随着交通、环境问题的日益凸显以及区域经济一体化的不断推进,轨道交通将迎来新一轮的快速发展,对信号系统的安全性与可靠性也提出了更为严格的要求。安全计算机作为信号系统中车载设备与地面设备的核心,直接影响到列车运行的安全、高效,因而安全计算机的结构设计在信号系统的研发中尤为关键。针对安全计算机性能要求的不断提升,以及世界各国竞相研发信号系统的局面,本文以安全性、可靠性为优化目标,以安全计算机为应用对象,基于对现有的几种基本冗余结构的分析,进行安全冗余结构的改进。首先,基于对安全性与可靠性的原理以及研究方法的分析,融合故障检测、故障修复、共因失效等因素,对现有的基于马尔可夫模型的安全性与可靠性定量分析方法分别进行了扩展,以用于对安全性指标PFH、可靠性指标故障率与可靠度的研究,并以二取二、三取二等几种基本冗余结构为例,验证了扩展马尔可夫方法的准确性。其次,针对安全冗余结构的特点、需求,提出了多系多通道的结构设计方案,即采用多子系冗余的方式构成整体冗余结构,其中每个子系通过多通道异构冗余实现其结构设计。继而以单一子系的结构为研究对象,提出了一种二取二加一冗余结构,该结构由两个指令通道及一个热备通道构成,结合了三取二结构与二取二结构的优点。利用扩展马尔可夫方法对比二取二加一结构与几种基本冗余结构的PFH和故障率,验证了二取二加一结构的综合性能优势,并推导计算了单系的等效诊断覆盖率、等效故障检测覆盖率等性能参数,以用于整体系统的性能研究。然后,针对整体安全冗余结构,将单系视为一个单元,首先通过定性分析初步确定了双系、三系的并行、热备结构。继而利用等效性能参数与扩展马尔可夫方法对系统的PFH、故障率和可靠度进行计算。通过分别对比系统性能与单系平均性能,发现双系并行结构与双系热备结构在可靠性与安全性方面各具优势,两者综合性能相近,且均优于两种三系结构。本文初步采用双系并行结构,从而确定了双系二取二加一安全冗余结构。最后,基于改进设计的安全冗余结构,提出了单通道与单系的工作模式,以及单系与系统的容错和安全管理机制。以单系二取二加一结构为例,使用UPPAAL建立了单系容错和安全管理机制的自动机模型并进行模拟,继而通过对模型的可达性、活性、安全性等进行检验,证明了容错和安全管理机制的合理性。在此基础上实现了单系二取二加一结构容错和安全管理机制的仿真设计。