铁路信号三重冗余系统可靠性和安全性分析
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式 中 为 矩 阵 Ｐ的特 征 值 ， 矩 阵 Ｒ 由对 应 于 ａ 而 １的矩 阵 Ｐ 的 特征 向量 组 成 ． 与 Ｒ ｌ 为 逆 矩 阵 。 Ｒ — 互 （ ） ＭＲ 系统 安 全 性 分 析 二 Ｔ 假设 Ｔ ＭＲ系 统 的 ３个 同 时 工 作 的冗 余 模 块 分 别 为 Ａ、 Ｂ和 Ｃ。 由于 采 用 三取 二 表 决 方式 ， 以如 果 一 个 模 块 故 障不 影 响 系 所 统 的 正 常 工作 ， 只有 当两 个 或 两 个 以上 的模 块 发 生 故 障 时 ． 统 系
一
、
效模块数＞ ２时 ． 统 失 效 。 如果 将 该 状 态 视 为 马 尔 可 夫 吸 收态 ， 系 那么 ． 系统 的状 态 恰 好 符 合 马 尔 可夫 吸收 链 。 因此 ． ＭＲ 系统 具 有 ２ ８种状 态 ， 设 每 个 模 块 的 失 效 率 入 Ｔ ３ 假
控 制 系 统 、 间信 号 控 制 系 统 、 路 行 车 指挥 控 制 系统 以及 列 车 区 铁 运 行 自动 控 制 系 统 等 。车 站 信 号控 制 系统 是 铁路 运 输 领域 里 重
ｓ ＿
盖 率 远 小 于 １ 系 统 将 无 法 有 效 利 用 冗 余 部 件 ． 为 系 统 无 法 辨 ， 因 别部件是否故障 ， 就无 法 进 行 故 障 部件 的 切 除 与 替换 ， 用 冗 余 采 提 高系 统 可 靠性 效 果 将 降 低 。 （ ） 障检 测覆 盖 率 对 系统 安 全 性 的 影响 二 故
要 的 控制 系统 之 一 。车 站信 号 控 制 系 统 是 由室 内控 制 设 备 、 室外 站 场设 备 和 通信 线 路 等 硬 件 设 备 和 电路 组 成 ， 照 特 定 的 规 则 ， 按 选 择 列 车所 要 经 过 的 进路 。 些 特 定 规 则 ， 是 信 号 灯 、 岔 、 这 就 道 区
赵 忠分 析 了铁 路 信 号 三 重 冗余 系统 可 靠性 和 安 全 性 ， 最后 做 出 了总 结 并展 望 了未 来此 技 术 在铁 路信 号 方 面 的发 展 。
关 键 词 ： 路 信 号控 制 系统 概 述 铁 路信 号是 铁 路 运 输 部 门保 证 行 车 安 全 ， 高 运 输 效 率 ， 提 实 现 运 输 管 理 自动 化 和列 车运 行 自动 控 制 的重 要 技 术 手 段 。铁 路 信 号 系 统 按 其应 用 场所 可 分 为 车站 信 号 控 制 系统 、 编组 站 调 车
都相 同 ． 当一 个 模 块 发 生 故 障 时 ， 会 影 响 系 统 的正 常 工 作 ， 不 而 当失 效 模 块 数 ＞ ２时 ， 统 失效 。 个 状 态 可 以 视 为 马尔 可 夫 吸 收 系 这 态 。考 虑 到 可 修 Ｔ ＭＲ系 统 当 一 个 模块 发生 故 障 时 ， 个 系统 并 整 未 失 效 ， 效 模 块 仍 有 修 复 的 可 能性 ， 复 率 为 Ｐ 由于 系 统 进 入 失 修 。 两 个 模 块 失 效 状 态 时 ， 统 实 际 上 已经 失 效 ， 此 ， 统 状 态 可 系 因 系
二、 系统 的 可 靠 性 与 安全 性 评 估
平 均 故 障 间 隔 时 间为 ： Ｂ ＝ ［ＩＱ）Ｃ ＭＴ Ｆ Ｈ （ １ — 其 中 Ｈ （ ０ １１ 单 位 矩 阵 ， ＝Ｉ …Ｏ ， 是 Ｏ Ｃ是元 素为 １的列 向量
ａ１ Ｏ … Ｏ
Ｄ ［ ・ … … …］ ＝． ．
才 会 失 效 。 ＭＲ系 统 具 有 一 个 突 出 的优 点 ， 能 够检 测 出单 模 块 Ｔ 即 的故 障 ， 这在 无 形 中就 可 大 大 提 高 了 系统 的安 全 性 。 们 将 ３个 我 冗 余 模 块 以外 的 其 它模 块 作 为一 个 整 体 ， 称 为外 围设 备 。为 了 统 简 化 分 析 过 程 ． 妨 作 以下 假 设 ： 不 １由于 两个 或两 个 以上 模 块 同 时 发 生故 障 的概 率 很 小 。 单 ． 与
参考文献：
写
［］ １何友全， 铁道信号 许登． 微机联锁Ｉ． Ｊ 交通与计算机， ０，） ］ ２ ０５ ０ （ ．虽
［］ ２杨仕平， 熊光泽． 安全关键 系统 高可靠性保障技术 的研 究 吾
Ⅱ． 算机 科 学 ，０３（） 】 计 ２０， ５
故 障 一 安 全 系 统 中 的 故 障 ， 据 它 是 否 可 以被 检 出来 ． 为 根 分 可检 测 故 障 和不 可 检 测 故 障 两 种 。 果 故 障 可 以被 检 测 出来 。 如 我 们 总 可 以 采 取 相 应 的措 施 加 以 防 范 ，以 免 因 故 障 而 导 致 系 统 给 出危 险 侧输 出 。 因此 系统 内部 出现 故 障 时 能被 及 时检 测 出来 并 处 理 的 情 况 下 ，系统 不 会 给 出危 险侧 输 出 。 现有 的故 障检 测 技 术 ， 般 对 单故 障都 有 很 高 的 检 测 覆盖 率 。只是 对 双 重 或 多 重故 一 障 的 检测 覆 盖 率 较 低 。由 于多 重 故 障 发 生 概 率很 低 。 因此 影 响 系
明了三重冗余系统ｆ ＲＯ可靠性和安 ｒ ） Ｍ ＇ ￣ 全性， 建议在我国 铁路信 詈
号 事业 中推 广 该 技 术 。
个 或 两 个 以上 模 块 同 时 失 效 的 概 率 可 以 忽 略 不 计 ， 同样 ， 位 时 单
间 内只 考 虑 一 个模 块 修 复 的 可 能 性 。在计 算 系统 的可 靠 性 时 ． 如 果某 一 模 块 的失 效 将 导 致 整 个 系 统 的 失 效 ， 时 ． 面 模 块 的失 此 后 效 状 况 就 不 再 予 以 考 虑 。所 以 ， 于一 个 ｎ模 表 决 系 统 来 说 ． 对 失
系 统 设 备 和 器件 ｆ 称 产 品１ 可 靠 性 定 义 为 在 规 定 的 时 间 统 的 内 和规 定 的 条件 下 ｆ 环境 下 ） 成规 定 功 能 的能 力 。 全 性 反 映 系 完 安
统 在 运 行 过 程 中不 产 生 导 致 危 险 性 因 素 的 能 力 。 产 品 的 失 效 率 或 者 说 何 时 发 生 故 障 是 随 机 的 ．所 以产 品 的 可靠 性 与 安 全 性 在 本 质 上 具有 概 率 特 性 。 （ ） 障检 测 覆 盖 率 对 系统 可 靠性 的 影 响 一 故 若 系 统 是 一 个冗 余 系 统 。 系统 故 障 时冗 余 部 件是 否被 有 效 利 用 ， 很 大 程 度上 依 赖 于 故 障 检 测覆 盖率 。 果 故 障 检 测 覆 盖 在 如 率 接 近 于 １ 系 统 能 及 时 诊 断 出所 出 现 的 故 障 且 正 确 处 理 ． 而 ， 从
系 统 能够 有 效 地 利 用 冗 余 部 件 ， 成 系 统 的 重 组 与 重 构 ， 高 了 完 提 系 统 的 可靠 性 。反 之 ， 果 故 障 检 测 是 极 不 完 善 的 ， 障检 测 覆 如 故
模 块 的 故 障 概 率相 比可 忽 略 不 计 ；． 模 块 的 故 障 不 会 导 致 危 险 ２单 输 出 ， 且 单 模 块 故 障 可 被 检 出 ；． 并 ３当发 生单 模 块 故 障 ， 且 在 故 并 障 未 被 检 出期 间 ， 果 有 另 一 模 块 又 发 生 故 障 ． 如 则保 守地 认 为 系 统 会 给 出危 险 侧 输 出 ；． 障 是 随 机 的 ， 运 行 符 合 定 常 马尔 可 ４故 其 夫 过 程 ；． 统 修 复后 ， 好 如 初 。 ５系 完 在 对 系统 的 评 估 过 程 所 推 算 出 的 各 种 状 态 下 的 稳 态 概 率 ． 将相关参数代人 。 可得 Ｔ ＭＲ 系统 安 全 度 为
锁 。所 以 ， 站 信 号 控 制 系 统 就 是 实 现联 锁 的 系 统 ， 称 车 站 联 车 也
锁 系统 。 铁 路信 号 系统 是 保 证 行 车 安 全 的实 时控 制 系统 ，它 必 须 具
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０ １
有 高度 的可 靠 性 和 安 全性 。 该 系 统 的 长期 发 展 中 ， 本上 是 依 在 基 赖 于实 践 和 经 验 积 累 ， 提 高 系统 的可 靠 性 和 安 全性 的 。 些 年 以 近 来， 由于 容 错 技 术 的 发 展 ， 得 电 子 数 字 技 术 、 算 机 技 术 在 铁 使 计 路 信号 领 域 得 到 了应 用 。因此 ． 安 全 性 与 可 靠 性 分析 基 础 进 行 对 简 单介 绍 ， 且 分 析 三取 二 冗 余 系统 的安 全性 与 可靠 性 ， 今 后 并 为 系统 的更 新 改造 打好 理 论 基 础 。
简 化 为 ３个模 块正 常工 作 。 一个 模 块 失 效 和两 个 模 块 失 效 。 系 统 状 态 转移 矩 阵 为
ｌ３ 一入 ３ 入 ０
段 以 及 进路 之 间 的制 约关 系 ， 之 为 联 锁 ， 实现 这种 联 锁 的设 称 而 备 称 为联 锁 设 备 。由此 可 以看 出 ． 车站 信 号 控 制 系 统 的 核心 是 联
统 安全 性 的 故 障 主 要是 双 重 故 障 。
三 、 重 冗余 系统 （ＭＲ 的可 靠 性 和 安 全 性 分 析 三 Ｔ ） （ ） ＭＲ 系统 的 可 靠性 分 析 一 Ｔ 对 于多 模 表 决 系统 来 说 ， 定 表 决 器 的可 靠 度 Ｒ、 １并 且 假 为 ．
每个 模 块 失 效 是 独 立 的 ， 么 ， 单 位 时 间 内两 个 或 两 个 以 上 模 那 在 块 失 效 的概 率 远远 小 于 单 个 模 块 失效 的概 率 。因此 ， 意 时 刻 两 任
若 取 人 二 １ — 修 复 时 间 Ｔ ｈ ， 安 全 度 Ｓ Ｉ 障 安 全 度 ０ ４， ＝８则 ＝ 故
Ｄ＝０９９。 ．
由此 可 见 ，ＭＲ安 全 度 以 及 可 靠 性 明 显高 于单 双 机 系 统 Ｔ 五、 结束 语 微 机 联 锁 系 统 是 铁 路 信 号 联 锁 的发 展 方 向 ． 具 有 ６ ０ 它 ５２电 气 集 中联 锁 系统 不可 比拟 的优 越 性 。同时 具 有 具 有 界 面友 好 ． 操 作 简 便 等 特 点 ， 制 系 统 部 分 与 仿 真 软 件 相 配 合 ， 够 很 好 地 控 控 能 制 站 场 实 际设 备 。同 时 ， 文 在 分 析 了 Ｔ Ｒ 系 统 的 安全 性 后 。 本 Ｍ 证
孽科技
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铁路信号三重冗余 系统可靠性和安全性分析
口 武 建 军 中 国神 华 神 朔 铁 路 分 公 司 电 务段
摘
要 ： 文 以研 究铁 路 信 号 三 重 冗 余 系统 可 靠性 和 安 全 性 为 主题 ， 绍 了铁 路 信 号连 锁 控 制 系统 的 结 构 和 特 点 ， 在 此 基 础 上 该 介 并
式 中 为 矩 阵 Ｐ的特 征 值 ， 矩 阵 Ｒ 由对 应 于 ａ 而 １的矩 阵 Ｐ 的 特征 向量 组 成 ． 与 Ｒ ｌ 为 逆 矩 阵 。 Ｒ — 互 （ ） ＭＲ 系统 安 全 性 分 析 二 Ｔ 假设 Ｔ ＭＲ系 统 的 ３个 同 时 工 作 的冗 余 模 块 分 别 为 Ａ、 Ｂ和 Ｃ。 由于 采 用 三取 二 表 决 方式 ， 以如 果 一 个 模 块 故 障不 影 响 系 所 统 的 正 常 工作 ， 只有 当两 个 或 两 个 以上 的模 块 发 生 故 障 时 ． 统 系
一
、
效模块数＞ ２时 ． 统 失 效 。 如果 将 该 状 态 视 为 马 尔 可 夫 吸 收态 ， 系 那么 ． 系统 的状 态 恰 好 符 合 马 尔 可夫 吸收 链 。 因此 ． ＭＲ 系统 具 有 ２ ８种状 态 ， 设 每 个 模 块 的 失 效 率 入 Ｔ ３ 假
控 制 系 统 、 间信 号 控 制 系 统 、 路 行 车 指挥 控 制 系统 以及 列 车 区 铁 运 行 自动 控 制 系 统 等 。车 站 信 号控 制 系统 是 铁路 运 输 领域 里 重
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盖 率 远 小 于 １ 系 统 将 无 法 有 效 利 用 冗 余 部 件 ． 为 系 统 无 法 辨 ， 因 别部件是否故障 ， 就无 法 进 行 故 障 部件 的 切 除 与 替换 ， 用 冗 余 采 提 高系 统 可 靠性 效 果 将 降 低 。 （ ） 障检 测覆 盖 率 对 系统 安 全 性 的 影响 二 故
要 的 控制 系统 之 一 。车 站信 号 控 制 系 统 是 由室 内控 制 设 备 、 室外 站 场设 备 和 通信 线 路 等 硬 件 设 备 和 电路 组 成 ， 照 特 定 的 规 则 ， 按 选 择 列 车所 要 经 过 的 进路 。 些 特 定 规 则 ， 是 信 号 灯 、 岔 、 这 就 道 区
赵 忠分 析 了铁 路 信 号 三 重 冗余 系统 可 靠性 和 安 全 性 ， 最后 做 出 了总 结 并展 望 了未 来此 技 术 在铁 路信 号 方 面 的发 展 。
关 键 词 ： 路 信 号控 制 系统 概 述 铁 路信 号是 铁 路 运 输 部 门保 证 行 车 安 全 ， 高 运 输 效 率 ， 提 实 现 运 输 管 理 自动 化 和列 车运 行 自动 控 制 的重 要 技 术 手 段 。铁 路 信 号 系 统 按 其应 用 场所 可 分 为 车站 信 号 控 制 系统 、 编组 站 调 车
都相 同 ． 当一 个 模 块 发 生 故 障 时 ， 会 影 响 系 统 的正 常 工 作 ， 不 而 当失 效 模 块 数 ＞ ２时 ， 统 失效 。 个 状 态 可 以 视 为 马尔 可 夫 吸 收 系 这 态 。考 虑 到 可 修 Ｔ ＭＲ系 统 当 一 个 模块 发生 故 障 时 ， 个 系统 并 整 未 失 效 ， 效 模 块 仍 有 修 复 的 可 能性 ， 复 率 为 Ｐ 由于 系 统 进 入 失 修 。 两 个 模 块 失 效 状 态 时 ， 统 实 际 上 已经 失 效 ， 此 ， 统 状 态 可 系 因 系
二、 系统 的 可 靠 性 与 安全 性 评 估
平 均 故 障 间 隔 时 间为 ： Ｂ ＝ ［ＩＱ）Ｃ ＭＴ Ｆ Ｈ （ １ — 其 中 Ｈ （ ０ １１ 单 位 矩 阵 ， ＝Ｉ …Ｏ ， 是 Ｏ Ｃ是元 素为 １的列 向量
ａ１ Ｏ … Ｏ
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才 会 失 效 。 ＭＲ系 统 具 有 一 个 突 出 的优 点 ， 能 够检 测 出单 模 块 Ｔ 即 的故 障 ， 这在 无 形 中就 可 大 大 提 高 了 系统 的安 全 性 。 们 将 ３个 我 冗 余 模 块 以外 的 其 它模 块 作 为一 个 整 体 ， 称 为外 围设 备 。为 了 统 简 化 分 析 过 程 ． 妨 作 以下 假 设 ： 不 １由于 两个 或两 个 以上 模 块 同 时 发 生故 障 的概 率 很 小 。 单 ． 与
参考文献：
写
［］ １何友全， 铁道信号 许登． 微机联锁Ｉ． Ｊ 交通与计算机， ０，） ］ ２ ０５ ０ （ ．虽
［］ ２杨仕平， 熊光泽． 安全关键 系统 高可靠性保障技术 的研 究 吾
Ⅱ． 算机 科 学 ，０３（） 】 计 ２０， ５
故 障 一 安 全 系 统 中 的 故 障 ， 据 它 是 否 可 以被 检 出来 ． 为 根 分 可检 测 故 障 和不 可 检 测 故 障 两 种 。 果 故 障 可 以被 检 测 出来 。 如 我 们 总 可 以 采 取 相 应 的措 施 加 以 防 范 ，以 免 因 故 障 而 导 致 系 统 给 出危 险 侧输 出 。 因此 系统 内部 出现 故 障 时 能被 及 时检 测 出来 并 处 理 的 情 况 下 ，系统 不 会 给 出危 险侧 输 出 。 现有 的故 障检 测 技 术 ， 般 对 单故 障都 有 很 高 的 检 测 覆盖 率 。只是 对 双 重 或 多 重故 一 障 的 检测 覆 盖 率 较 低 。由 于多 重 故 障 发 生 概 率很 低 。 因此 影 响 系
明了三重冗余系统ｆ ＲＯ可靠性和安 ｒ ） Ｍ ＇ ￣ 全性， 建议在我国 铁路信 詈
号 事业 中推 广 该 技 术 。
个 或 两 个 以上 模 块 同 时 失 效 的 概 率 可 以 忽 略 不 计 ， 同样 ， 位 时 单
间 内只 考 虑 一 个模 块 修 复 的 可 能 性 。在计 算 系统 的可 靠 性 时 ． 如 果某 一 模 块 的失 效 将 导 致 整 个 系 统 的 失 效 ， 时 ． 面 模 块 的失 此 后 效 状 况 就 不 再 予 以 考 虑 。所 以 ， 于一 个 ｎ模 表 决 系 统 来 说 ． 对 失
系 统 设 备 和 器件 ｆ 称 产 品１ 可 靠 性 定 义 为 在 规 定 的 时 间 统 的 内 和规 定 的 条件 下 ｆ 环境 下 ） 成规 定 功 能 的能 力 。 全 性 反 映 系 完 安
统 在 运 行 过 程 中不 产 生 导 致 危 险 性 因 素 的 能 力 。 产 品 的 失 效 率 或 者 说 何 时 发 生 故 障 是 随 机 的 ．所 以产 品 的 可靠 性 与 安 全 性 在 本 质 上 具有 概 率 特 性 。 （ ） 障检 测 覆 盖 率 对 系统 可 靠性 的 影 响 一 故 若 系 统 是 一 个冗 余 系 统 。 系统 故 障 时冗 余 部 件是 否被 有 效 利 用 ， 很 大 程 度上 依 赖 于 故 障 检 测覆 盖率 。 果 故 障 检 测 覆 盖 在 如 率 接 近 于 １ 系 统 能 及 时 诊 断 出所 出 现 的 故 障 且 正 确 处 理 ． 而 ， 从
系 统 能够 有 效 地 利 用 冗 余 部 件 ， 成 系 统 的 重 组 与 重 构 ， 高 了 完 提 系 统 的 可靠 性 。反 之 ， 果 故 障 检 测 是 极 不 完 善 的 ， 障检 测 覆 如 故
模 块 的 故 障 概 率相 比可 忽 略 不 计 ；． 模 块 的 故 障 不 会 导 致 危 险 ２单 输 出 ， 且 单 模 块 故 障 可 被 检 出 ；． 并 ３当发 生单 模 块 故 障 ， 且 在 故 并 障 未 被 检 出期 间 ， 果 有 另 一 模 块 又 发 生 故 障 ． 如 则保 守地 认 为 系 统 会 给 出危 险 侧 输 出 ；． 障 是 随 机 的 ， 运 行 符 合 定 常 马尔 可 ４故 其 夫 过 程 ；． 统 修 复后 ， 好 如 初 。 ５系 完 在 对 系统 的 评 估 过 程 所 推 算 出 的 各 种 状 态 下 的 稳 态 概 率 ． 将相关参数代人 。 可得 Ｔ ＭＲ 系统 安 全 度 为
锁 。所 以 ， 站 信 号 控 制 系 统 就 是 实 现联 锁 的 系 统 ， 称 车 站 联 车 也
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ｐ【 ＝
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１２一 — ２
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有 高度 的可 靠 性 和 安 全性 。 该 系 统 的 长期 发 展 中 ， 本上 是 依 在 基 赖 于实 践 和 经 验 积 累 ， 提 高 系统 的可 靠 性 和 安 全性 的 。 些 年 以 近 来， 由于 容 错 技 术 的 发 展 ， 得 电 子 数 字 技 术 、 算 机 技 术 在 铁 使 计 路 信号 领 域 得 到 了应 用 。因此 ． 安 全 性 与 可 靠 性 分析 基 础 进 行 对 简 单介 绍 ， 且 分 析 三取 二 冗 余 系统 的安 全性 与 可靠 性 ， 今 后 并 为 系统 的更 新 改造 打好 理 论 基 础 。
简 化 为 ３个模 块正 常工 作 。 一个 模 块 失 效 和两 个 模 块 失 效 。 系 统 状 态 转移 矩 阵 为
ｌ３ 一入 ３ 入 ０
段 以 及 进路 之 间 的制 约关 系 ， 之 为 联 锁 ， 实现 这种 联 锁 的设 称 而 备 称 为联 锁 设 备 。由此 可 以看 出 ． 车站 信 号 控 制 系 统 的 核心 是 联
统 安全 性 的 故 障 主 要是 双 重 故 障 。
三 、 重 冗余 系统 （ＭＲ 的可 靠 性 和 安 全 性 分 析 三 Ｔ ） （ ） ＭＲ 系统 的 可 靠性 分 析 一 Ｔ 对 于多 模 表 决 系统 来 说 ， 定 表 决 器 的可 靠 度 Ｒ、 １并 且 假 为 ．
每个 模 块 失 效 是 独 立 的 ， 么 ， 单 位 时 间 内两 个 或 两 个 以 上 模 那 在 块 失 效 的概 率 远远 小 于 单 个 模 块 失效 的概 率 。因此 ， 意 时 刻 两 任
若 取 人 二 １ — 修 复 时 间 Ｔ ｈ ， 安 全 度 Ｓ Ｉ 障 安 全 度 ０ ４， ＝８则 ＝ 故
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由此 可 见 ，ＭＲ安 全 度 以 及 可 靠 性 明 显高 于单 双 机 系 统 Ｔ 五、 结束 语 微 机 联 锁 系 统 是 铁 路 信 号 联 锁 的发 展 方 向 ． 具 有 ６ ０ 它 ５２电 气 集 中联 锁 系统 不可 比拟 的优 越 性 。同时 具 有 具 有 界 面友 好 ． 操 作 简 便 等 特 点 ， 制 系 统 部 分 与 仿 真 软 件 相 配 合 ， 够 很 好 地 控 控 能 制 站 场 实 际设 备 。同 时 ， 文 在 分 析 了 Ｔ Ｒ 系 统 的 安全 性 后 。 本 Ｍ 证
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铁路信号三重冗余 系统可靠性和安全性分析
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摘
要 ： 文 以研 究铁 路 信 号 三 重 冗 余 系统 可 靠性 和 安 全 性 为 主题 ， 绍 了铁 路 信 号连 锁 控 制 系统 的 结 构 和 特 点 ， 在 此 基 础 上 该 介 并