列控?cái)?shù)據(jù)完備性建模方法研究

程憶佳，王俊峰

（北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100044）

中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS（Chinese Train Control System）根據(jù)功能要求和設(shè)備配置劃分為0～4級(jí)5個(gè)應(yīng)用等級(jí)。其中，CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的后備系統(tǒng)。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景有調(diào)車作業(yè)、等級(jí)轉(zhuǎn)換、RBC切換等。本文以研究等級(jí)轉(zhuǎn)換和降級(jí)場(chǎng)景為例，進(jìn)行建模并提出分析高速鐵路列車控制數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱列控?cái)?shù)據(jù)）完備性的方法。

1 列控?cái)?shù)據(jù)完備性的定義

列行車許可狀態(tài)信息、降級(jí)狀態(tài)等。（3）RBC與車載GSM-R無(wú)線模塊之間：進(jìn)路描述信息、移動(dòng)授權(quán)、緊急制動(dòng)、列車位置、注冊(cè)與注銷信息等。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的設(shè)備控制機(jī)理是圍繞著列控?cái)?shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸和執(zhí)行進(jìn)行的。因此，列控?cái)?shù)據(jù)是列車運(yùn)行控制的基礎(chǔ)，其完備性直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全。本文主要考慮列控?cái)?shù)據(jù)完備性中的實(shí)時(shí)性、兼容性及完整性3個(gè)方面。列控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性在建模中體現(xiàn)，兼容性在場(chǎng)景描述中體現(xiàn)，完整性由建模后模型完成的成功率體現(xiàn)。

2 列控?cái)?shù)據(jù)完備性的建模

采用隨機(jī)Petri網(wǎng)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行建模的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)并行、分布系統(tǒng)易于描述，適合子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)及狀態(tài)變換較多的情況；同時(shí)它在變遷的實(shí)施中加有

（1）RBC與CTC之間：時(shí)間同步信息、登錄信息、列車狀態(tài)、RBC工作狀態(tài)、報(bào)警信息等。（2）RBC與聯(lián)鎖之間：列車位置信息、列車速度信息、時(shí)延，這個(gè)特性使其能精確地描述系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2.1 模型的定義

一個(gè)Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)元素包括：位置、變遷和弧。位置：描述系統(tǒng)的局部狀態(tài)，包含標(biāo)記，標(biāo)記在位置中的變化表示系統(tǒng)處于不同的狀態(tài)。變遷：描述修改系統(tǒng)狀態(tài)的事件。弧：引述事件能夠發(fā)生的局部狀態(tài)和由事件引發(fā)的局部狀態(tài)的改變。

隨機(jī)Petri網(wǎng)變遷的實(shí)施過(guò)程為：在變遷的輸入位置清除一個(gè)標(biāo)記；變遷實(shí)施的延時(shí)中保持輸入位置清除同時(shí)不在變遷的輸出位置產(chǎn)生標(biāo)記狀態(tài)；最后在變遷經(jīng)過(guò)規(guī)定的延時(shí)后，在輸出位置產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)記。

2.2 模型的結(jié)構(gòu)

為了避免隨機(jī)Petri網(wǎng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的描述時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)空間爆炸問(wèn)題，本文應(yīng)用層次模型和分層分析方法建立模型。

將場(chǎng)景的建模設(shè)計(jì)為上層模型，消息傳輸模型設(shè)計(jì)成底層模型，采用自上而下的方式建立列控?cái)?shù)據(jù)完備性模型。在設(shè)計(jì)上層模型時(shí)只考慮各子系統(tǒng)之間的交互，使得模型具有良好的層次結(jié)構(gòu)，建模結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)例分析

3.1 頂層模型

本文研究的場(chǎng)景主要涉及RBC與車載設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互。在建立頂層模型時(shí)，對(duì)各場(chǎng)景分別分析RBC和車載的行為。在隨機(jī)Petri網(wǎng)圖形表示中，位置用圓圈表示，一般時(shí)間變遷用扁長(zhǎng)方形表示，瞬時(shí)變遷用線段表示，標(biāo)記在位置中用黑點(diǎn)表示。

3.1.1 設(shè)備正常情況下等級(jí)切換

（1）CTCS-2級(jí)進(jìn)入CTCS-3級(jí)控車

列車在CTCS-2級(jí)進(jìn)入CTCS-3級(jí)控車時(shí)，車載設(shè)備的無(wú)線電臺(tái)建立與GSM-R的通信。車載設(shè)備接收到RBC建立連接的命令后與RBC建立聯(lián)系。RBC向列控車載設(shè)備發(fā)送位置報(bào)告參數(shù)和行車許可請(qǐng)求參數(shù)；車載設(shè)備向RBC報(bào)告列車位置和當(dāng)前等級(jí)及模式信息。當(dāng)列車前端通過(guò)等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組時(shí)，車載設(shè)備向RBC報(bào)告列車位置；同時(shí)RBC向車載設(shè)備提供行車許可及等級(jí)轉(zhuǎn)換命令。在列車通過(guò)CTCS-2級(jí)/CTCS-3級(jí)邊界時(shí)，車載設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)為CTCS-3級(jí)控車。

RBC行為模型如圖2。

圖2 RBC行為模型

位置“idle”表示RBC處于空閑狀態(tài)。“keep”表示RBC和車載保持通信聯(lián)系。“M58+57”是位置報(bào)告參數(shù)和行車許可請(qǐng)求信息。“M24+44”是指RBC對(duì)結(jié)束任務(wù)消息的確認(rèn)信息。“M3”是配置參數(shù)信息。“S”表示RBC向車載發(fā)送信息。“sure”是RBC確認(rèn)列車所處進(jìn)路。“M41”是行車許可及等級(jí)切換命令。變遷“delay”表示組包延時(shí)。R0：車載注冊(cè)到GSM-R后，呼叫RBC成功。R2、R4、R8：收到車載發(fā)送的確認(rèn)信息。R3：收到車載發(fā)送的列車位置、當(dāng)前等級(jí)。R5：收到車載報(bào)告的進(jìn)路位置。R6/ R7：車載報(bào)告的進(jìn)路位置無(wú)效/有效。R9：列車走到轉(zhuǎn)換點(diǎn)的延時(shí)，由列車速度確定。R10：列車向RBC請(qǐng)求行車許可。

車載行為模型如圖3。

圖3 車載行為模型

位置“C2”、“C3”分別表示列車按CTCS-2級(jí)、CTCS-3級(jí)控車。“wait”表示列車保持與GSM-R連接。“M1”指車載呼叫RBC。“M2”指與RBC通信結(jié)束確認(rèn)信息包。“S”指車載向RBC發(fā)送消息。“M3”指參照于LRBG的列車位置和當(dāng)前等級(jí)及模式信息。“M4”是列車所處的進(jìn)路位置。“M5”是車載向RBC請(qǐng)求行車許可。變遷R1：與GSMR連接注冊(cè)。R2：通過(guò)RBC連接應(yīng)答器組。R3 /R4：與RBC呼叫不成功/成功。R5：收到RBC位置報(bào)告參數(shù)和行車許可請(qǐng)求。R6、R8：收到RBC確認(rèn)信息。R7：通過(guò)等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組。R9/R10：車載報(bào)告位置信息無(wú)效/有效。R11：RBC向車載設(shè)備提供線路參數(shù)和行車許可。R12：通過(guò)等級(jí)轉(zhuǎn)換應(yīng)答器組。

（2） CTCS-3級(jí)進(jìn)入CTCS-2級(jí)控車

列車由CTCS-2級(jí)控車進(jìn)入CTCS-3級(jí)控車時(shí)，RBC向車載設(shè)備發(fā)送等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告命令。列車前端在越過(guò)CTCS-3級(jí)/CTCS-2級(jí)邊界時(shí)車載設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)為CTCS-2級(jí)控車。在列車尾部越過(guò)CTCS-3級(jí)/CTCS-2級(jí)邊界后，車載設(shè)備向RBC報(bào)告列車位置。RBC確認(rèn)后命令車載設(shè)備斷開(kāi)與RBC的連接并注銷列車注冊(cè)信息；車載關(guān)閉與RBC的連接。根據(jù)CTCS-3級(jí)進(jìn)入CTCS-2級(jí)控車流程， RBC行為模型如圖4。

圖4 RBC行為模型

位置“keep”指正常行車狀態(tài)。“M41”是等級(jí)轉(zhuǎn)換命令。“M42”是斷開(kāi)與車載設(shè)備連接命令。“M39”是與車載通信結(jié)束確認(rèn)信息。“M24+44”是RBC對(duì)結(jié)束任務(wù)消息的確認(rèn)信息包。“S”是RBC向車載發(fā)送消息。“end”指RBC注銷成功。變遷R1、R2、R3：收到車載發(fā)送的確認(rèn)信息。delay1：收到車載發(fā)送過(guò)來(lái)的位置信息。

車載行為模型如圖5。

圖5 車載行為模型

位置“C3”指車載設(shè)備按CTCS-3級(jí)控車。“wait1”是等待列車通過(guò)CTCS-3級(jí)/CTCS-2級(jí)邊界。“wait2”是收到RBC發(fā)送的斷開(kāi)與車載設(shè)備連接命令。“M136”是列車位置信息。“M156”：列車和RBC終止會(huì)晤信息。變遷delay1、2：分別為車載收到RBC發(fā)送的等級(jí)切換命令、斷開(kāi)與車載設(shè)備連接命令。R1：列車車載通過(guò)等級(jí)切換應(yīng)答器時(shí)刻。R2、R3：收到車載發(fā)送的確認(rèn)信息。

3.1.2 設(shè)備故障情況下降級(jí)場(chǎng)景

降級(jí)情況是指當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備或車載設(shè)備故障后，系統(tǒng)從CTCS-3級(jí)降級(jí)為CTCS-2級(jí)控車的場(chǎng)景。本文主要研究RBC故障、車載設(shè)備故障和無(wú)線通信設(shè)備故障。

（1）RBC故障降級(jí)模型。當(dāng)2套R(shí)BC設(shè)備均停止工作后，CTC檢測(cè)到與RBC信息傳輸或故障報(bào)警信息，列車中斷與RBC之間的通信連接。列車實(shí)施最大常用制動(dòng)，在速度降到CTCS-2級(jí)狀態(tài)后自動(dòng)轉(zhuǎn)為CTCS-2級(jí)控車。車載設(shè)備關(guān)閉與RBC的連接，刪除其呼叫信息。本文僅建立車載在RBC故障情況下的模型。車載行為模型如圖6。

圖6 車載行為模型

位置“M1”指列車位置報(bào)告信息。“wait”是列車按CTCS-3級(jí)正常行車。“D5”指列車減速。“close”指車載設(shè)備關(guān)閉與RBC的通信連接。變遷R1：發(fā)送列車位置報(bào)告信息變遷。R2：收到RBC確認(rèn)信息。R3 、R4：車載與RBC通信超時(shí)。R5：列車減速到CTCS-2級(jí)系統(tǒng)允許速度時(shí)間。

（2）車地通信故障降級(jí)模型。車載設(shè)備故障的種類較多，本文只考慮涉及GSM-R無(wú)線通信設(shè)備單元故障情況。車載設(shè)備無(wú)線通信設(shè)備單元故障時(shí)，列車實(shí)施最大常用制動(dòng)，在速度降到CTCS-2級(jí)規(guī)定速度后自動(dòng)轉(zhuǎn)為CTCS-2級(jí)控車；車載設(shè)備關(guān)閉與RBC的連接，刪除RBC的呼叫信息；RBC刪除相關(guān)列車的注冊(cè)信息。

無(wú)線通信設(shè)備故障，RBC與列車通信超時(shí)后，列車實(shí)施最大常用制動(dòng)，在速度降到CTCS-2級(jí)狀態(tài)后自動(dòng)轉(zhuǎn)為CTCS-2級(jí)控車。車載設(shè)備關(guān)閉與RBC的通信連接，刪除RBC的呼叫信息。RBC刪除相關(guān)列車的注冊(cè)信息。GSM-R故障模型如圖7。

圖7 GSM-R故障模型

位置 “L1”指GSM-R突發(fā)降質(zhì)狀態(tài)。 “L2”是鏈路中斷狀態(tài)。“Loss”指GSM-R故障狀態(tài)。“R1”是GSM-R重新連接狀態(tài)。變遷T3、T6：GSMR由正常狀態(tài)到突發(fā)降質(zhì)狀態(tài)、鏈路中斷狀態(tài)的變遷。T2：GSM-R從鏈路中斷到重新連接的變遷。T1、T4：重新連接成功、失敗。T7、T5：鏈路中斷修復(fù)成功、失敗。RBC行為模型如圖8。

圖8 RBC行為模型

位置“check”指檢查位置報(bào)告的正確性。“C1”指計(jì)算MA。“S1”指計(jì)算MA時(shí)，有緊急停車時(shí)觸發(fā)。“S2”是正常發(fā)送MA。“D5”指發(fā)送錯(cuò)誤。“Delete”是刪除相關(guān)列車的注冊(cè)信息。變遷T1：收到列車位置報(bào)告和最新區(qū)段狀態(tài)信息。T2：檢查位置報(bào)告調(diào)用函數(shù)的時(shí)間。T3：有新的列車覆蓋范圍外的區(qū)段變?yōu)檎加谩4：計(jì)算出MA。T5、T6：發(fā)送信息。T8：未收到列車發(fā)送消息一直到延時(shí)。T9：信息中斷時(shí)間。

3.2 底層模型

（1）RBC消息發(fā)送流程。周期開(kāi)始后，讀取消息接收堆棧，若有已被確認(rèn)的消息，從重發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除該消息。重發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)中若有未確認(rèn)的消息，判定其是否已達(dá)到重發(fā)的最大次數(shù)。如已達(dá)到，轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理流程，如未達(dá)到，將需要重發(fā)的消息寫(xiě)入輸出堆棧。最后對(duì)重發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)中的消息進(jìn)行重發(fā)計(jì)數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）車載消息發(fā)送流程。發(fā)送方將數(shù)據(jù)寫(xiě)入接口模塊的發(fā)送區(qū)，接收區(qū)讀取后到接收緩存區(qū)。接收方數(shù)據(jù)更新成功，向接口模塊反饋區(qū)發(fā)送“發(fā)送成功”反饋信息。發(fā)送方從接口模塊反饋區(qū)讀取反饋信息，準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)更新失敗，則不發(fā)送。如果反饋區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)未收到接收方的反饋信息，認(rèn)為發(fā)送失敗，轉(zhuǎn)向故障態(tài)。

3.3 列控?cái)?shù)據(jù)完備性分析

（1）列控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)性分析。用隨機(jī)Petri網(wǎng)的分析軟件得到RBC和車載2種發(fā)送消息模型的平均延時(shí)。建立出有不同列車數(shù)量和不同系統(tǒng)周期為參數(shù)的消息模型的平均延時(shí)。在系統(tǒng)周期不變的情況下，列車數(shù)量和系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間的關(guān)系以及在列車數(shù)量不變的情況下，系統(tǒng)平均延時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)周期間的關(guān)系。分析這些延時(shí)對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響，從而可得出系統(tǒng)接受列車注冊(cè)的數(shù)量和系統(tǒng)周期的最佳值范圍。

（2）列控?cái)?shù)據(jù)兼容性和完整性分析。列控?cái)?shù)據(jù)兼容性和完整性是基于CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)等級(jí)切換及設(shè)備故障降級(jí)模型。將頂層模型和底層模型結(jié)合，設(shè)置標(biāo)記的數(shù)量、瞬時(shí)變遷、延時(shí)變遷等參數(shù)，在隨機(jī)Petri網(wǎng)分析軟件上得出列車在不同速度參數(shù)和不同系統(tǒng)周期參數(shù)，模型完成的成功率。從而得出模型完成的成功率與列車速度之間的關(guān)系以及系統(tǒng)周期與模型完成的成功率的關(guān)系。這樣就可以說(shuō)明能保證列控?cái)?shù)據(jù)的兼容性和完整性良好的列車速度范圍和系統(tǒng)周期時(shí)間的范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種分析列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完備性的建模方法，其核心是以隨機(jī)Petri網(wǎng)理論為基礎(chǔ)，采用層次模型和分層分析方法來(lái)建立列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完備性模型。采用該方法使在建立上層模型時(shí)只用考慮列控子系統(tǒng)間的信息交互，使模型具有更好的層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能更準(zhǔn)確地描述各子系統(tǒng)間的行為。最后通過(guò)對(duì)等級(jí)切換和設(shè)備故障降級(jí)場(chǎng)景中列控?cái)?shù)據(jù)完備性建模，說(shuō)明了方法的有效性。列控?cái)?shù)據(jù)完備性分析方案，對(duì)于分析列車運(yùn)行安全問(wèn)題有著積極的作用。

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