列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件可靠性分析及研究

韓 霜

（長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件可靠性分析及研究

韓 霜

（長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

通過對TCMS（列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)）軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)其特點(diǎn)及客觀條件，建立了TCMS軟件系統(tǒng)可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；采用多Agent仿真方法對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行TCMS系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)，可以有效保證其可靠性，縮短軟件開發(fā)的全壽命周期。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；軟件可靠性；Agent仿真方法

0 引言

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）是一種分布式控制系統(tǒng)，在列車運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性及舒適性的實(shí)現(xiàn)中，擔(dān)任著至關(guān)重要的角色[1]。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是列車的神經(jīng)中樞和大腦，連接牽引、制動(dòng)、輔助、空調(diào)、門、信號及煙火等系統(tǒng)，其可靠性關(guān)系到列車運(yùn)營的安全性及可靠性。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)可分別從系統(tǒng)、硬件及軟件三部分進(jìn)行分析并提出預(yù)計(jì)分析報(bào)告。本文主要對TCMS軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立了軟件系統(tǒng)可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用多Agent仿真方法對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，提出TCMS軟件可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果，指導(dǎo)TCMS的開發(fā)[2]。

1 TCMS軟件系統(tǒng)可靠性建模

1.1 TCMS軟件系統(tǒng)分析

TCMS軟件系統(tǒng)是一種典型的復(fù)雜系統(tǒng)，由各種軟件與硬件組成，同時(shí)與外界環(huán)境以及使用者有很密切的關(guān)系。是一個(gè)在功能、行為、結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出層次性、開放性、非線性的軟件系統(tǒng)[3]。TCMS軟件系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)性：TCMS軟件系統(tǒng)與外界環(huán)境系統(tǒng)密切相關(guān)，自身又是一個(gè)由很多相互作用的子系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，是一個(gè)多目標(biāo)、多約束和開放性的系統(tǒng)；

2）動(dòng)態(tài)性：在TCMS軟件系統(tǒng)中存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)以及運(yùn)行的各種操作組成各種信息流，在控制系統(tǒng)內(nèi)的分布隨時(shí)間與空間而不斷發(fā)生變化；

3）隨機(jī)性：TCMS軟件系統(tǒng)受到很多隨機(jī)因素的影響，例如軟件故障的傳播、使用者的影響、軟件缺陷的影響等，是一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)；

4）復(fù)雜性：TCMS軟件系統(tǒng)表現(xiàn)出高度的復(fù)雜性，主要包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能復(fù)雜性。在結(jié)構(gòu)方面，TCMS軟件系統(tǒng)具有多層結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又包含多個(gè)功能模塊；在功能方面，TCMS軟件系統(tǒng)提供的功能繁多，功能之間的調(diào)用關(guān)系復(fù)雜。

1.2 TCMS軟件系統(tǒng)可靠性建模

在TCMS軟件系統(tǒng)中除了中央控制單元（CCU）軟件以外，其他如牽引、制動(dòng)、輔助等系統(tǒng)的軟件由第三方開發(fā)，無法分析其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，因此建模時(shí)將其他軟件系統(tǒng)作為黑盒處理，即在TCMS系統(tǒng)可靠性建模中用節(jié)點(diǎn)表示各個(gè)系統(tǒng)；同時(shí)，TCMS系統(tǒng)內(nèi)部的通訊方式采用硬線方式，各個(gè)系統(tǒng)之間的傳輸不存在故障影響，因此每個(gè)連接件的可靠度按照100%處理[4]。以8輛編組城鐵車輛為例，其TCMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件組成及TCMS對其他各子系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和診斷等功能，如表1所示。

表1 TCMS對各子系統(tǒng)功能

圖1 TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

建模時(shí)分別建立各子系統(tǒng)的軟件可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及TCMS軟件系統(tǒng)軟件可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為TCMS軟件系統(tǒng)可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中的圓點(diǎn)分別代表列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)模塊，雙向箭頭表示各模塊之間的通訊方向。其中每個(gè)模塊的軟件可靠度參數(shù)如表2所示。

圖2 TCMS軟件系統(tǒng)軟件可靠性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2 TCMS系統(tǒng)可靠性參數(shù)

續(xù)（表2）

其中Rhmij、Rermi、Rtcui、Racui、Rbcui、Rdcui、Rhvaci、Rpai、Rfasi、Ratci、Rriomi代表各子系統(tǒng)模塊的可靠度；Rccu-tcu、Rccu-acu、Rccu-bcu、Rccu-dcu、Rccu-hvac、Rccu-pa、Rccu-fas、Rccu-atc代表CCU中各子系統(tǒng)模塊可靠度。

2 TCMS軟件可靠性預(yù)計(jì)

2.1 基于多Agent軟件可靠性預(yù)計(jì)

根據(jù)TCMS系統(tǒng)的特點(diǎn)和客觀條件，本文采用多Agent仿真方法進(jìn)行軟件系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)。首先根據(jù)所要仿真的系統(tǒng)定義單個(gè)Agent，給其賦予一定的行為和參數(shù)，然后定義Agent之間以及Agent與環(huán)境之間的交互規(guī)則，通過Agent之間的交互去模擬所要刻畫的系統(tǒng)或者現(xiàn)象。仿真過程如圖3所示。

圖3 TCMS可靠性預(yù)計(jì)建模與仿真流程

2.2 TCMS系統(tǒng)軟件可靠性預(yù)計(jì)

根據(jù)蒙特卡羅法則，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)充分多時(shí)，某一現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率近似的等于該事件發(fā)生的概率。利用這種隨機(jī)數(shù)學(xué)建模方法，使用隨機(jī)抽樣得出統(tǒng)計(jì)估計(jì)值作為原始問題的近似解。多次模擬后，TCMS軟件系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 部分仿真結(jié)果圖

由于仿真過程中隨機(jī)參數(shù)的影響，往往使得測試數(shù)據(jù)含有異常值，它們的存在降低了仿真數(shù)據(jù)的可信度，進(jìn)而影響仿真數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。

本文利用按正態(tài)分布理論，以最大誤差范圍δ為依據(jù)進(jìn)行判斷，對一組測量值Xi(1, 2,…,n)進(jìn)行分析，如表3所示，其樣本平均值為，偏差標(biāo)準(zhǔn)差如果xi(1≤i≤n)的偏差則認(rèn)為xi是異常值。根據(jù)提出后的34組數(shù)據(jù)，之后對修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出均值為5562513，標(biāo)準(zhǔn)差s為1065953，t0.95(33)=1.692，因此該系統(tǒng)故障時(shí)間的90%置信區(qū)間為[5253200, 5871826]。

表3 多次模擬TCMS軟件系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)

2.3 中央控制單元軟件可靠性預(yù)計(jì)

中央控制單元軟件不是基于面向?qū)ο缶帉懙?，本文采用功能流程圖表示中央控制單元的軟件體系結(jié)構(gòu)。如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

中央控制單元中的單個(gè)模塊靠度使用S-R方法計(jì)算，利用式(1)計(jì)算軟件的可靠性度：

可計(jì)算得出中央控制單元軟件可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果為：R=0.997。

4 結(jié)束語

本文采用基于多Agent方法和蒙特卡羅法對列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件可靠性預(yù)計(jì)及評估，得出中央控制單元軟件的可靠性，對軟件的可靠性做出了靜態(tài)性預(yù)測。進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行過程中列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的軟件的開發(fā)，提高開發(fā)軟件產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。

[1] 馬存寶,宋東,張超,申愛云,史浩山.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)新方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006(06):213-215.

[2] 趙強(qiáng),常振臣,李礫工,王金田.國產(chǎn)化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全完整性等級評估與認(rèn)證[J].機(jī)車電傳動(dòng),2011(06):1-5.

[3] TCMS系統(tǒng)可靠性建模報(bào)告[S].北京:北京航空航天大學(xué)可靠性工程研究所.

[4] TCMS網(wǎng)絡(luò)可靠性預(yù)計(jì)報(bào)告[S].北京:北京航空航天大學(xué)可靠性工程研究所.

Analyzing and researching on software reliability of TCMS

HAN Shuang

TP393；U266.2

A

1009-0134(2017)04-0139-03

2017-02-05

韓霜（1978 -），女，吉林人，高級工程師，博士研究生，主要從事于軌道車輛列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的研究及開發(fā)工作。