鐵路GSM-R系統(tǒng)可用性分析方法的研究

楊銳

（北京鐵路通信技術(shù)中心，北京 100038）

鐵路GSM-R系統(tǒng)可用性分析方法的研究

楊銳

（北京鐵路通信技術(shù)中心，北京 100038）

GSM-R系統(tǒng)承載著調(diào)度通信語音業(yè)務(wù)、列控業(yè)務(wù)、機(jī)車同步操控業(yè)務(wù)、專業(yè)維修人員語音通信業(yè)務(wù)、車次號校核信息傳送、調(diào)度命令傳送、監(jiān)控信息傳送等眾多的業(yè)務(wù)。隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)將承載更多的新業(yè)務(wù)。GSM-R系統(tǒng)的可靠運(yùn)行直接影響到列車的正常運(yùn)營秩序。從系統(tǒng)的可靠性與可用性理論出發(fā)，研究GSM-R系統(tǒng)的可用性和可靠性的分析方法。

GSM-R系統(tǒng)；可靠性；可用性；理論研究；分析方法

1 概述

隨著鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)已成為高速鐵路、客運(yùn)專線移動通信的基礎(chǔ)通信系統(tǒng)，它承載列車調(diào)度通信、列車控制、調(diào)度命令/進(jìn)路預(yù)告信息傳送等重要的業(yè)務(wù)；既有普速線路也在逐步的更新GSM-R系統(tǒng)。為保證列車穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，需要GSM-R系統(tǒng)提供更安全可靠的業(yè)務(wù)支撐。GSM-R系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的無線列調(diào)系統(tǒng)更復(fù)雜，系統(tǒng)包括核心網(wǎng)、GRPS網(wǎng)、無線網(wǎng)、終端等眾多的網(wǎng)元，任何網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的故障都會影響業(yè)務(wù)的運(yùn)用。在研究分析GSM-R系統(tǒng)可用性時(shí)，需要掌握可靠性原理并采用科學(xué)的方法。本文對可靠性原理進(jìn)行說明，并結(jié)合GSM-R系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對GSM-R系統(tǒng)的可用性分析方法進(jìn)行研究。

2 系統(tǒng)可靠性原理

2.1 相關(guān)參數(shù)及說明

我們研究了可靠性的相關(guān)定義，發(fā)現(xiàn)有很多不同的解釋說明，對這些說明進(jìn)行總結(jié)：在特定的環(huán)境下、特定的時(shí)間范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)特定功能的能力。系統(tǒng)可靠性參數(shù)主要有：可靠度、可維護(hù)度、可用度。

可靠度參數(shù)定義為R（t），用來說明系統(tǒng)正常工作的時(shí)間，主要應(yīng)用在復(fù)雜和難以修復(fù)的系統(tǒng)中。其概念是：在一定的時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)工作正常的概率，其公式為：“R（t）=P{X＞t}”。

隨著技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)逐步發(fā)展為可維修系統(tǒng)，所以出現(xiàn)了可維修度M（t）的概念，來體現(xiàn)系統(tǒng)可維修的難易程度，其公式為：“M（t）=P{X≤t}”。

系統(tǒng)的可用度結(jié)合了可靠度和可維修度，把系統(tǒng)的生存周期和維修的概念進(jìn)行綜合。其概念為：系統(tǒng)正常工作的概率，用As來表示。系統(tǒng)的可用度即系統(tǒng)的可用性，表示系統(tǒng)能否正常提供業(yè)務(wù)的能力。

在討論系統(tǒng)可靠性時(shí)，最常被提到的是：“平均故障時(shí)間（MTTF）、平均維修時(shí)間（MTTR）、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）”，三者之間的關(guān)系為：“MTTR+MTTF=MTBF”。

2.2 盆曲線

盆曲線是用來描述系統(tǒng)生命周期過程中發(fā)生故障概率的曲線，其橫坐標(biāo)是時(shí)間、縱坐標(biāo)是故障頻率，如圖1所示。盆曲線主要反映了系統(tǒng)周期的3個(gè)階段：早期故障階段、隨機(jī)故障階段和磨損故障階段。早期故障類似于汽車的磨合期，系統(tǒng)中的各網(wǎng)元需要進(jìn)行調(diào)試磨合才能達(dá)到最佳的狀態(tài)；隨機(jī)故障階段是系統(tǒng)運(yùn)行最穩(wěn)定的階段，一般故障率比較低，但隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)元不斷的老化，逐步發(fā)展到了磨損故障階段，系統(tǒng)的故障率會越來越高；可靠性好的系統(tǒng)，隨機(jī)故障時(shí)間比較長。

所以我們在分析系統(tǒng)可靠性特性時(shí)，重點(diǎn)分析的是系統(tǒng)隨機(jī)故障階段，此階段系統(tǒng)的可靠性是指數(shù)分布，其公式為：

圖1 盆曲線示意圖

3 分析方法

在進(jìn)行可靠性研究的過程中，最難的就是對可靠性進(jìn)行定性和定量的分析，許多研究方法被提出，主要有2大類，組合法和狀態(tài)法。其中，“可靠性框圖法”、“可靠圖法”、“故障樹法”屬于組合法、“連續(xù)時(shí)間Markov模型”、“離散時(shí)間Markov模型”、“隨機(jī)Petri網(wǎng)模型”、“隨機(jī)回報(bào)網(wǎng)模型”、“廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)模型”屬于狀態(tài)法。（Markov模型以下簡稱M模型；Petri網(wǎng)模型，以下簡稱P網(wǎng)模型）。

3.1 組合法

組合法是一種對系統(tǒng)中網(wǎng)元之間的連接關(guān)系進(jìn)行分析的方法。原理比較簡單，也比較容易理解。

3.1.1 可靠性框圖分析法

圖2 可靠性框圖

3.1.2 可靠圖法

可靠圖分析法，是通過點(diǎn)和線來進(jìn)行邏輯分析。線表示組成系統(tǒng)的網(wǎng)元，網(wǎng)元故障在模型中以中斷相應(yīng)的線來表示。模型有源點(diǎn)和終點(diǎn)，當(dāng)源點(diǎn)和終點(diǎn)之間通達(dá)的路徑中斷時(shí)，說明系統(tǒng)產(chǎn)生了故障。

圖3由一系列的節(jié)點(diǎn)和邊組成，這些邊代表組成系統(tǒng)的器件。器件的失效在模型中通過切斷相應(yīng)的邊來表現(xiàn)。它有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)（沒有輸入）和終止節(jié)點(diǎn)（沒有輸出）。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)之間沒有可通達(dá)的路徑時(shí)，系統(tǒng)便發(fā)生故障。圖3所示的模型便代表了一個(gè)含有5個(gè)網(wǎng)元組成的系統(tǒng)，源點(diǎn)和終點(diǎn)之間有兩個(gè)路徑，網(wǎng)元5是個(gè)獨(dú)立網(wǎng)元，網(wǎng)元1、2和3、4是互為冗余的網(wǎng)元。

圖3 可靠圖模型

3.1.3 故障樹分析方法

故障樹即用網(wǎng)元之間的邏輯關(guān)系來組成樹，邏輯關(guān)系門包括：“與門”、“或門”、“k/n門”。故障樹有2個(gè)事件：基礎(chǔ)事件和上層事件。基礎(chǔ)事件是組成系統(tǒng)的網(wǎng)元，上層事件是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。分析時(shí)有2種方法：從上層至基礎(chǔ)，通過分析故障的情況而畫出故障樹；從基礎(chǔ)至上層，分析網(wǎng)元的狀態(tài)來畫出故障樹，圖4是由與、或門畫出的故障樹。

圖4 故障樹模型

3.2 狀態(tài)法

狀態(tài)分析法是對網(wǎng)元狀態(tài)之間變化關(guān)系進(jìn)行分析的方法，它的分析過程其實(shí)就是隨機(jī)分析的過程。主要采用M模型和P網(wǎng)模型這2種方法。

3.2.1 M模型分析方法

M模型屬于隨機(jī)過程的一種。簡單概括其原理為：系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)與任何時(shí)刻都無關(guān)，只取決于系統(tǒng)前一時(shí)刻的狀態(tài)。有離散、連續(xù)兩種模型。如圖5所示，圈形表示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，弧線表示系統(tǒng)在0、1兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的權(quán)量；離散瞬間轉(zhuǎn)換的為離散模型，所有狀態(tài)轉(zhuǎn)換的概率之和是1，對于連續(xù)M模型，沒有自循環(huán)的情況。

圖5 兩種M模型

3.2.2 P網(wǎng)模型分析方法

P網(wǎng)模型分析法利用圖形工具進(jìn)行建模，主要是為狀態(tài)復(fù)雜且隨機(jī)性較強(qiáng)的系統(tǒng)提供分析的方法和手段，圖6是一個(gè)相對簡單的P模型示意，圓形表示位置、長方形表示變化，位置和變化是P模型中重要的分析元素，他們之間通過有方向的弧線進(jìn)行連接，不斷的進(jìn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化來表示系統(tǒng)的行為。

圖6 P網(wǎng)模型

3.3 分析方法對比

分析方法對比如表1所示。

表1 分析方法對比

4 GSM-R系統(tǒng)可用性分析方法

GSM-R系統(tǒng)是一個(gè)由多網(wǎng)元組成的系統(tǒng)，包括：HLR（歸屬位置寄存器）、IN（智能網(wǎng)）、SMSC（短消息中心）、DNS（域名服務(wù)器）、RADIUS（遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器）、GROS（GPRS歸屬服務(wù)器）、MSC（移動交換中心）、SGSN（GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）、GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）、BSC/PCU（基站控制器/分組控制單元）、TRAU（碼速適配單元）、BTS（基站控制器）、終端等，在提供業(yè)務(wù)時(shí)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型所經(jīng)過的網(wǎng)元有所不同，所以按照可靠性原理GSM-R系統(tǒng)是多個(gè)網(wǎng)元組成的串聯(lián)系統(tǒng)。結(jié)合上述對可靠性與可靠性原理的說明，以及GSM-R網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，我們在分析研究中采用可靠性框圖法。

4.1 GSM-R系統(tǒng)可用性現(xiàn)狀

4.1.1 共用設(shè)備

鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的HLR、IN、SMSC、DNS、RADIUS、GROS定義為共用設(shè)備（以下簡稱共用設(shè)備），共用設(shè)備采用集中設(shè)置的方式，在北京、武漢兩地實(shí)現(xiàn)地理冗余。結(jié)合可用性框圖法的原理，共用設(shè)備在框圖中是并聯(lián)網(wǎng)元，北京、武漢兩地的任一設(shè)備節(jié)點(diǎn)故障不會影響系統(tǒng)的可用性，所以共用設(shè)備的As=1。

4.1.2 MSC、SGSN、GGSN設(shè)備

GSM-R網(wǎng)絡(luò)的中的MSC設(shè)備有兩種類型，一是R99架構(gòu)；二是R4架構(gòu)。R99架構(gòu)設(shè)備是串聯(lián)結(jié)構(gòu)（單節(jié)點(diǎn)）As≠1，R4架構(gòu)是并聯(lián)結(jié)構(gòu)（雙節(jié)點(diǎn)）As=1。SGSN設(shè)備目前均是串聯(lián)結(jié)構(gòu)（單節(jié)點(diǎn)）As≠1。

4.1.3 BSC/PCU、TRAU、BTS

目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的BSC/PCU、TRAU、BTS設(shè)備均是串聯(lián)結(jié)構(gòu)（單節(jié)點(diǎn)）。個(gè)別鐵路局設(shè)置的BSC實(shí)現(xiàn)了冗余，但是主備方式、業(yè)務(wù)恢復(fù)需要一定時(shí)間，所以不是嚴(yán)格意義的并聯(lián)，所以As≠1。

4.1.4 終端

鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的各類業(yè)務(wù)終端包括：CIR（機(jī)車綜合無線通信設(shè)備）、GSM-R手持臺、語音/數(shù)據(jù)等各種GSM-R模塊，在業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)上都是單模塊工作方式（CTCS-3車載終端雖然采用雙模卡，但不是同時(shí)工作），所以是串聯(lián)結(jié)構(gòu)As≠1。

4.1.5 網(wǎng)元之間互聯(lián)的承載網(wǎng)絡(luò)

GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)元之間互聯(lián)的承載網(wǎng)絡(luò)主要是光傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)系統(tǒng)，目前網(wǎng)元之間互聯(lián)通道均采用了不同的傳輸徑路及不同的傳輸系統(tǒng)，而且都配置了多條通道，所以承載網(wǎng)絡(luò)的As=1。

4.2 GSM-R系統(tǒng)可用性計(jì)算方法

了解了GSM-R系統(tǒng)中各網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及冗余方式后，在計(jì)算GSM-R系統(tǒng)的可用性時(shí)，需根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)時(shí)經(jīng)過的不同網(wǎng)元來分別計(jì)算。

4.2.1 智能網(wǎng)相關(guān)的語音呼叫業(yè)務(wù)

此類業(yè)務(wù)包括：調(diào)度通信語音業(yè)務(wù)和機(jī)車上不同身份用戶間語音呼叫業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、TRAU、MSC/VLR/ SSP、HLR、IN，系統(tǒng)可用性要求計(jì)算方法如下：

4.2.2 列控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)

此類業(yè)務(wù)包括：CTCS-3列控業(yè)務(wù)、機(jī)車同步操控業(yè)務(wù)、ITCS列控業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、TRAU、MSC/VLR、IWF、HLR，系統(tǒng)可用性要求計(jì)算方法如下：

4.2.3 組呼業(yè)務(wù)

目前在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的組呼業(yè)務(wù)包括：鐵路緊急呼叫業(yè)務(wù)（299）和車站基站區(qū)組呼業(yè)務(wù)（210），業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、TRAU、MSC/VLR/GCR、HLR，系統(tǒng)可用性要求計(jì)算如下：

4.2.4 普通語音呼叫業(yè)務(wù)

此類業(yè)務(wù)是GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供的最基本的語音呼叫業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、TRAU、MSC/VLR、HLR，系統(tǒng)可用性要求計(jì)算如下：

4.2.5 車次號校核信息、調(diào)度命令類GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

此類GPRS業(yè)務(wù)是CIR設(shè)備與CTC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、PCU、SGSN、GGSN、RADIUS、DNS、GRIS、GROS、HLR，可用性要求計(jì)算如下：

4.2.6 DMS類GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

此類GPRS業(yè)務(wù)用于將車載DMS的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控系統(tǒng)，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、PCU、SGSN、GGSN、RADIUS、DNS、MGRIS、HLR，系統(tǒng)可用性要求計(jì)算如下：

4.2.7 庫檢和監(jiān)控類GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

此類GPRS業(yè)務(wù)是GPRS終端間的數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)過的GSM-R網(wǎng)元有BTS、BSC、PCU、SGSN、GGSN、RADIUS、DNS、HLR，系統(tǒng)可用性要求計(jì)算如下：

5 結(jié)束語

經(jīng)過對可靠性、可用性原理的說明，以及GSM-R系統(tǒng)可用性的分析，提高系統(tǒng)可用性最簡單的方式就是對系統(tǒng)中各網(wǎng)元進(jìn)行冗余設(shè)置，由串聯(lián)結(jié)構(gòu)改變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)。目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的MSC、SGSN、GGSN、BSC/PCU、BTS等設(shè)備仍沒有完全實(shí)現(xiàn)冗余，所以這些設(shè)備的冗余技術(shù)需要進(jìn)行深入研究。對于GSM-R系統(tǒng)而言，終端的可用性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可用性，今后在研究網(wǎng)絡(luò)冗余的同時(shí)，還需結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用研究終端的冗余，來提高GSM-R系統(tǒng)的可用性。

[1]中華人民共和國鐵道部.GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)總體技術(shù)要求[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]金星，洪延姬.系統(tǒng)可靠性與可用性分析方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

The services such as dispatcher's voice communication, train control, locomotive synchronous control, professional maintenance staff's voice communication, train number checking information, dispatching commands and monitoring information are currently transmitted based on the GSM-R system. With the rapid development of Chinese high-speed railways, the GSM-R system will carry more services. Reliable operation of the GSM-R system will affect directly normal operation of trains. The paper gives a research on the availability and reliability analysis methods of GSM-R system from the theory of reliability and availability of the system.

GSM-R system; reliability; availability; theory study; analysis method

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.007

2015-01-03）

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)重大課題（2013X003-A1-1）