基于活動圖和HTCPN的列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換建模分析

周 游 何 濤

1(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 甘肅 蘭州 730070)

2(甘肅工業(yè)交通自動化工程技術(shù)研究中心 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著近幾年我國高速鐵路的迅速發(fā)展并逐漸走向世界，高鐵的安全性、實時性和運行效率也變得尤為重要[1-2]。CTCS-3級列控系統(tǒng)中C2級向C3級場景轉(zhuǎn)換作為高速鐵路最常見的場景，在保證其安全的前提下，提高運行效率、減少等級轉(zhuǎn)換時間對進一步研究高速鐵路系統(tǒng)有重要價值。

國內(nèi)相較于國外對列控系統(tǒng)的研究起步較晚，近年來隨著高鐵的發(fā)展，對列控系統(tǒng)建模的深入研究也逐漸取得了一些成果。文獻[3]運用混合時間自動機和隨機Petri網(wǎng)等方法對中國列車運行控制系統(tǒng)CTCS-3級列控系統(tǒng)進行功能安全分析及建模，隨機Petri網(wǎng)雖然對系統(tǒng)的描述能力很強，但是當遇見層次結(jié)構(gòu)復雜的系統(tǒng)時容易出現(xiàn)狀態(tài)空間爆炸問題[4]。文獻[5-6]利用統(tǒng)一建模的半形式化方法(UML)對列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換場景進行建模分析，UML的建模通過圖形和符號描述提供了較為明確的邏輯過程，但是UML缺乏具體的數(shù)學表達方式[7]，不能具體地表達等級轉(zhuǎn)換過程中的信息流。文獻[8]采用UML擴展機制構(gòu)建了列控等級轉(zhuǎn)換場景的Hybrid UML模型，研究了等級轉(zhuǎn)換功能需求不能滿足時功能模塊失效情況。文獻[9-10]研究UML模型向?qū)ο驪etri網(wǎng)的半自動的轉(zhuǎn)換方法能夠較好地對復雜原模型進行描述，但轉(zhuǎn)換規(guī)則復雜，不容易實現(xiàn)模型之間轉(zhuǎn)換。文獻[11]利用了檢驗?zāi)Ｐ偷姆蠢煞椒ǎ摲椒ㄟm用于離散系統(tǒng)而不適合于列控系統(tǒng)同時具備連續(xù)成分與離散成分的混成性系統(tǒng)。綜上，國內(nèi)外大多學者關(guān)于列控系統(tǒng)等級場景轉(zhuǎn)換都傾向于UML或Petri建模，大多數(shù)場景轉(zhuǎn)換過程都是簡單的模塊化建模，忽略了速度、時間等變量參數(shù)變化對場景轉(zhuǎn)換的影響。而且大多數(shù)對場景轉(zhuǎn)換的UML和有色Petri網(wǎng)建模方法沒有考慮列控系統(tǒng)的混成性，只是將其活動抽象成離散的狀態(tài)靜態(tài)轉(zhuǎn)移過程進行分析而忽略了列車在運行過程中的動態(tài)演化。

列控系統(tǒng)具有顯著的混成性特征，包含速度、位置等連續(xù)變量的動態(tài)變量，RBC、GSM-R與設(shè)備交互的離散信息演化過程。因此，本文提出UML活動圖的擴展機制對系統(tǒng)的靜態(tài)及動態(tài)屬性進行離散信息參數(shù)擴展，用來刻畫轉(zhuǎn)換場景中連續(xù)物理量的參數(shù)變化過程和動態(tài)演化的約束條件，并結(jié)合HTCPN對行車速度和消息重發(fā)間隔進行分析。

1 列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換場景分析

1.1 列車系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換

在C2級向C3級列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換場景中，列車在轉(zhuǎn)換成C3級模式前需要車載設(shè)備與GMS-R網(wǎng)絡(luò)、RBC建立連接并且注冊，當列車與RBC建立通信后將不會再接收C2級模式下的控車信息，列車運行過程中車載設(shè)備、應(yīng)答器組、無線閉塞中心(RBC)不斷地交互實時信息來保證列車運行的實時性和安全性。等級轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)答器分布如圖1所示。

圖1 等級轉(zhuǎn)換場景應(yīng)答器組分布

如果在C2/C3級轉(zhuǎn)換邊界應(yīng)答器組(LTO)處不滿足等級轉(zhuǎn)換條件，則列車將繼續(xù)保持C2級模式行車，同時，列控系統(tǒng)會一直檢測列車是否滿足C3級模式行車的條件，一旦滿足條件時，列車將會自動轉(zhuǎn)換成C3級模式行車。相關(guān)應(yīng)答器組的具體含義如表1所示。

表1 應(yīng)答器組具體含義

1.2 C2級向C3級轉(zhuǎn)換過程分析

列車在CTCS-2級區(qū)域行駛將至GRE應(yīng)答器組時，車載設(shè)備中的無線電臺檢測GSM-R網(wǎng)絡(luò)，為滿足等級轉(zhuǎn)換要求，由GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接注冊信息應(yīng)答器組(GRE)向列車發(fā)送命令信息(MSG45)，需要在40 s內(nèi)建立可靠連接并且注冊[12]。車載設(shè)備完成與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的可靠連接，在轉(zhuǎn)換區(qū)入口連接應(yīng)答器組(RE)處向車載設(shè)備發(fā)送與RBC建立通信會話命令信息(ETCS信息包42)。車載設(shè)備呼叫RBC成功后，列車前端越過在至轉(zhuǎn)換點唯一進路入口處設(shè)置的轉(zhuǎn)換預告應(yīng)答器組(LTA)時，RBC向車載設(shè)備發(fā)送越過轉(zhuǎn)換邊界的行車許可和等級轉(zhuǎn)換命令(MSG41)。列車前端經(jīng)過C2/C3級邊界時，轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器組(LTO)向車載設(shè)備發(fā)送等級轉(zhuǎn)換命令(MSG46)。C2級向C3級轉(zhuǎn)換的過程中，車載設(shè)備、GSM-R網(wǎng)絡(luò)、RBC數(shù)據(jù)的交互信息如圖2所示。

圖2 C2級向C3級轉(zhuǎn)換過程中信息交互

2 C2向C3等級轉(zhuǎn)換的UML模型

2.1 等級轉(zhuǎn)換的UML活動圖

UML活動圖模型強調(diào)從活動到活動的控制流，同時也能表示對象的值流和控制流，對象流狀態(tài)表示活動中輸入或輸出的對象[13]。

車載設(shè)備根據(jù)接收RBC發(fā)送的消息并做出相應(yīng)的反應(yīng)，從而使車載的狀態(tài)發(fā)生改變，采用活動圖來描述C2向C3級等級轉(zhuǎn)換的活動狀態(tài)轉(zhuǎn)換。等級轉(zhuǎn)換活動圖如圖3所示，在車載設(shè)備向GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送注冊請求時，注冊時間是30 s時成功率為95%，35 s時成功率為99%，當注冊時間大于40 s時被認定注冊失敗。車載設(shè)備從開始呼叫直至與RBC建立連接，此過程消耗的時間小于8.5 s時成功率為95%，10 s時成功率為100%，當消耗時間大于10 s是認定連接失敗，車載將繼續(xù)保持C2模式運行。

圖3 C2級向C3級轉(zhuǎn)換UML活動圖

2.2 UML活動圖擴展中間模型

通過向UML活動圖構(gòu)造型中加入與列控系統(tǒng)相關(guān)的動態(tài)和靜態(tài)元素屬性對UML中的元類元素進行注釋和擴展，可以補充缺少的性能參數(shù)以便更好地描述等級轉(zhuǎn)換過程中連續(xù)動態(tài)行為。通過分析C2到C3的過程，軌旁應(yīng)答器會在列車經(jīng)過的瞬間進行信息的交換，而列車運行時不變集合為inv={v≥0}，流條件集合為flow={x′=v∧v′=a},如圖4所示，通過對列車場景轉(zhuǎn)換過程中行駛(Running)、常規(guī)制動(Braking)、緊急制動(Emgbraking)三個控制列車狀態(tài)變量進行參數(shù)的擴展來刻畫轉(zhuǎn)換過程中物理量的變化和約束條件。各變量的含義如表2所示。

圖4 C2到C3轉(zhuǎn)換過程中動態(tài)變量

表2 各變量的含義

續(xù)表2

定義通過UML活動圖擴展后提取節(jié)點到CPN模型元素的轉(zhuǎn)換規(guī)則，將擴展后的每個節(jié)點類型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的CPN模型單元。根據(jù)UML活動圖中等級轉(zhuǎn)換過程狀態(tài)之間的遷移關(guān)系,把轉(zhuǎn)換后的CPN單元連接起來組建成相應(yīng)的變遷關(guān)系，就可以得到含有連續(xù)物理量的參數(shù)和動態(tài)演化的約束條件的CPN模型。

擴展后的UML活動圖轉(zhuǎn)換成以XML文件表示的樹形結(jié)構(gòu)過渡中間層[14]，通過圖5的遍歷算法提取XML的過渡中間層中不同屬性的節(jié)點：

(1) 加載XML源文件獲取根節(jié)點，并遍歷根節(jié)點下的所有子節(jié)點。

(2) 查找XML文件中的關(guān)鍵節(jié)點，輸出關(guān)鍵節(jié)點的信息并保存到list列表中。

(3) 調(diào)用SQLHelper類中的方法將list中的數(shù)據(jù)逐條寫入到數(shù)據(jù)庫中并提取出來。

通過以上方法對XML文件的提取可將活動圖轉(zhuǎn)換成以下節(jié)點，開始節(jié)點Arrival,與GSM-R連接活動節(jié)點Resource,與RBC連接活動節(jié)點Resource,數(shù)據(jù)交換節(jié)點Simple,轉(zhuǎn)換到C3活動節(jié)點Simple,選擇節(jié)點Opt。節(jié)點遍歷算法如圖5所示。

圖5 節(jié)點遍歷算法

2.3 UML活動節(jié)點到CPN的轉(zhuǎn)換

通過節(jié)點對應(yīng)的Petri轉(zhuǎn)換規(guī)則如表3所示，將UML活動圖轉(zhuǎn)換成有色Petri網(wǎng)。

表3 節(jié)點到CPN轉(zhuǎn)換規(guī)則

(1) Simple節(jié)點的映射。Simple節(jié)點可以轉(zhuǎn)換為一個變遷，由于Petri網(wǎng)的語法規(guī)則要求庫所和變遷交替出現(xiàn)，Simple節(jié)點對應(yīng)模型為一個庫所、一個變遷，以及庫所指向變遷的弧。Simple節(jié)點里Function按其函數(shù)值決定，如果是null，轉(zhuǎn)換后變遷的守護函數(shù)為默認true。轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖6所示。

圖6 簡單節(jié)點轉(zhuǎn)換規(guī)則

(2) Arrival節(jié)點的映射。Arrival節(jié)點代表具有特定功能的CPN模型，大部分功能性節(jié)點屬于CPN模型的反向轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖7所示。

圖7 功能節(jié)點轉(zhuǎn)換規(guī)則

(3) Resource節(jié)點的映射。Resource資源訪問類節(jié)點對應(yīng)的CPN模型用一個替代變遷和一個子網(wǎng)來表示，name屬性值對應(yīng)CPN子頁名稱。轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖8所示。

圖8 資源節(jié)點轉(zhuǎn)換規(guī)則

(4) Opt節(jié)點的映射。著色Petri網(wǎng)通過transition的守護函數(shù)或arc的描述函數(shù)選擇執(zhí)行路徑完成判斷分支結(jié)構(gòu)的映射。轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖9所示。

圖9 選擇節(jié)點轉(zhuǎn)換規(guī)則

如圖10所示，通過設(shè)計轉(zhuǎn)換代理類ConverterAgent設(shè)置待轉(zhuǎn)模型，調(diào)用源節(jié)點模型轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，節(jié)點源模型用Diagram接口實現(xiàn)規(guī)則轉(zhuǎn)換方法switch(將有色Petri網(wǎng)中庫所、變遷、弧信息對應(yīng)XML中節(jié)點寫入到數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的表中)，轉(zhuǎn)換工具通過ActDiagram類將活動圖源進行轉(zhuǎn)換和NodeDiagram類實現(xiàn)擴展活動節(jié)點源的轉(zhuǎn)換，遍歷算法通過解析模型源生成模型對象再遍歷內(nèi)存對象完成模型的轉(zhuǎn)換。

圖10 自動轉(zhuǎn)換工具設(shè)計類

3 等級轉(zhuǎn)換的HTCPN模型及驗證

3.1 分層賦時有色Petri網(wǎng)

分層賦時有色Petri網(wǎng)(HTCPN)是在CPN的基礎(chǔ)上引入了時間戳和分層結(jié)構(gòu)[15]。驗證系統(tǒng)功能時必須有時間概念，時間戳是在CPN模型庫所包含的token、變遷以及弧上賦予了時間特性，分層結(jié)構(gòu)是將復雜系統(tǒng)分解成多個簡單系統(tǒng)的嵌套組合。HTCPN的建模方式有自底向上和自上而下，本文采用自上而下的建模方法逐步完成對等級轉(zhuǎn)換的細化。

3.2 等級轉(zhuǎn)換HTCPN頂層模型

C2至C3級列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換HTCPN頂層模型中用庫所集和變遷集之間信息流的相互傳遞來表示等級轉(zhuǎn)換的過程，庫所集中的托肯(token)是HTCPN模型中的動態(tài)數(shù)據(jù)流，托肯中包括了RBC與車載設(shè)備的交互信息(Message)和時間戳(Time)[16]。

通過自動工具轉(zhuǎn)換將UML活動圖轉(zhuǎn)換成HTCPN等級轉(zhuǎn)換模型，如圖11所示是等級轉(zhuǎn)換的HTCPN頂層模型，C2至C3級列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換中車載設(shè)備和RBC的狀態(tài)庫所集P={C2,VC RecConOrder,Version Information Match Fail Remain C2,ConSucceed,RBC RecPosInfo,VC RecMovAuthority,Convert to C3}，轉(zhuǎn)換過程中庫所集的具體含義如表4所示。描述等級轉(zhuǎn)換中車載設(shè)備動作過程的變遷集合T={VC ConGSM-R,Call RBC,Position report,Arrive to LTA,Arrive to LTO}，變遷集的具體含義如表5所示。

表4 庫所集的具體含義

表5 變遷集的具體含義

圖11 等級轉(zhuǎn)換的HTCPN頂層模型

從變遷“VC ConGSM-R”到庫所“VC RecCon Order”過程中，添加產(chǎn)生隨機數(shù)字函數(shù)est(),判定車載設(shè)備與GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊時間是否超過40 s，如果大于40 s則認定注冊失敗。從變遷“CAll RBC”到庫所“ConSucceed”過程中，添加隨機函數(shù)rand()從1到10隨機產(chǎn)生數(shù)字，標志車載設(shè)備與RBC從開始呼叫到建立連接所需的時間，如果時間大于10 s，則被認為建立連接失敗。從變遷“PositionReport”到庫所“RBC RecPosInfo”過程中，時間戳的增量為20 s(車載設(shè)備與RBC通信時間15 s+司機確認5 s)，此模型中有五個置換變遷，置換變遷都帶有子頁模型描述更詳細的變遷活動。

3.3 等級轉(zhuǎn)換HTCPN子頁模型

子頁模型通過置換變遷與頂層模型建立連接，置換變遷“VC ConGSM-R”的子頁模型描述了列車從GRE到RE應(yīng)答器組時車載設(shè)備和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的連接過程；置換變遷“Call RBC”的子頁模型模擬了列車前端經(jīng)過RE應(yīng)答器組時，車載設(shè)備呼叫RBC并且建立可靠連接的過程；置換變遷“Position report”的子頁模型模擬了車載設(shè)備向RBC發(fā)送位置信息和參數(shù)信息的詳細過程，其中包括車載設(shè)備接收到RBC的ID和電話號碼后，呼叫RBC的過程中時間、變量信息交換等變化參數(shù)。該子頁模型通過庫所變遷ConSucceed與頂層模型建立連接，子頁模型如圖12所示。置換變遷“Arrive to LTA”和“Arrive to LTO”分別模擬了列車至LTA應(yīng)答器組時RBC向車載設(shè)備發(fā)送行車許可和列車至LTO應(yīng)答器組時轉(zhuǎn)換C3級模式的過程。

圖12 等級轉(zhuǎn)換的HTCPN子頁模型

4 C2級向C3級系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換性能分析

4.1 速度對等級轉(zhuǎn)換的影響

模擬列車以250 km/h的速度從GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接注冊信息應(yīng)答器組(GRE)到轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器組(LTO),在C2級向C3級轉(zhuǎn)換的HTCPN模型建立成功后，通過CPN tools檢查語句是否有錯誤，若語句沒有語義錯誤，對狀態(tài)空間和強連接部件工具圖進行計算操作，循環(huán)進行104次場景轉(zhuǎn)換，生成場景轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù)及狀態(tài)空間報告，用MATLAB對導出的模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行分析，繪制出圖13所示的轉(zhuǎn)換結(jié)果。將圖13的結(jié)果轉(zhuǎn)換成不同時間下等級轉(zhuǎn)換的成功概率，如表6所示，在保證轉(zhuǎn)換時間為102 s時，轉(zhuǎn)換成功率可以達到99.6%。

圖13 不同時間C2級向C3級場景轉(zhuǎn)換

表6 轉(zhuǎn)換時間和成功概率的關(guān)系

圖14模擬列車分別以250、230、200 km/h的速度從GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接注冊信息應(yīng)答器組(GRE)到轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器組(LTO),仿真出在不同速度下轉(zhuǎn)換成功的概率。由圖14和表7可以得出，在等級轉(zhuǎn)換概率相同的情況下，列車運行速度越高，等級轉(zhuǎn)換的時間越短。

圖14 不同速度下C2至C3的轉(zhuǎn)換結(jié)果

表7 不同速度下轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換成功率的關(guān)系

4.2 消息重發(fā)時間間隔對等級轉(zhuǎn)換的影響

C2至C3級列控等級場景轉(zhuǎn)換HTCPN模型中車載設(shè)備與RBC的通信會話完成的概率也影響C2至C3級的轉(zhuǎn)換結(jié)果，影響通信會話的因素和列車在這段區(qū)間行駛的平均速度相關(guān)，圖15選取2、4、6、8 s作為消息重發(fā)時間間隔，分析出列車速度從60到360 km/h的情況下模型轉(zhuǎn)換的成功率。提取模型數(shù)據(jù)仿真結(jié)果如表8所示。可以看出，當消息重發(fā)時間間隔相同時，列車速度越高，C2至C3級轉(zhuǎn)換概率越低。當列車速度相同時，時間間隔越短，C2至C3級轉(zhuǎn)換概率越高。這是由于重發(fā)間隔時間增加會降低車載設(shè)備與RBC交互信息的能力，從而增加了信息傳輸完成的時間。當列車運行速度在250 km/h以內(nèi)，消息重發(fā)間隔在6 s以內(nèi)時，轉(zhuǎn)換成功概率達到99.5%。

圖15 不同速度下不同時間間隔與轉(zhuǎn)換成功率的關(guān)系

表8 不同時間間隔下轉(zhuǎn)換成功率和速度的關(guān)系

5 結(jié) 語

針對列控系統(tǒng)場景轉(zhuǎn)換混成性的問題，本文提出了UML活動圖和HTCPN混合模型，并設(shè)計了一種新的UML擴展中間模型來擴展轉(zhuǎn)換過程中物理量的參數(shù)和動態(tài)演化的約束條件。對HTCPN模型進行驗證并提取數(shù)據(jù)，用MATLAB進行數(shù)據(jù)分析，研究了列車在不同速度、不同消息重發(fā)間隔與等級轉(zhuǎn)換率的關(guān)系，驗證了利用UML活動圖和HTCPN結(jié)合方法建模仿真結(jié)果滿足列控系統(tǒng)實時性要求。該建模相比較于傳統(tǒng)的建模方法模擬列車以250 km/h進行場景等級轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功率提高了0.2%，且：

(1) 在等級轉(zhuǎn)換概率相同的情況下，列車運行速度越高，等級轉(zhuǎn)換需要的時間越短，對列車等級轉(zhuǎn)換的信息交互實時性的要求越高。

(2) 消息重發(fā)間隔保持在6 s以內(nèi)時，列車轉(zhuǎn)換模型成功率達到99.5%以上。