高速鐵路無線閉塞中心（RBC）核心單元安全評估

劉子英，尹　楠，張利華

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌330013）

高速鐵路無線閉塞中心（RBC）核心單元安全評估

劉子英，尹楠，張利華

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌330013）

無線閉塞中心對高速列車進行間隔控制和下達移動授權，是保證高速鐵路信號系統高效、穩定、準確工作的關鍵因素。文章介紹了無限閉塞中心的系統配置結構以及與外部接口之間信息的交互，并以此為基礎對無線閉塞中心進行分層和模塊化，使用SIMFIA安全評估軟件構建無線閉塞中心模型。對模型進行參數設置后，運用SIMFIA軟件的SAFETY功能生成模型的故障樹以及各模塊節點的故障概率，并以此進行系統的安全性分析，達到安全評估的目的。

高速鐵路；無線閉塞中心；SIMFIA；故障樹；建模仿真；安全評估

高速鐵路的列車運行控制系統在提高鐵路運輸效率和保障列車運行安全方面發揮了重要作用，與人民群眾生命財產和鐵路行車安全密切相關。作為我國高速鐵路最常用的列控系統，CTCS-3級列控系統采用無線通信的方式（如GSM-R）傳輸信息，并由地面子系統和車載子系統兩個部分構成。無線閉塞中心（radio block center，RBC）作為我國高速鐵路列控系統中地面子系統的核心設備，主要用于接收車載子系統和其他相鄰地面子系統等發出的車道占用情況、高速列車行駛狀態、鐵路車站聯鎖進路數據以及臨時的限速命令等數據。RBC通過對接收到的數據處理計算給出控車所需的控制信息，如線路的靜態信息、臨時限速以及行車許可等，再由鐵路專用的GSM-R無線通信系統發送給列車上的車載子系統［1-3］。

無線閉塞中心的仿真研究一般使用SPNP軟件和UPPAAL軟件工具，國內外學者對此做了大量工作，并取得一定的成果。文獻［4］以SPNP軟件作為建模工具，以Petri網分層技術為基礎，創造性的將RBC系統劃分為底層模型和頂層模型。文獻［5］在文獻［4］的基礎上，通過結合馬爾可夫隨機過程和隨機Petri網的方法，對RBC系統的實時性進行了分析研究。文獻［6］以UPPAAL軟件作為實時建模仿真工具，以時間自動機理論為基礎，對RBC系統進行分析建模，并對模型進行了驗證。而SIMFIA安全分析軟件與SPNP、UPPAAL及其他類似的軟件相比：在建立模型時簡便快捷，輸入系統的狀態轉移模式、故障的傳播方式以及相關的系統數據后，SIMFIA軟件就可以對該系統建立模型；在對模型進行安全性分析時，所需的故障樹和可靠性框圖均可以由軟件自動生成，不再需要手工的進行繪制，模型有關的RAMS（可靠性、可用性、可維修性、安全性）結果也都可以由軟件自動的生成，并且可以對模型進行動態的仿真分析。

因此，使用SIMFIA軟件可以方便快捷的對系統建立模型并對模型進行相應的安全性計算分析。本文基于中國高速鐵路建設的實際需要，以RBC為具體研究對象，在查找數據資料的基礎上，對RBC系統結構建立相應的模型并對模型的相關參數進行設置；基于SIMFIA軟件的安全分析功能，對RBC模型進行系統的安全分析。

1　MBSA方法及在鐵路中的應用

1.1MBSA方法概述

目前國際上較為流行的RAMS（可靠性、可用性、可維修性、安全性）分析研究方法是基于模型的安全分析（MBSA）方法。SIMFIA即是基于該方法的基礎上，適用于復雜系統RAMS的綜合建模仿真分析的一款軟件。與傳統的安全分析如故障樹分析方法不同，MBSA是在一個形式化的模型上對系統的故障狀態和正常狀態進行描述，再通過各個部件的相互邏輯關系和聯系，得到系統特性。MBSA與傳統安全方法目標一致，但MBSA更像是一類安全分析方法。

1.2MBSA在鐵路中的應用

安全通信標準EN50159作為歐洲鐵路信號安全標準系列之一，與安全硬件EN50129、RAMS標準EN50126相互關聯。國/鐵標GB/T24399由EN50159衍生而來，兩者互為等價標準，主要應用于鐵路信號、通信以及處理系統技術安全領域。鐵路領域的安全評估工作主要遵循的是安全苛求系統開發V模型，為了支持MBSA在鐵路安全領域的應用，傳統的“V”型安全性流程被修改，從而使得安全性分析活動植根于形式化的系統與故障模式中。鐵路安全領域中MBSA的過程是：

1）對系統進行抽象化：對系統的結構、功能、層次、輸入輸出進行分析和抽象化，確保能完整的描述系統各方面情況；

2）對系統進行形式化建模；

3）定義失效模式，建立故障模型：配置各個組件失效的邏輯關系；

4）擴展模型：在MBSA中不僅需要考慮元件（系統）的正常工作模式（狀態），還需要考慮其失效模式（狀態）；

5）得出安全性分析結果，如FTA、FMEA等。

2　RBC系統結構

2.1RBC系統配置

RBC是以信號故障安全計算機為基礎的控制系統，作為高速鐵路列控系統的核心，其遵循故障-安全的原則。應用軟件采用N版本冗余技術，對表決和運算采用不同的策略［7-8］。無線閉塞單元（radio block unit，RBU）由安全故障處理軟件、操作系統、硬件平臺以及網絡系統等部分組成，是RBC整體系統中非常重要的邏輯處理單元。RBC維護終端的作用是向操作人員提供獲取RBC系統文件的接口，操作人員通過該接口將存放在RBU中的系統診斷數據和日志文件下載并進行分析，達到監視整個RBC系統的目的。RBC本地維護終端是為了方便操作員對RBC進行登錄與注銷，使其直接對RBC進行診斷和維護工作。司法記錄單元（RBC juridical recorder unit，R-JRU）負責對RBC系統中的接口信息、控制信息等進行記錄并提供司法依據。接口服務器 （versatile interface adapter，VIA）是實現RBC與R-JRU、CTC、RBC本地維護終端之間信息交互的通話路由。RBC的系統配置如圖1所示［9］。

圖1　RBC系統配置圖Fig.1　The system configuration of RBC

2.2RBC的外部接口

RBC與外部接口連接圖如圖2所示。

RBC與調度集中（CTC）設備接口：CTC與RBC的接口服務器設置在CTC系統調度中心，服務器的一端通過以太網端口接入到CTC調度中心的內網，再將另一端接入RBC網絡。CTC系統經協議轉換器（VIA）設備后和RBC系統建立通信連接，并進行數據的交換。列車處于運行或靜止狀態時，RBC負責將列車的實時狀態信息發送給CTC系統，CTC系統也可以自主選擇要求RBC發送的列車信息，這些信息包括RBC各設備之間連接的狀態信息、列車的動態和靜態信息以及報警信息等。此外，CTC還可以向RBC發送無條件的緊急停車命令［10］。

RBC與車站聯鎖設備接口：為了實現RBC與聯鎖設備之間信息的安全規范傳輸，將聯鎖系統和RBC的專用安全通信網連接形成一個封閉的局域網，并且采用信號授權的方式進行信息的交互。RBC將列車的時速、長度和距離下一個授權區的距離等信息以對象的方式，發送給車站聯鎖設備。聯鎖則將進路狀態、進路類型、授權區號等一些信息以信號授權方式，發送給RBC［11］。

RBC與臨時限速服務器（TSRS）設備接口：臨時限速服務器通過以太網和RBC建立連接后，向RBC發送臨時限速命令等數據。RBC對限速命令進行處理，并將限速狀態等數據反饋給臨時限速服務器。

RBC與信號集中監測 （CSM）設備接口：RBC將其內部各個設備的運行狀況和故障維護等數據發送給VIA，VIA接收到這些數據后，對數據進行匯總、處理計算，在應用層通信協議的基礎上，由接口服務器向終端計算機傳輸RBC的監測信息，之后終端計算機通過信號集中監測網絡將處理后的RBC監測信息發送給各級維修中心。其中，RBC/CSM接口服務器通過以太網和VIA進行連接通信［9-10］。

RBC與GSM-R網絡之間的接口：RBC的系統主機和ISDN服務器之間通過使用VLAN交換機的TCP/ IP方式，建立兩者的通信連接。RBC通過和ISDN-PRI接口與GSM-R網絡移動交換機相互連接［9，12］。

RBC與相鄰RBC接口：RBC與相鄰RBC接口：相鄰的無線閉塞中心之間，使用常用的Subset-098協議建立相互的數據交換連接。相鄰的無線閉塞中心之間數據交換主要包括軌道交界處的線路占用信息、列車的限速命令以及列車本身的狀態數據等。

圖2　RBC與外部接口連接圖Fig.2　The external interface of RBC

3　無線閉塞中心（RBC）的SIMFIA建模

3.1SIMFIA軟件建模流程

APSYS SIMFIA軟件是APSYS公司設計的一款基于模型的對設備、產品、過程進行功能分析的知識獲取的軟件。SIMFIA軟件主要有FMECA功能、SAFETY功能、RELDIAG功能（可靠性框圖）、SIMTET功能和SIMUL功能［11］。SIMFIA軟件的模型建立步驟可以分為：創建模塊；建立連接；定義模塊輸入輸出；定義模塊內部狀態；定義輸入和內部狀態與該模塊自身輸出狀態的關系；驗證模型。

3.2RBC的SIMFIA建模

對無線閉塞中心進行建模時，主要根據信息流的傳輸來定義各個模塊，無線閉塞中心信息流傳輸過程如圖2所示，由此建立的RBC模型包括本地維護終端設備模塊；臨時限速服務器模塊；車站聯鎖設備模塊；調度集中設備模塊；無線閉塞中心模塊；相鄰RBC模塊；GSM-R網絡設備模塊；CSM設備模塊。SIMFIA軟件中，對模塊建立連接時需首先定義各個模塊連接點的類型，本次RBC建模過程中，統一將各個模塊的連接點設置成default_nominal_failed。在對RBC模型中處于最頂層的各個模塊的Logical causes進行設置時，結合RBC系統本身的結構特點，將接口板失效與自身失效的模塊的輸出接口，其輸出狀態均設置為failed；其它模塊的設置類似。由此建立的RBC系統整體模型如圖3所示。RBC模塊內部結構模型如圖4所示。

3.3RBC模型的驗證

將故障源加入到模型的某一個節點后，可以方便地觀察到故障源信號在整個模型中的分部式傳遞過程。在故障源信號傳播的過程中，受其影響不能正常工作的模塊顯示為紅色；故障信息正在傳播的模塊顯示為綠色；受故障信號影響不能導通的節點顯示為紅色；未受故障信號影響或受到故障信號影響后依舊處于導通狀態的節點顯示為藍色。由此可以驗證出模型的完整性和有效性符合預期設定，模型正確。CTC設備模塊引入故障源后，故障的傳遞過程如圖5所示。

圖3　RBC系統整體模型Fig.3　The model of RBC system

圖4　RBC模塊內部結構模型圖Fig.4　The internal structure model of RBC module

圖5　RBC模型故障傳遞圖Fig.5　The failure propagation of RBC

3.4RBC模型分析

運用SIMFIA軟件的SAFETY功能對模型進行分析時需要對各個模塊的Lambda值進行設置，Lambda值可以通過對以往發生事故的數據記錄以及系統模塊所用設備的產品信息分析計算得到，設置符合實際的Lambda值，可以較好的模擬系統的實際故障狀態，對系統進行安全分析，本文對RBC模型的Lambda值進行了簡單設置。RBC整體模型中無線閉塞中心模塊的故障樹如圖6所示。從故障樹圖中可以看到，“O. failed”，即無線閉塞中心模塊發生故障”，作為該故障樹的頂事件，它失效的概率為5.999700034855759e-6，引起無線閉塞中心模塊失效的原因可能來自傳輸的每一條路徑，最后可以追溯到事件 “接口服務器.states. failure”，失效率為9.99947000132056e-7。由圖6的故障樹可以得到，每個底事件與底事件之間存在著“或”和“與”的邏輯關系，由此引起頂事件的失效，并且“接口服務器.states.failure”事件、“車站聯鎖設備.states.failure”事件以及“O5.wrong”事件的失效的概率均為9.9e-7，最終得到的頂事件“O.failed”失效的概率為5.9e-6，大于9.9e-7，滿足鐵路系統安全評估的相關標準。若RBC的結構需要進行調整，只要重新生成故障樹，就可以對失效要素進行分析計算，可以很大程度上提高工作的效率。圖6中各事件失效的概率值均由SIMFIA軟件的Safety computation功能計算得到。

圖6　無線閉塞中心模塊的故障樹Fig.6　The fault tree of RBC module

4　結論

本文采用SIMFIA軟件對無線閉塞中心系統建立RBC系統模型，可自動生成故障樹進行安全性分析。通過對SIMFIA軟件自動生成的故障進行分析，找到故障樹中頂事件的最小割集和失效概率，有助于在無線閉塞中心設備的日常維修中快速定位出故障源，找到故障傳播的路徑；根據各底事件失效的概率調整其維護周期，達到提高工作效率和確保系統安全運行的目的。在對RBC系統進行功能失效狀態等安全性方面的分析中，SIMFIA軟件的分析結論與傳統故障樹方式相比是一致的。將SIMFIA軟件應用到鐵路系統的安全研究領域中，可以大幅度提高安全評估的效率。

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（責任編輯姜紅貴）

Security Assessment of Key Unit of Radio Block Center for High-Speed Railway

Liu Ziying，Yin Nan，Zhang Lihua
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Radio block center，mainly used for the movement authority and train interval control of the highspeed trains，plays an important role in ensuring the control accuracy，efficiency，reliability and security of the high-speed railway signaling system.On the basis of the analysis of the structure and function of RBC and the information exchange between RBC and external systems，this article emphasizes the stratifying and modular process of RBC.Then a simulation model of the RBC is established by the software-SIMFIA，which obtains fault tree and failure probability of the model after setting the model parameters.It analyzes the security of the RBC system so as to achieve the purpose of safety assessment.

high-speed railway；radio block center；SIMFIA；fault tree；modeling and simulation；security assessment

U284.92

A

1005-0523（2016）04-0061-06

2016－03－08

江西省研究生創新專項資金項目（YC2014-S246）

劉子英（1964—），女，教授，碩士，主要研究方向為軌道交通電氣化與自動化。