基于SPN的CTCS-3级列控系统RBC切换建模与分析

基于SPN的CTCS-3级列控系统RBC切换建模与分析

作者：金广宏

来源：《中国科技博览》2013年第28期

[摘要]在CTCS-3级列控系统中，RBC切换是车载设备的关键功能之一，它严重影响着列车的行车效率。本文采用随机Petri网层次化建模思想，对基于一部车载电台RBC切换方式进行建模和分析。建立了GSM-R故障模型为最底层模型，之后建立了周期性消息模型和非周期性消息模型，在此之上建立了RBC切换模型。最后，利用建模仿真软件TimeNET进行了仿真实验，以基于一部车载电台的RBC切换为例进行了分析，得到在不同列车运行速度和不同消息重发时间间隔对RBC切换成功率和切换时间的影响。 [关键词]列控系统；RBC切换；建模；随机Petri网；

Modeling and Analysis of CTCS-3 RBC Handover Based on SPN

[Abstract]In the CTCS-3 Train Control System,RBC Handover is one of the key functions of CTCS-3 On-Board Equipment,it seriously affects the train travel efficiency.In this paper,the RBC Handover with one MT2 is modeled analyzed with hierarchical modeling idea.Firstly,we had

established the GSM-R application layer model.Secondly,we had modeled the periodic message and non-periodic message based on the GSM-R application layer model,then we could get the RBC Handover model.Finally,the RBC Handover with one MT2 was analyzed by using TimeNET.While we analyzed the factors which affect the RBC Handover success rate,such as the train speed,the message retransmission time interval.

[Key words]Train control system; RBC Handover; model; Stochastic Petri net; 中图分类号:U21 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)28-0018-03

为了确保列车运行安全、提高铁路运输效率，迫切需要装备性能先进、安全可靠的列车运行控制系统。中国列车运行控制系统CTCS（Chinese Train Control System）根据功能要求和设备配置将它划分0～4级五个应用等级。其中CTCS-3级列控系统是保证高速列车运行安全、高效的核心技术之一，它包括地面设备和车载设备。

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RBC切换作为CTCS-3级列控系统车载设备的主要功能之一，它直接影响着高速列车的运行安全和运行效率。因此对RBC切换，尤其是对基于一部车载电台（比较恶劣条件）的RBC切换进行建模、仿真和验证，研究影响RBC切换时间和RBC切换成功率的主要因素，可以为提高车载设备执行RBC切换的成功率以及减少RBC切换时间提供理论指导和技术支持。 1 RBC切换建模工具

本文采用随机Petri网对RBC切换过程进行建模，是因为它对并行、分布系统有着易于描述的特点，适合描述本文中列控系统子系统间的数据以及状态的变换较多的情况。

Petri网的结构元素包括：位置、变迁和弧。位置：用于描述系统的局部状态。位置中包含标记，标记在位置中的变化表示系统处于不同的状态。变迁：用于描述修改系统状态的事件。弧：用于引述事件能够发生的局部状态和由事件引发的局部状态的改变。

随机Petri网变迁的实施过程为：在变迁的输入位置清除一个标记；再在变迁实施的延时中保持这种在输入位置的清除同时也不在变迁的输出位置产生一个标记状态；最后在变迁经过规定的延时后，在变迁的输出位置产生一个标记。 2 RBC切换建模 2.1 模型的结构

为了避免随机Petri网对复杂系统的描述时可能会导致状态空间爆炸问题，采用层次模型和分层分析这种方法来建立模型。本文将RBC切换的建模设计为上层模型，将无线消息传输模型设计成底层模型，采用自下而上的方式建立模型。这样在设计上层模型时只需考虑各子系统之间的交互，使得该模型具有良好的层次结构。本论文的建模结构为：（见图1） 2.2 底层模型

在本文中建立的底层模型主要包括GSM-R故障模型、周期性消息模型和非周期性消息模型。其中，GSM-R故障模型为最底层模型。

在随机Petri网图形表示中，用圆圈表示位置；用扁长方形表示一般时间变迁，用线段表示瞬时变迁，在位置中用黑点表示标记。 2.2.1 GSM-R故障模型

GSM-R故障的原因一般分为三种情况，即链路中断、突发降质以及越区切换。

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链路中断是指GSM-R的通信链路有时会以很小的概率发生中断，当GSM-R设备检测到通信链路中断后，会再次尝试连接。在规范中要求GSM-R的连接中断概率要小于0.01次/小时，链路中断检测所需时间应小于1秒。在8秒内连接成功的概率为95%，大于10秒则认为连接出现错误。

突发降质是指信道发生的随机的短暂中断，在中断后能自动恢复正常。在规范中规定，无线信道突发降质的持续周期小于1秒的概率为99%，其产生周期大于7秒的概率为99%。 越区切换是指在两个相邻的GSM-R区间交接处会出现通信中止的现象。每个GSM-R无线区间的距离平均为7千米，设列车以v千米每小时的速度行驶，则每隔7/v小时列车经过一次GSM-R的区间交接处。越区切换会导致0.3秒的通信中断。GSM-R故障模型为：(见图2) 其中，位置“P0”表示GSM-R网络处于正常状态。“P1”代表GSM-R处于突发降质状态。“P2”代表GSM-R处于链路中断状态。“P3”表示链路重新连接状态。“P4”代表GSM-R处于越区切换状态。

变迁“T0、T1、T2”分别表示GSM-R从正常状态转入链路中断状态、突发降质状态、越区切换状态。“T3、T5、T6”表示恢复正常状态。“T4”代表链路检测过程。 2.2.2 无线消息模型 （1）周期性消息模型

在发送周期性消息时，接收设备不需要发送应答消息给发送设备，并且发送给接收设备的消息不需要重发，如消息丢失，则等待下一个周期的消息。周期性消息模型为：(见图3) 其中，位置“M”表示待发送的消息。 “UP”代表消息进入上行链路。“R”指消息到达接收端。“P0”表示消息发送失败。

变迁“S”表示消息发送。“T1、GSM-R”分别模拟周期性消息在GSM-R正常、故障情况下的传输延时。“delay”是指经过一定延时，进入下一周期。“re”指GSM-R恢复正常状态。 （2）非周期性消息模型

在发送非周期性消息时，如果让每一个发送周期都判断上一周期发送的消息是否得到回复，这样就过于严格。因此规定每经过一定的时间间隔就重新发送一次消息，当重新发送信息的次数达到规定值后（一般为三次），设置一个较大的时间间隔。如果在这个时间间隔中还是没有得到回复确认信息，则认为通信失败。非周期性消息模型为：(见图4)