC计算，得到CRC值，默认情况下，认为直接计算的CRC值是正确的(出错的概率较低)，然后比较两种方式得到的CRC，若一致，则说明VCP2CRC转化过程正确。

最后将Map.ini映射配置文件和离线索引表输入CAA软件(Computer-AidedApplication，用于将计算机联锁软件条件转化成应用数据结构，供计算机联锁系统读取和执行)，CAA软件在生成数据过程中，将VCP_CKW，结合Bit码位对应的CRC和NISAL码生成一个补偿值(Rectify)，与签名值信息一起组成ADS数据提供给应用程序，ADS是一种离线数据，存放了运行环境(不同的)所需要的一些信息。

补偿值Rectify＝PD逆(NISAL,CRC,VCP_CKW)；

其中，NISAL对应的是具体的码位，CRC与当前SrcID和具体的码位信息相关，VCP_CKW对应的是对应SrcID的超时判断结果，所以可知补偿值Rectify是当前SrcID对应的具体码位的一个中间值。

PD运算是一个可逆的运算，通过PD运算和PD逆运算，可以实现NISAL码位的提取。

此步骤是为了得到离线的补偿值Rectify，使用的是已知的NISAL码(本质上，所有变量的NISAL码位都是提前分配好的，也就是说在离线的情况下，NISAL码是已知的)。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，采用本发明提供的通信方法应用在双机热备系统的RSSP-I通信接收处理流程中，重点在协议的应用层处理。

在接收到SFM层传递过来的消息后，双机热备系统的双通道并行处理，且双通道的VCP编码和NISAL编码时分配的码字不同，防止双CPU共模失效。

首先根据接收的消息的结构，将接收数据划分为消息头Header和消息码位Bit，其中，消息头Header中包含了时间序列信息，具有时效性特征，消息码位Bit为传输的具体码位消息，表示消息的具体状态。

处理过程中，首先进行CRC预检查，确保消息的完整性，接着对消息头Header及其对应的CRC进行VCP转化，转化过程中读取离线配置的消息头Header变量签名，其具体的转化过程如图3中接收处理部分所示，首先加载VCP2CRC.bin文件初始化CRC2VCP()函数，初始化过程中包含获取所有节点的变量签名，以及每个节点的M值。对于每一个时间周期DT，将消息头Header和CRC_recv(表示接收到的消息头Header的CRC)输入该CRC2VCP()函数，随后通过CRC转VCP算法，将消息变量转化为具备高低位的VCP变量VCP(H,L)(此时的低位异或了M值)。

在校验得到的VCP变量是否正确时，为防止内存中存有同样取值的CRC，刚开始计算得到的CRC会掩上特定的码字，即对于每一条消息(每一辆车)，会匹配一个特定值M(M1，M2，M3……)，在得到消息的高低位变量值后，通过VCP变量低位反算出一个CRC_calc^M(CRC_calc表示低位运算得到的消息头Header的CRC)，然后通过CRC_calc^M^CRC_recv＝M(CRC_calc与CRC_recv计算正确情况下是一致的)，得到每个节点的M值，运算正确的话，则这个M值与离线提供的M值一致，从而验证了获得的VCP变量的高低位有无差错。

验证通过以后，进行VCP超时判断，将判断结果生成VCP校验码VCP_CKW。图3中的VCP_CHK()是进行超时判断得到超时判断的结果和对应的VCP校验码VCP_CKW。

然后根据单个消息码位Bit，得到一个仅有该消息码位Bit的数据对应的CRC，之后结合该消息码位CRC，VCP校验码VCP_CKW和通信节点对应的补偿值Rectify，得到该消息码位Bit对应的NISAL码，实现CRC到VCP变量最后得到NISAL码的过程。

通过BOOL运算在线得到的NISAL码位的具体公式：

NISAL＝PD(Rectify,VCP_CKW,CRC)；

此步骤是在程序运行过程中计算得到此变量的NISAL码位，计算的方法相对于计算补偿值Rectify是一个逆计算过程，换句话说，在离线计算补偿值Rectify的步骤中，将NISAL码位藏匿在补偿值Rectify中，在通过BOOL运算在线计算NISAL码位的过程中，解析补偿值Rectify得到变量对应的NISAL码位。

当PD运算的三个参数只要有一个出现匹配错误，则最后得到的NISAL码字将是错误的，也就是如果发生SrcID错误匹配、信号ID与信号控制命令错误匹配(具体码位错误匹配)，则会导致NISAL码字出错。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，采用本发明提供的通信方法应用在双机热备系统的RSSP-I通信发送处理流程中，在BOOL运算以后，将得到的NISAL码结合通信节点对应的离线配置中的补偿值Rectify得到消息码位Bit数据和对应的消息码位CRC。

同时，如图3中的发送部分，获取接收时的VCP高低位变量值，对于每一个时间周期DT，调用VCP2CRC()函数(是CRC2VCP()函数的逆运算)算出一个CRC_cal^M，根据M值的每个节点固定且唯一，调用离线的M值异或，从而得到消息头Header对应的CRC_cal值，获取消息头CRC的过程中，同时根据通信状态(正常接收、宽恕处理，超时处理)，读取离线配置中的签名调整值，维持签名的一致性。最后，将消息头CRC和消息码位CRC进行CRC异或得到完整的消息和对应的CRC，完成整个应用层的发送处理。

本发明具有以下有益效果：

1、通过VCP编码技术，CRC组合性原理，NIASL技术，实现了对通信消息的冗余编码和超时判断，保证了数据的完整性，时效性。

2、利用双通道不同的VCP编码和NISAL编码处理，防止双CPU共模失效。

3、每个周期对存放VCP校验码VCP Checkword的内存进行刷新，防止内存固化。

4、生成VCP校验码VCP Checkword，并结合离线配置工具提供的补偿值Rectify，实现从CRC到NISAL的转换，并以NISAL码字出错的形式，防止了判断指令失效，内存随机失效引发的SrcID错误匹配、信号ID与信号控制命令错误匹配的情况。

5、通过映射配置文件实现不同的节点信息，对应固定的离线配置，从而适配不同的远端节点。

6、通过离线配置工具模拟N个通信节点的多种场景(正常通信，宽恕，超时)，并以闭环校验通信过程正确性，以较低的时间成本验证了多节点多场景通信的正确性。

7、通过纯编码的方式实现对通信消息的安全防护，可适用单核和多核CPU，降低对操作系统要求，不需两种相异实时操作系统，也不需要单一认证实时操作系统，仅需一种实时操作系统，降低对编译系统要求，不需两种相异编译器，也不需要单一认证编译器，仅需一种通用编译器，具有可移植性。

8、纯编码的方式(NISAL技术、VCP技术和CRC技术的综合运用)，不仅适用于RSSP-I通信，也适用于其他安全通信协议，具有通用性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于编码的计算机联锁系统通信方法，其特征在于，包含以下步骤：

接收应用层的数据时，根据CRC组合性原理将接收数据拆解为CRC时效性特征信息和CRC非时效性特征信息，对CRC时效性特征信息进行VCP编码获得VCP变量和VCP校验码，利用VCP校验码和离线配置工具提供的补偿值，将CRC非时效性特征信息通过BOOL运算转化为NISAL码；

发送数据给应用层时，利用VCP校验码和离线配置工具提供的补偿值，通过BOOL运算将NISAL码转化为CRC非时效性特征信息，利用VCP校验码，根据VCP编码将VCP变量转化为CRC时效性特征信息，根据CRC组合性原理将CRC时效性特征信息和CRC非时效性特征信息整合为发送数据。

2.如权利要求1所述的基于编码的计算机联锁系统通信方法，其特征在于，双机热备计算机联锁系统的双通道进行并行通信，双通道的VCP编码和NISAL编码时分配的码字不同。

3.如权利要求1所述的基于编码的计算机联锁系统通信方法，其特征在于，所述的离线配置工具提供VCP编码过程中所需的变量签名和签名调整值，以维持VCP变量为固定值，离线配置工具还提供补偿值，以实现CRC与NISAL码字的相互转换。

4.如权利要求3所述的基于编码的计算机联锁系统通信方法，其特征在于，VCP校验码的计算方式为：VCP_CKW＝PD(g_IF_S_0,SrcID)，其中，VCP_CKW是VCP校验码，PD运算是多项式除法，g_IF_S_0是对VCP编码过程的超时判断的结果变量，SrcID是不同节点的ID号。

5.如权利要求4所述的基于编码的计算机联锁系统通信方法，其特征在于，所述的补偿值的计算方式为：

Rectify＝PD逆(NISAL,CRC,VCP_CKW)；

其中，Rectify是补偿值，PD逆是多项式除法的逆运算，NISAL是具体的码位，CRC是CRC非时效性特征信息，VCP_CKW是VCP校验码。

6.如权利要求5所述的基于编码的计算机联锁系统通信方法，其特征在于，所述的通过BOOL运算转化为NISAL码的计算方式为：

NISAL＝PD(Rectify,VCP_CKW,CRC)；

其中，PD运算是多项式除法，Rectify是补偿值，VCP_CKW是VCP校验码，CRC是CRC非时效性特征信息。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任意一项所述的通信方法。

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