基于SPN的無線閉塞中心切換過程中的故障分析

李嘉懿 ，王長(zhǎng)林

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 成都 610031）

無線閉塞中心（RBC）是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的地面核心設(shè)備，也是關(guān)系到列車行駛安全的重要設(shè)備。RBC根據(jù)所運(yùn)行列車的位置、軌道占用、列車進(jìn)路、臨時(shí)限速、災(zāi)害防護(hù)和線路參數(shù)等信息，計(jì)算出針對(duì)所控列車的行車許可（MA），并通過GSM-R將MA、線路參數(shù)、臨時(shí)限速信息傳送給CTCS-3級(jí)車載子系統(tǒng)，同時(shí)通過GSM-R無線通信系統(tǒng)接收車載設(shè)備發(fā)送的位置和列車數(shù)據(jù)等信息，保證其管轄范圍內(nèi)列車的運(yùn)行安全。當(dāng)列車從一個(gè)RBC管轄區(qū)域運(yùn)行到另一個(gè)RBC管轄區(qū)域的過程中涉及RBC切換，而RBC切換效率是保證列車在切換點(diǎn)不減速運(yùn)行的重要因素，當(dāng)RBC故障時(shí)，切換效率會(huì)受到影響。運(yùn)用形式化語言中隨機(jī)Petri網(wǎng)（SPN）對(duì)切換過程進(jìn)行建模，可分析出RBC故障對(duì)切換及列車行駛安全的影響。

1 RBC切換協(xié)議

在切換過程中，RBC1（移交RBC）負(fù)責(zé)向RBC2（接收RBC）發(fā)送切換預(yù)告信息（車載設(shè)備ID、RBC邊界的應(yīng)答器組ID、列車數(shù)據(jù)等）、進(jìn)路請(qǐng)求信息、切換通告信息、切換確認(rèn)信息、切換取消信息。RBC2負(fù)責(zé)向RBC1發(fā)送進(jìn)路信息、接管列車信息。RBC切換分為兩種情況，圖1為RBC切換示意圖。

圖1 RBC切換示意圖

1.1 有兩臺(tái)車載電臺(tái)情況下的RBC切換

有兩臺(tái)車載電臺(tái)情況下，當(dāng)列車越過切換應(yīng)答器，車載設(shè)備向RBC1發(fā)送位置報(bào)告后，RBC1向車載設(shè)備發(fā)送切換命令及RBC2的電話信息，同時(shí)向RBC2發(fā)送列車信息，當(dāng)車載設(shè)備收到電話信息后呼叫RBC2，之后的過程中車載要同時(shí)向兩個(gè)RBC發(fā)送位置報(bào)告，當(dāng)列車頭部（最大安全前端）越過邊界后，車載設(shè)備向RBC1及RBC2發(fā)送位置報(bào)告。從此，車載設(shè)備只使用從RBC2接收到的信息，并拒絕接受RBCl除終止會(huì)話信息之外的其他信息。RBC2收到列車最大前端已越過RBC切換邊界的位置報(bào)告后向RBCl發(fā)送接管列車信息。當(dāng)列車尾部（最小安全末端）越過邊界后，車載設(shè)備向RBC1及RBC2發(fā)送位置報(bào)告。車載設(shè)備接收到RBC1切斷無線連接的命令后，中斷與RBC1的通信連接，完成切換。

1.2 只有一臺(tái)車載電臺(tái)情況下的RBC切換

與兩臺(tái)不同的是，當(dāng)列車尾部越過切換點(diǎn)、車載設(shè)備接收到RBC1切斷無線連接命令后，切斷與RBC1的通信連接。車載設(shè)備根據(jù)RBC1先前下達(dá)的切換命令，呼叫RBC2。呼叫成功后，列控車載設(shè)備向RBC2發(fā)送通信初始化信息、RBC2向列車發(fā)送通信版本信息、車載設(shè)備向RBC2發(fā)送通信建立信息。至此，車載設(shè)備與RBC2建立了通信會(huì)話。

2 隨機(jī)Petri網(wǎng)（SPN）

對(duì)于列車運(yùn)行系統(tǒng)的建模和分析，目前，已經(jīng)有很多國(guó)外教學(xué)機(jī)構(gòu)和學(xué)者運(yùn)用形式化語言對(duì)其的并發(fā)、實(shí)時(shí)和分布式等特點(diǎn)進(jìn)行研究，由于形式化語言有著堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論作為基礎(chǔ)，所以能夠更加準(zhǔn)確地描述模型的隨機(jī)性等特點(diǎn)，本文利用SPN對(duì)非確定性、并發(fā)事件的處理能力，對(duì)RBC的故障模型進(jìn)行仿真，這樣可以得出更加準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果。

SPN是把變遷與隨機(jī)的指數(shù)分布實(shí)施延時(shí)相聯(lián)系。 SPN模型是將基本的Petri的每一個(gè)變遷相關(guān)聯(lián)一個(gè)實(shí)施速率，一個(gè)SPN同構(gòu)于一個(gè)連續(xù)時(shí)間的馬爾科夫鏈（MC），典型的SPN假設(shè)變遷的實(shí)施時(shí)間呈指數(shù)分布，這樣可以通過與其同構(gòu)的MC進(jìn)行求解。

在連續(xù)時(shí)間SPN中，一個(gè)變遷從可實(shí)施到實(shí)施需要延時(shí)，即從一個(gè)變遷t變成可實(shí)施的時(shí)刻到它實(shí)施時(shí)刻之間被看成是一個(gè)連續(xù)隨機(jī)變量xt（取正實(shí)數(shù)值），且服從于一個(gè)分布函數(shù)t：

在不同類型的隨機(jī)時(shí)間網(wǎng)中，這個(gè)分布函數(shù)的定義是不一樣的。連續(xù)時(shí)間SPN中，相關(guān)于每個(gè)變遷的分布函數(shù)定義成一個(gè)指數(shù)分布函數(shù)：

其中，實(shí)參數(shù)λt(λt>0)是變遷t的平均實(shí)施速率，變遷x≥0。

SPN的分析方法分3個(gè)過程：（1）建立系統(tǒng)的一個(gè)SPN模型；（2）求出SPN的可達(dá)圖后作出同構(gòu)的MC；（3）基于MC的穩(wěn)定狀態(tài)概率對(duì)所要求的系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。本文運(yùn)用SPNP6.0作為分析求解軟件。

3 RBC故障

RBC切換成功率受多方面因素的影響，包括GSM-R網(wǎng)絡(luò)故障，RBC故障，其它地面設(shè)備故障等，根據(jù)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案中的規(guī)定：RBC故障后，受其控制的列車將中斷與RBC之間的通信連接，15 s后由于列車不能從RBC收到任何消息，將進(jìn)行制動(dòng)，列車運(yùn)行速度降至滿足CTCS-2級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行速度時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為CTCS-2級(jí)，備用系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。RBC設(shè)備區(qū)域內(nèi)所有CTCS-3級(jí)列車注冊(cè)信息將在5 min后自動(dòng)刪除，故障恢復(fù)后，CTCS-2級(jí)列車將呼叫RBC重新進(jìn)行注冊(cè)并申請(qǐng)行車許可，列車在獲得MA后，自動(dòng)由CTCS-2級(jí)控車轉(zhuǎn)到CTCS-3級(jí)控車。

文中將RBC切換流程分為以下3個(gè)時(shí)段：

時(shí)段1：列車未到達(dá)切換預(yù)告點(diǎn)但在距離切換預(yù)告點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)處；時(shí)段2：列車越過切換預(yù)告點(diǎn)但頭部還未越過切換點(diǎn)；時(shí)段3：列車頭部越過切換點(diǎn)。

各時(shí)段分布示意如圖2。

圖2 時(shí)段分布示意圖

以上3個(gè)時(shí)段下RBC2故障對(duì)列車切換的影響各不相同。本文運(yùn)用SPN，對(duì)以上3種情況下RBC2故障時(shí)RBC切換的成功率進(jìn)行分析。

4 RBC故障下SPN模型

以下模型均為1臺(tái)車載設(shè)備情況下RBC2故障對(duì)切換成功率的影響，介紹RBC故障時(shí)整體RBC切換時(shí)的模型以及時(shí)段2時(shí)、時(shí)段3情況下RBC故障對(duì)切換的影響。

在時(shí)段1中，RBC2對(duì)列車的切換沒有影響，所以此處不作分析。

4.1 RBC故障模型

該模型描述了在切換過程中RBC發(fā)生故障時(shí)，列車將降級(jí)至CTCS-2級(jí)運(yùn)行，以及RBC功能恢復(fù)后，列車恢復(fù)至CTCS-3級(jí)運(yùn)行的情況。

圖3 RBC故障模型

如圖3，庫所normal代表列車正常行駛，經(jīng)過15 s（變遷timeout1）后沒有接收到RBC信息，到達(dá)庫所bad即判定RBC故障。

RBC故障后，經(jīng)過5 min（變遷timeout2），若無回復(fù)則轉(zhuǎn)至庫所delete（刪除注冊(cè)），待RBC恢復(fù)，經(jīng)過庫所receive（列車重新收到RBC信息）后，RBC進(jìn)入庫所RBCready（RBC進(jìn)入正常工作狀態(tài)），列車呼叫RBC請(qǐng)求行車許可（變遷ReqRBC），收到行車許可后，進(jìn)入庫所RecRBC，升至CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行（變遷C3）。

經(jīng)過制動(dòng)（變遷Brake）后列車降至庫所C2（CTCS-2級(jí)）運(yùn)行，若RBC恢復(fù)，則重聯(lián)成功（庫所success），RBC進(jìn)入庫所RBCready（RBC進(jìn)入正常工作狀態(tài)），列車呼叫RBC，請(qǐng)求行車許可（變遷ReqRBC），收到行車許可后進(jìn)入庫所RecRBC，升至CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行（變遷C3）。

4.2 時(shí)段2情況下RBC2故障切換流程

時(shí)段2的情況下RBC2故障的切換流程模型如圖4。

庫所normal代表列車正常行駛，車載向RBC1發(fā)送列車位置（變遷send），RBC1收到（庫所receive）后向RBC2轉(zhuǎn)發(fā)列車信息（變遷send2）。等待接收信息（庫所waiting），計(jì)時(shí)6 s后（變遷timeout）若重聯(lián)成功，進(jìn)入庫所success，直到接收到下一次的MA（變遷receive）后正常行駛。

圖4 時(shí)段2情況下RBC2故障的切換流程模型

若重聯(lián)未成功，進(jìn)入庫所fail，列車按原來的行車許可繼續(xù)前進(jìn)期間等待RBC2恢復(fù)（庫所waiting），計(jì)時(shí)15 s（timeout1）后仍未恢復(fù)則切換失敗，到達(dá)庫所fail1，表示切換失敗。

若成功則進(jìn)入庫所success1，恢復(fù)RBC控車（變遷receive），正常運(yùn)行（庫所run）。

4.3 時(shí)段3的情況下RBC2故障的切換流程

時(shí)段3的情況下RBC2故障的切換流程模型如圖5。

圖5 時(shí)段3情況下RBC2故障的切換流程模型

庫所normal代表列車正常行駛，此時(shí)列車在行駛完RBC1的行車許可后，向RBC2發(fā)送行車許可（變遷send），等待RBC2發(fā)送行車許可（庫所waiting），再次呼叫RBC2（變遷send2），進(jìn)入庫所P2等待RBC2的行車許可，經(jīng)過15 s（變遷timeout）后，若RBC回執(zhí)信息，則進(jìn)入success庫所，若未接收到RBC2的信息，則進(jìn)入庫所fail（切換失?。?，接收CTCS-2的信息后（receive）進(jìn)入庫所C-2（降級(jí)到CTCS-2級(jí)行駛）。

5 模型求解及分析

用SPNP6.0對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到的結(jié)果如表1。

時(shí)段2的情況下，RBC2故障的切換成功率趨于50.11%。

表1 SPNP6.0分析結(jié)果

時(shí)段3的情況下，RBC2故障的切換成功率趨于50%。

1臺(tái)車載電臺(tái)時(shí)，RBC2故障情況下切換成功率為：

（50%+50.11%）/2=50.05%

當(dāng)列車頭部越過切換點(diǎn)后，車載設(shè)備會(huì)向RBC1和RBC2發(fā)送位置報(bào)告，RBC2收到位置報(bào)告后會(huì)向RBC1發(fā)送接管信息，若此時(shí)RBC2故障無法與列車建立通信，則列車會(huì)按照RBC1之前發(fā)送的延長(zhǎng)行車許可繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)列車行駛完延長(zhǎng)行車許可距離后仍無法與RBC2建立通信，則列車降到CTCS-2級(jí)允許的速度，系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CTCS-2級(jí)控車。但是，如果此時(shí)在延長(zhǎng)行車許可距離（40 s正常行駛距離+完全制動(dòng)距離）的線路中出現(xiàn)災(zāi)害情況，聯(lián)鎖系統(tǒng)將無法通過RBC2告知列車制動(dòng)，在這種情況下必將危及到列車的行車安全。

假設(shè)列車的初始速度為300 km/h，40 s行駛的距離為3.3 km，而規(guī)定的300 km/h的列車制動(dòng)距離為3.7 km，也就是說，如果RBC2出現(xiàn)故障，在RBC1發(fā)送的接近7 km的MA中無法確保列車的行駛安全，為避免此類情況發(fā)生，必須設(shè)置完善的安全預(yù)警裝置，當(dāng)線路變化時(shí)防災(zāi)傳感器會(huì)通知聯(lián)鎖，這時(shí)聯(lián)鎖會(huì)將信息同時(shí)通知RBC1，再由RBC1通知列車。

當(dāng)RBC2故障時(shí)，切換的成功率很低，非常不利于行車效率的提高，而當(dāng)出現(xiàn)圖6的情況更是威脅到了行車安全。

為避免以上情況的發(fā)生，需要設(shè)置完善的安全預(yù)警裝置，尤其在切換點(diǎn)過后的一定距離內(nèi)為確保列車的行車安全，聯(lián)鎖在向RBC2發(fā)送線路變化或臨時(shí)限速信息時(shí)，應(yīng)同時(shí)向交接的RBC1發(fā)送信息，這樣在RBC切換時(shí)，若RBC2故障，則可由相鄰的RBC1將信息及時(shí)通知列車，更新延長(zhǎng)行車許可的信息，從而確保列車的安全行駛。圖7 為RBC故障時(shí)防災(zāi)報(bào)警改進(jìn)示意圖。

圖6 RBC故障示意圖

圖7 RBC故障時(shí)防災(zāi)報(bào)警改進(jìn)示意圖

6 結(jié)束語

在CTCS-3列控系統(tǒng)中，RBC切換成功與否對(duì)列車運(yùn)行的安全性和行車效率具有重要的意義。本文討論了在不同切換時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)RBC2發(fā)生故障時(shí)具有單臺(tái)車載電臺(tái)的列車切換成功率模型，分析了相應(yīng)的切換成功率。由分析結(jié)果可見，不同時(shí)段的RBC故障在切換過程中對(duì)切換的影響各不相同。

本文真實(shí)地模擬了RBC切換中不同時(shí)段的故障場(chǎng)景，為計(jì)算各種情況下RBC故障對(duì)切換成功率的影響，以及提高行車安全可靠性提供了理論依據(jù)。

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