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采用随机Petri网理论对车载故障可能导致列控系统降级的场景和列控系统在不同等级之间发生转换的场景进行了研究,以保证并提高列车运行环境的安全性。在模型中,对可能导致车载设备故障的三种因素:传输错误、越区切换、连接丢失所引发的车载设备和备用车载设备均故障所引发降级的场景,进行了建模和分析;并在降级场景发生后,列控设备通过尝试连接GSM-R无线网络升级为CTCS-3级进行了建模和分析。用TimeNet4.0平台对模型的正确性进行了仿真,得出了该模型在各种场景发生的概率分布曲线,对CTCS-3降级运行进行了定量与定性分析。
210 016,52(18 Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 生。此时如果类似越区切换或通信连接丢失等小概率速度350kmh以上降为CTCS-2级的最高允许速度300 事件发生.车载控制设备则有可能不能接收到准确的数km/h,如图2所示。 据,最终导致列控设备未接收到正确的定位信息。导致 当列车降为CTCS-2级列控系统以后,列车的安全 列控系统等级下降,列车继续运行,直到经过下一个应答等级上升,当车载设备通过自动连接或在人T十预恢复 器,待车载设备通过自动连接或在人工干预恢复正常以正常以后,列车可以成功连接GSM-R无线网络,并与 后,经过下一组应答器时,再转化为CICS-3级列控系统。RBC取得联系,在经过下一组正常使用的应答器组时 列控设备车载设备仿真测试过程牵涉到很多的信列车可由CTCS-2级列控系统转换为CTCS-3级列控系 息,为∫使测试更加直观,将其中测试信息以图形显示统“,如图3所示 界面的方式呈现出来,在提高仿真逼真度的同时也提高 了测试效率。 4车载设备故障导致CTCS3和CTCS2等级转 32乍载设备故障导致的等级转换场景分析 换的模型设计 当车载设备出现故障导致与GSMR网络连接失效 针对以上:各种车载设备故障引发因素:传输错淏、 时,RBC不能正确收到列车的所在位置,列车的安全等越区切换连接丢失,按照故障情况分别引入故障了网 级下降,可能引发一系列不安全连倒效应,如列车安全和故障恢复子网,故障子网包括传输错误、越区切换、连 距离不能正确计算、列车的运行速度不能得到尢线以塞接丢失和降为CTCS-2级四个模块;故障恢复子岗包括 中心的调度等风险,此吋安全稳妥的办法是使CICS-3与GSMR( Global System for Mobile communications 级列控系统降为CrCS-2级。在信息传输方式上,传 for Railway)无线网络进行连接和升级为CTCS-3级两个 输由CTCS-3级的车、地之间通信采用无线方式的双向模块。由以上两个子网形成下面完整的车载设备故障导 通信转换为CTCS-2级为单向信息传输;在列车行车时致的等级转换模型如图4所示,对该模型将在随机 Petri 问隔上,由CICS-3级列控系统的3min的时间间隔转网仿真环境 TimeNet40中做系统设计、执行和分析 换为CTCS-2级的5min以上的时间间隔;在设备使用 上述车载设备故障导致的等级转换模型中库所的 上,由CTCS-3级列控系统的只采用无线传输方式而较功能定义如表1所示,变迁的功能定义如表2所示。定 少采用地面设备转换为CTCS2级的较多使用地面信号义库所C3表小列车处」CTCS-3级的正常控制模式,当 设备;在速度控制上,由CTCS-3级列控系统的最高允许库所C3中含有标记时表示列车处于正常工作状态,当 CICS-3级区域 列车速度降 全 遭遇突发cTCS2级范围列车 ctcS-2级模式下 情况内且司机确认 运行 地面应答器 图2列控系统由CTCS-3级转换为CTCS-2级示意图 动车段及联络线(CTCS-2级区域) CTCS-3级区域 动车段 联络线 RL:建立无线连接 LTA:等级预告 RE LTO:等级转换 LTO LTA LT 图3列控系统由CICS-2级转换为CICS-3级示意图 胡晓辉,王元鹏,陈永,等:车载设备故障导致CTCS等级转换的建模与仿真 2016,52(18 2l1 nswit crror receive_ Error Receiving failure re transmit error re receive Error re Receiving failure cellborder andover cell error re_c3/re cellborder re handover re_cell_error\,connected_fail loss indication indicate re_ loss_indication re indicate/ connect blish tp av fail 图4车载设备故障导致的等级转换模型 表1车载设备故障导致的等级转换模型库所功能表 库所名 实现功能 表小列车处于CTCS-3级正常工作状态,E{C3}=1表示处于正常状态,E{C3}=0表小处于非正常状态 ( re rcccivc Frror表示(备用)车载设备发生信息传输出错状态,{re) receive Frror}=1表示处于此状态 (re handover 表示(备用)车载设备发生越区切换状态状态,E{(re) handover}-1表示处于此状态 ( re loss indication表示(备用)车绂设备发生信总连接丢失状态,E{(re) loss indication}-1表示处于此状态 re o 表示列车的首个车载设备出现枚障,启用备用车载设备的状态,F{#re_C3}=1表示处于此状态 表示列车处于CTCS-2级正常工作状态,E{#C2}=1表示处于正常状态 establish 表示车载设备已正常连接GSM无线网路,L{ establish}=1表示处于此状态 库所C3中不含有标记时表示车载设备故障导致的等级要仿真的应答器故障导致的等级转换模型只需要设置 转换模型处于引发因素屮的一个故障状态。定义库所个标记( Token)来表示各个状态的运行情况,因为 rcccivc error表示车载设备发生信息传输出错状态,定个标记其实就是一个布尔变量,0或者1不同的取值表 义库所 handover-表示车载设备发生越区切换状态,定义示正常态和非正常态。整个系统的标记数为1,那么对 库所 loss indication表示车载设备发生信息连接丢失状应在设计应答器故障导致的等级转换模型时采用单 态,定义库所reC3表示列车的首个车载设备出现故弧即弧权都为1的弧来连接不同状态库所之间的转变。 障,启用备用车载设备的状态,定义库所 re receive error 表2车载改备故障导致的等级转换模型变迁功能表 表示备川车载设备发生信息传输出错状态,定义库所 变迁名 变迁类型 实现功能 re handover表示备用车载设备发生越区切换状态,定义(re) transmit crror指数分布变迁表示(备用设备)发生传输错误 库所 loss indication表示备用车载设备发生信息连接丢( re )cellborder指数分布变迁表示(备用设备)发生越区切换 失状态,定义库所 connected fai表示列车与GSMR网 (re)loss指数分布变迁表示(备用设各)发生连接丢失 络连接失效状态,定义库所C2表示列车在CICS-2级模 estp 泊松分布变迁表示车载设备与GSM-R网络建连接 式下控制,定义库所 establish表示车载设备已正常连接 变迁(re) transmit error表示(备用)车载设备发生 GSMR无线网路。图中的变迁包含时间变迁和瞬时变信息传输出错,服从指数分布,技术指标要求通信传输 迂,图中较细的黑色变迁表示瞬时变迁(如图屮的εs错误开始率在95%慨率下大于等于7s及终止通信频率 变迁),该类变迂表示一个一旦满烂条件就会触发的事传输错误率在95%的概率下小于1s,得出指数分布参 件,其优先级比时间变迁高,这类变迁的实施相比时间数A0==0.007328,其数学期望值为10。变迁(rc) 变迁的实施只需要极少的时问,可以认为不需要时间; ccllbordcr表示(备川)车载设备发生越区切换,服从指 黑色变迁表示确定性时间变迁(如图中的ai变迁),该数分布,由于GSMR网络为线状覆盖,切换发生的频率 类变迁表示一个有着确定的延时的事件;白色变迁表示可以由41=vd得到,其中,表示列车的速度,d表示 指数分布时间变迁(如图中的 transmit error变迁),该类BTS的平均距离。CTCS-3中列车的速度可达500kmh 变迁表示延时服从指数分布的事件叫,显然对于整个d的值为3km,故其期望值为x1的倒数1/1=0.006h= 212 016,52(18 Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 21.6s。变迁(re)lss表示(备用)车载设备发生信息连 通过平台的调试和仿真,得出各个状态的发生概 接丢失,服从指数分布,根据技术规范要求,尽可能地降率,以及各个状态随着吋间的增加而变化的概率曲线。 低一个完整的连接丢失的概率,最多允许每1万小时1次,得出R1概率为585%,R2概率为3233%,R3概率为 由此2的值为2.78×10次/s,其数学期望值为12。1656%,R4概率为4544%,R5概率为0529%。仿真 变迁fa表示车载设备与GSMR网络建立连接失败,服结果采用线性的图形显示形式,从图形曲线可以看出 从指数分布,根据GSMR技术指标要求在99%的情况R1在58.5%附近震荡,即库所C3中包含标记也就是表 下为75,取实施执行时间t=75s。设变迁aip触发示列车处于CICS-3级的正常控制模式的概率元限接近 概率为u,则瞬时变迁cstp的触发概率为1-a,因为要43%。如图6 求GSM-R通信系统发生故障后重新建立时候保持在 999%成功的概率,因此概率参数=1-999%=0.001 1.10 瞬时变迁esp与 fail因为同时与库所C2连接,所以涉 及到激活规则,分配不同慨率,高慨率变迁高慨率触 0.95 发。变迁 connect表示GSMR通信连接丢失后重新建 常控制模 仿真曲线 立成功所需要的时间,一般是随机值,但是GSMR技术 范围波动出线 参数要求在95%的情况下不超过5s,因此A1==0.5991 0.60 对应数学期望值为1/36 5车载设备故障导致的等级转换模型伤真分析图6车我设备在CTCS-3级模式正常运行的仿真概率曲线 上述车载设备故障导致的等级转换模型中对车载 R2是衡量库所reC3状态的执行措施,即仿真分析 设备故障后导致的列车等级转换场景做了进步的刻画,在常用车载设备发生故障的情况下,使用备用设备控制 加入了GSMR网络故障恢复的情况。构造好车载设备下的CIC3级模式状态的概率,从图形曲线可以看出 故障旱致的等级转换模型后下一步需要在仿真环境n在0到10s之间逐步上升,当仿真曲线在结束时间 TimeNet4.0中进行仿真分析评价,对于该模型的定义执=10s时,rec3的概率值为323%,如图7。 行措施,R1:P{C3=1}表示列车处于正常工作状态的 052 概率;R2:P{#reC3=1}表示列车的首个车载设备出现 故障,启用备用车载设备的状态概率;R3:P{ connected fil=l}表示列车与GSMR网络连接失效状态的概率 R4:P{# estfail--1}表示无线网络建立连接失败的概率; 范国波动曲线 R5:P{# establish=1}表示无线网络建立连接成功的概率。 015 备玄载设备 下面对该模型进行性能评价测试,首先采川动态睡 行仿真线 时仿真 Transien方法,动态瞬时仿真方法可以在连续时 间内对标记在不同库所的流向进行仿真,以求出模型中 各个状态出现的概率值。在 Timenet4.0仿真平台中,将 图7备用车毂设备在¢TCS-3级模式正常运行的 搭建好的模型进行动态瞬时仿真,设置仿頁结束时间为 仿真概率曲线 10s,仿真精度为10-,如图5 R3是衡量库所 connected fail状态的执行措施即表 列车与GSM-R网络连接失效的概率,根据仿真曲线 在结束时间t=10s时, connected fail的概率值为1.656%, PT加看:l 即列车与GSM-R网络连接失效的概率为0.001656, a暂上 如图8 西 R4是衡量库所 entail状态的执行措施,即表示无线 网络建立连接失败的概率,根据仿真曲线在结束时间 t=10s时, estfai的概率值为4.544%,即无线网络建立 图 连接失败的概率为0.04544,如图9。 R5是衡量库所 establish状态的执行措施,即表示无 图5 tenEt4.0仿真参数设置示意图 线网络建立连接成功的概率,根据仿真曲线在结束吋问 胡晓辉,王元鹏,陈永,等:车载设备故障导致CTCS等级转换的建模与仿真 2016,52(18)2 加而逐渐增加,故应在相关设备的生产和维护过程中 充分考虑应对各种故障的措施,完善相关措施的实施手 段,以及在列车运行控制上对本文仿真绪果进行理论 参考。 范围波动曲线 参考文献 五线网络连接 []林闯随机Peri网和系统性能评价[M]北京:清华大学出版 0.05 夫效伤真由绿 社有限公司,2005 2R3:##32R223 [2]李冰,朱雅楠CTCS-3系统屮GSM-R网络结构的研究分 图8列车与GSM-R网绪连接尖效状态的仿真概率曲线 析门铁道标准设计,2013(4):11 [3]宋海锋,袁磊,吕继东,等.多分辨犖建模在CTCS-3级列控 .11 系统车载设备仿真与测试中的应用[]西华大学学报:自 然科学版,2014,33(1):1 0.09 08 p [4]程忆佳基于等级转换场景的CTCS-3级列控数据完备性 0.07 分析[冂]北京:北京交通大学,2012 0.05 范围波动曲线 S] Litzen b,刘旸上ICs-3列车完垩性功能的安全目标[]铁 0.04 路通信信号工程技术,2014,11(1):7-19 0.02 0.01 [6]韩桯系统延时不确定性对安全性及系统性能的影响分析[J] 无线络重连 失败仿真线 铁路通信信号工程技术,2014,111):65-69 [7 Zimmermann A, Hommel G Towards modeling and cval- uation of etCs real-time communication and operation[J] 图9无线网络建立连接大败仿真概率曲线 Journal of Systems and Softw are, 2005, 77(1): 47-54 1=10s时,cti概率值为052,即无线网络建立1 IImInermann A, knoke,Huek, et al.Towards version 连接成功的概率为0.00522,如图10 4.0 of TimeNET[JJ. 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