（通信与信息系统专业论文）ctcs3通信故障诊断专家系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 中文摘要 摘要：目前，我国高速铁路正在蓬勃发展，随着运营时速的提高，列车控制系统 对于安全性能的要求也日益提高。g s m r 作为承载c t c s 3 列车控制系统( 以下 简称c 3 系统) 安全数据传输的关键网络技术，其可靠性直接影响c 3 系统的正常 运行。但由于列控网络构成复杂，实际出现的c 3 系统故障具有明显的不确定性 和突发性。因此如何快速、准确的定位通信故障成为衡量c 3 系统可靠性与可维 护性的重要指标之一。目前c 3 系统通信故障主要依靠领域专家根据经验对故障 相关数据进行分析，存在诊断效率低、诊断周期长和经验不连续等缺点。 本文将人工智能中的专家系统和实际故障诊断经验相结合，设计了基于信令 数据的通信故障诊断专家系统。文章首先明确了通信故障的涵义，提出了一套基 于信令数据的故障诊断方法，并通过此方法分析了实际工程测试中具有代表性的 故障案例，证实了方法的可行性。之后根据长期现场经验进一步总结了故障分析 流程，作为故障诊断专家系统的领域知识。然后据此建立了故障诊断模型，根据 接口信令数据定义了通信故障的判定标准，并提出一种将原始故障数据抽象为具 有属性值的样本数据的方法，引入分类器思想作为专家系统的知识库规则产生方 式，通过三种智能算法的对比选择了决策树的i d 3 算法作为分类器的核心构建方 法。最终设计了专家系统的总体结构和功能模块。 关键词：g s m r ；专家系统；故障诊断；c t c s 3 分类号：t n 9 1 9 5 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：r e c 铋t l y m ec 0 i l s t r u c t i o no f1 1 i g h - s p c e dr a i l w a yi sb o 伽【l i i l gi i lc l l i i l 乱 w i t l lm er 印i di n c r e a s eo f 蜘ns p e e d ，吐l e c l l r i t yr c q m r e l n e l l t so f 仃a i l lc o n 缸o l s y s t e ma r ea l s ob e c o m i i l gm o r e 锄dm o r ed 锄a i l d i n g b e i i l go n ek e yt ec _ l l i l o l o g yi i l m ec 1 1 i n e s e 眦c o n 仃d ls y s t e m l e v e l3 ( c t c s - 3 ) ，m er e l i a b i l i 锣o fm eg s m - r s y s t e md i r e c t l ya f j t st l l en 0 肌a lc t c s 一3o p 训i o n h o w e v d u et 0t l l ec 0 i n p l e x 时 o fc 嘲a 吐c o m 肌枷c a t i o nn e 脚。止t l l ea m l a lc o m m 瑚i c a t i o n 硒l u r ei i lc t c s - 3i s o b o u s l yu n c e n a i n 趴du n e x p e c t o d t h e r e f o r e ，：h o wt 0l o c a t ec 3c o m m u l l i c a t i o n 俪l u r e sq u i c l 【l ya n da o c 咖e l yi sac n l c i a l 弧i e xw h i c hc a l lb em e a 鲫k db ym e r e l i a b i l i 哆a n dm a i n t a i n a b i l i t ) ，o f 佩nc o n n 0 ls y s t e m c l l 玎锄t l kc o l i l 】咖】i l i 咖o n 缅l u r 懿a r em a “yd i a 弘o s e db ye x p e r t sw h 0h a v e c he x p c r i e i l c 骼a n dr e l a t e dd a m a ：k i n gm ed i a 盟o s i sp r o c e s si 1 1 e 衔c i e n t ，l o n gt i m ec o n s l l i 】 1 i n g 姐du i l a b l et op 嬲s d o w nt om es u c a e s s o r s t t l i st l l e s i sc o m b i n e sm e 枷f i c i a l 血t e l l i g m c e 锄dd i a g n o s i se x p e r i e n c 髓t o 誉地 d e s i g 啮ac 0 删n u i l i c a t i o nf a u l td i a 明o s i se x p 耐s y s t e mb 弱c do ns i 弘a l i n g d a t a f i r s t l y ，n l ea n i c l ec l 砥f i e st l l ed e f i l l i t i o no fc 0 删c 撕o n 缸l u r e ，觚dn l e i lp r o p o s 鹪 af a u l td i a 罂1 0 s i sm e l o db 硒e do ns i 驴a l i i l gd a t a t 1 1 i d u g hr e p r e s e l l t a 嚏i v ef 越l u r ec 弱髑 i na c t u a le 1 1 勘血gt e s t s ，m ea r t i c l ev e r i 丘髑m ef e 勰i b i l i t yo ft l l i sm 甜1 0 d 7 r h 吼心 f a m td i a 鲫o s i sp r o c e s sb 硒e d0 nl o n 哥劬ef i e l d 唧甜锄c 懿i s 籼撕z e d 嬲m e a 【p e r i i i l e n t a lb 硒i so f 筋l u r ed i a 罂1 0 s i se ) 【p e r ts y s t e m a sar e s u l t ，t h i sp a p e f e s t a b l i s h 骼a 伽td i a 弘o s i sm o d e l 姐dm er e l a t e 谢t 舐o no fc 0 删c 撕o nf a i l u b 弱c do ni 1 1 t e r f i a c es i 鹛a l i i l gm e s s a g 懿am e t h o di sp r o p o s e dt 0a b s m 衙s 锄1 p l i l l g d a t a 丘0 mo r i g i i l a lf a i l u r ed a t aw i t l ld e s i 印a t e d 砌b u t 锶t h i sp a p 盯a l s 0i i l 缸d d i u c 骼a c l 嬲ss e l e 渤r 勰an o v e lw a yi i lg m e r 痂gh l o w l e d g ed a t a ：b 弱e ，a n dc _ h o o s 铅i d 3 a l g 嘶缸no fd e c i s i o n 仃e e 鹪ac 0 代c o i l s 衄娥m e 吐l ：0 d 试d a s ss c l e 曲0 r 缸o l l j 匦t l l e c o m p a r i s o no f l r e ei n t e l l i g e n ta l g o r i 廿l m s a tl a 延t l l eg r o s ss 协i c t u r e 觚df i l i l c t i o n m o d c lo fe x p 锄s y s t e i i lc a l lb ed e s i 盟e d l 】咖曲t 1 1 es t a g c sm e n t i o n e da ：b 0 v e y w o l m s ：矗砌td i a g n o s e ；g s m r ；懿p e f ts y s t e m ；c t c s 3 c l a s s n o ：t n 9 l9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，钟章队教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢钟老师 两年多时间对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，并对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此向钟老师表示衷心的谢意。 做实验室项目及撰写论文期间，蒋文怡老师、丁建文老师、孙斌师兄和赵留 俊、陈欣等实验室的各位兄弟姐妹对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向 他们表达我的最诚挚的感激之情。 另外感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 引言 1 引言 1 1论文的研究背景 我国铁路正处于高速发展时期，客运专线改造和高速铁路建设正在全国范围 内如火如荼地进行。随着铁路运输压力的增大和列车时速的提高，对于列车控制 系统的要求也日益提高。原有的基于轨道电路的列车运行控制系统已经不能满足 更可靠、更快速的铁路运输要求，而新一代基于无线通信的列车控制系统已开始 扮演重要角色，发挥着不可替代的作用。目前开通运营的武广、郑西、沪宁和沪 杭客运专线和即将开通的京沪、京石武和广深港等客运专线都是使用基于g s m r 网络的c t c s 3 级列车控制系统( 以下简称c 3 列控系统) 保证行车的安全。 1 1 1c 3 列控系统及其g s m r 技术 c 3 列控系统采用g s m r 无线网络实现地面和列车之间双向、连续的信息传 输。列车采用固定闭塞方式进行间隔控制，目标距离控制模式进行速度控制，轨 道电路用于检测轨道占用情况和列车的完整性，地面应答器提供列车定位及运行 方向信息，无线闭塞中心根据固定闭塞信息机进路信息生成行车许可，通过g s m - r 传输到车载列车控制设备。其他与列车运行控制相关的信息，如限速命令及坡度 曲线参数等，也通过g s m r 网络传输到车载设备【l 】。c 3 列控安全设备与g s m r 网络的连接如图1 1 所示： 图1 1a r c s - 3 列控安全设备和g s m - r 网络连接示意图 f i g u l - ld i a g r a mo f c t c s - 3 恤i i nc o n 仃o ls 娟匆e q u i p m e n ta n dg s m rm t l 啪出c 0 衄o c t i o n g s m r 车载电台和g s m r 固定网络构成无线信息传输系统，实现车地的信 息传输。相比其他车地信息传输技术，无线通信技术最大优点是可以双向连续传 北京交通大学硕士学位论文引言 输大容量信息，除了用于列车运行控制之外，还能用于调度指挥信息，满足铁路 信息化对固定设备和移动台间的大容量数据交换的需要，从而实现轨道交通的综 合自动化【2 1 。铁路列车运行控制无线数据通信方式需要具备以下的条件：( 1 ) 高可 靠性，系统数据传输的失效率和平均无故障时间达到系统要求。( 2 ) 满足数据传 输吞吐量和实时性要求。( 3 ) 必须是一种故障安全的传输方式。故障安全的传输 方式是指因为传输设备故障或传输通道噪声使传输信息发生错误的情况下，可以 防止导向危险侧信息的错误传输的一种传输方式。目前，g s m r 通信系统是一种 符合以上要求，并在列车控制系统中普遍采用的无线通信方式。它在g s m 蜂窝系 统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素，满足国际铁路联盟提出 的铁路专用移动通信的要求【3 j 。 1 1 2专家系统的发展与现状 专家系统是人工智能中一种较为成功的智能程序设计方法。它包含大量的领域 专家的知识和经验，并模仿专家决策方法进行判断和推理，从而解决该领域的复 杂问题【4 j 。 专家系统的发展经历了3 个阶段。以d e n d r a l 、m a c s v 认为代表的第一 代专家系统虽然求解专门问题能力强、专业化程度高，但在体系结构的完整性、 可移植性等方面存在缺陷。以m y c i n 、c a s n e t 、h b 崾s y 为代表的第二代专家 系统属于单学科应用型系统，移植性方面有所改善，体系结构也较为完整，系统 的知识表示和推理方法的启发性、通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属 多学科综合型系统，采用多种人工智能语言，并利用多种知识表示方法、推理机 制和控制策略，并开始运用骨架系统、专家系统开发工具和各种知识工程语言来研 制大型的综合专家系统。 目前，专家系统广泛应用于工程、医药商业、军事和科学等方面，其开发方式 主要有以下几种【5 】： 1 、程序设计语言，包括通用程序设计语言和人工智能程序设计语言。其中， 通用程序设计语言( 如c c + + 、b a s c i ) 是通用的开发专家系统的基本工具；人 工智能程序设计语言是专门为人工智能设计的程序语言，典型的有0 p s 、l i s p 和 p r o l o g 。 2 、专家系统外壳又成为骨架型专家系统。它删除了已成功应用的专家系统中 知识库的具体知识，仅保留知识表达外壳和推理方法作为自身框架的一种系统， 通用性较差，仅限与某些特定领域。 2 北京交通大学硕士学位论文 引言 3 、专家系统开发工具，介于前两者之间，提供了良好的知识表达方法和几种 专家系统的框架组件。通过专家系统开发工具进行开发可有效缩短周期，并且有 更强的便利性。相比专家系统外壳有更大的通用性和灵活性，代表有c l i p s 、a g e 、 f i 也等。 以上这三种方式都有各自的优点和缺点，其中专家系统开发工具以其高效性、 便利性、通用性和灵活性成为最常用的专家系统开发方式。同时，通过利用v c + + 等面向对象的可视化编程工具，结合专家系统开发工具，可以开发出界面良好性 能优越的专家系统。 1 2 论文的研究意义 2 0 0 9 年1 2 月2 6 日开通的武广客运专线时速达到3 5 0 虹油。在开通前期的 g s m r 网络优化和开通后的网络维护中，为了达到数据安全传输的q o s 标准，对 g s m r 通信网络列控数据传输异常中断的信令及数据分析是其中必不可少的一 环。 c 3 列控数据从地面无线闭塞中心发送至车载a t p 主要通过g s m r 无线网络， 由于领域的专业性，这一过程不仅经过通信网络的a b i s 接口、a 接口和u m 接口 还需要经过m s c 与r b c 间的p r i 接口。一旦数据传输出现错误或丢失等异常情 况，不仅可能造成列车晚点，甚至会影响行车安全，这需要g s m r 网络专家和 c 3 列控数据专家共同分析。如何迅速而有效地诊断出故障原因以便对网络进行有 针对性的维护和调整，是目前迫切需要解决的一个问题。所以，开发出一个能对 无线网络故障进行快速和有效地诊断的专家系统很有必要。相比传统的粗放型故 障分析方式，专家系统有以下优点： 第一，复合专家知识。复合专家知识可以做到在白天或晚上任何时候同时、 持续地解决某一问题。由几个专家复合起来的知识，其水平可能会超过一个专家。 解决列控数据的传输问题就需要g s m r 专家和c 3 专家共同分析，因此使用专家 系统可以更有效地解决这个问题。 第二，解释、说明。专家系统能够明确、详细地解释导出结论的推理过程。 这样即使网络操作维护人员不是领域的专家也能很快理解故障原因并解决问题。 第三，响应快。迅速或实时的响应对某些应用来讲是必要的。依靠所使用的 软件或硬件，专家系统可以比专家反应得更迅速和有效，定位原因从而指导工作 人员快速解决通信网络中出现的异常情况，减少故障带来的损失。 因此论文研究的目的是设计一个基于网络接口信令的中断分析专家系统使其 作为网络建设时期的优化辅助工具和网络维护时期的诊断工具，通过对g s m r 网 3 北京交通大学硕士学位论文引言 络主要接口信令的分析和推理，在c 3 列控数据传输出现故障时快速定位原因并给 出解决建议。 1 3 论文的内容与结构安排 本文在研究专家系统智能中断分析技术和承载c 3 业务的g s m r 通信网的基 础上，结合人工智能和c 3 列控通信网络故障分析，设计并开发了c 3 列控中g s m r 网络诊断专家系统。 论文主要内容安排如下： 第一章介绍论文的研究背景和意义，提出了论文的主要研究工作是设计并实 现基于接口信令的g s m r 网络中断分析的专家系统。 。 第二章介绍专家系统基础理论与开发工具。 第三章介绍c 3 列控系统中通信协议与实际测试中的网络故障分析。 第四章介绍专家系统的诊断模型与分类算法。 第五章介绍网络诊断专家系统的总体设计与模块设计。 第六章对所做工作进行了总结，并针对文中还有待进一步研究的地方，提出 了将来的发展方向。 4 北京交通大学硕士学位论文c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 2 专家系统基础理论与开发工具c l p s 2 1专家系统基础理论 2 1 1专家系统的定义 一般认为：专家系统是一个智能程序系统，具有相关领域的大量专家知识， 利用人工智能技术模拟人类专家求解问题的思维过程解决相关领域的问题。 2 1 2专家系统的结构体系 专家系统一般包括人机接口、推理机、知识库及其管理系统、综合数据库、 知识获取、解释器六个部分，如图2 1 所示。 知识库及其管理系统：知识库用于储存专家的经验性知识、领域内的原理性 知识、和相关的事实。其管理系统负责对库中的知识进行检索、组织与维护。 推理机：推理机是专家系统的“思维”机构，任务是模拟领域专家的思维过程对 问题求解。 知识获取：其基本任务是获取领域的专家知识，并维持其完整性与一致性。 其基本任务是把知识输入到知识库中，并负责为维持知识的一致性及完整性。 综合数据库：用于存放初始用户事实、问题描述以及系统运行过程中得到的 中间结果、最终结果以及运行信息的工作储存器。 解释器：跟踪并记录推理过程，当用户提出询问需要给出解释时，它把解答 用约定的形式通过人机接口输出给用户。 人机接口：人机接口是专家系统与领域专家或知识工程师及一般用户的界面， 用于完成输入输出工作。 5 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 专家麓识工 用户 程师 ”w 人机接口 中 图2 - l 专家系统结构图 f i g u r e2 - 1e x l e r ts y s t e m 蛐m c t i l 知识库和推理机是专家系统六大组成部分中的核心，对于一个简单的专家系 统，仅有这两个部分就可以实现一些基本的智能功能。但对于一个性能比较完善， 功能比较齐全的专家系统而言，只有推理机和知识库这部分不能完全实现智能功 能，必须要将六个部分有机结合起来才能实现全面的推理功能。 专家系统的基本工作过程：用户通过人机界面回答系统提问，推理机把用户 输入的信息与知识库中规则的条件进行匹配，并把匹配结论放到综合数据库中。 最终，专家系统将得出最终结论并解释给用户。专家系统的工作过程如图2 2 所示： 图2 2 专家系统工作过程 f i g i 】2 - 2 w 蛐p r o c e 鼹o f 删s y s t 锄 2 1 3专家系统的知识表示和推理 专家系统的强大功能是从它所处理的知识中产生的。对专家系统技术而言有 6 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 三大主要技术：知识的获取、知识的表示、知识的推理。其中知识的获取是指知 识的收集整理工作，而知识的推理与知识的表示方法有关，下面介绍一般的知识 表示方法及相关知识推理方法。 2 1 3 1知识的表示 专家系统开发过程中最困难、最重要的一个环节就是知识库的建立。专家知 识决定了系统性能的好坏。在专家系统领域，知识是规则、规律、法则的总称， 是人们在工作和学习等实践过程中所获得的对于客观、主观信息内在联系的认识 及经验的总结。对人工智能而言，只有把知识存储到计算机中去，才能建立一个 模拟人类智能行为的系统，从而解决现实问题。 知识表示实际是一种计算机可以接受的用于描述知识的数据结构【6 】。对知识进 行表示的过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。目前用的较多的知识表示 方法 7 】如图2 3 所示。 i 寓生音嘉荣洼l 泪 帚 粤辖毒杀社 。，土a 衣不法。垌删您弭砜不盔 框架表示法| 命题逻辑表示法 语义网表示法计算逻辑表示法 知识表示法 逻辑表示法概率逻辑表示法 特征表示法l 模糊逻辑表示法 i 而白对刍喜杀姑l 非苗谰 露橱毫丢沣 。叫网刖豕衣不法 f 早峒比碍衣不盔 2 1 3 2知识的推理 图2 3 知识表示方法 f i g l | 2 - 3k h o w l e d g cr t p 淄：切越 推理就是按某种策略由已知判断推出另一个判断的思维过程。一般推理过程 包括两种判断：已知的判断和由已知判断推出的新判断。已知判断包括已掌握的 与求解问题有关的知识和已知事实，而由已知判断推出的新判断即是推理的结论。 人工智能系统是通过计算机程序实现推理，这部分程序称为推理机。由于人类的 智能活动具有多种思维方式，因此，模拟人类思维方法的人工智能也相应产生多 种推理方式，具体分类如图2 5 所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 图2 4 推理方式 f i g i l 陀2 4r e 邪o n i n g 删地0 d 2 2专家系统工具c l i p s 专家系统工具为知识的表达提供了固定的模式和特定的推理机制，使专家系 统的构造过程变得相对容易，从而帮助知识工程师完成许多工作，缩短系统研制 周期。c l i p s 专家系统工具就是在实际中得到广泛应用的开发工具之一。 2 2 1 c l i p s 概述 c l i p s ( cl 釉g u a g ei n t e g r a t c dp r o d u 嘶o ns y s t e m ) 是美国航空航天局约翰逊 太空中心( n a s a j o h 璐o ns p a c ec e l l 衙) 于1 9 8 5 年用c 语言开发的一种用于编写 基于规则的通用专家系统开发工具。在语法方面，c l 口s 仅支持正向链规则，而 不支持反向链规则【1 2 ，1 3 ，1 4 1 。 c l m s 专家系统工具最初应用于美国航空航天控制领域，有很高的可靠性。 其推理算法采用r e t e 算法，并用c 语言实现。它不仅支持基于规则的知识表达 方式，而且支持面向对象的知识表达方式，从而利于大型专家系统的开发。 c l i p s 是一种多范例编程语言，用户可以使用一种或多种方法进行混合编程， 在专家系统开发时有很大的灵活性。c l i p s 的主要特点如下： ( 1 ) 兼容性好。 ( 2 ) 运行效率高、集成性好。 ( 3 ) 知识表达方式灵活。 ( 4 ) 可免费使用且可靠性高。 ( 5 ) c l i p s 语言与传统的人工智能语言的书写习惯和运行特点非常接近，具 8 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 有产生式系统语言的全部特点，因此用它可以方便地编写出高质量、高效率的专 家系统【1 5 】。 因为c l i p s 小巧、扩展性、兼容性好，并且开发成本低，目前被政府、工业、 军事和教育等领域广泛应用。考虑到c l i p s 的上述特点，本专家系统采用c l i p s 作为专家系统开发工具。 2 2 2c l i p s 的基本组成与推理结构 c l i p s 的基本组成如图2 5 所示。c l i p s 结构简洁，程序设计具有模块化的 特点。其中事实列表用于存储事实数据，即数据库；知识库中包含了专家系统的 所有规则，也称为规则库；推理机则是按一定推理机制进行推理并控制规则的执 行，对运行进行总体控制；待议事件表又称为工作存储器，用于存放当前被激活 的规则( 触发规则) 。 图2 5c l 口s 基本结构 f i g u r e2 5b 勰i cs n c t i l 陀o fc l p s c l 口s 的推理结构包括解释器、冲突消解器、工作存储器、匹配器和产生式 规则库、五部分，如图2 6 所示。 图2 - 6c l m s 系统的推理结构 f i g u r e2 6c l si n f e 撇s 帆咖o f 龀s y 8 t 鼬 产生式规则库用于存放规则。规则由左部条件部分( l h s ) 和右部条件满足时 执行的动作( i m s ) 组成，其条件部分由一系列待匹配的模式组成。工作存储器 存放反映推理中各问题状态的数据信息，在c l i p s 中称为事实列表。匹配器用工 作存储器当前状态匹配所有规则的条件部分。 9 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 基于事实列表和知识库推理的推理机采用规则寻找事实的算法，即推理机检 查每一条规则并寻找一组事实来判定规则的条件部分是否满足，当一条规则的所 有条件均满足时，该规则被激活并被加入到日程表。日程表中的规则经冲突消解 器选中后被解释器执行，执行的主要动作是更改事实库中的部分事实，并输出一 些必要的信息，如对推理的解释及对所出现问题的解决办法等。 c l i p s 推理机使用正向推理的控制策略，即在事实的基础上通过设定的规则 对事实进行模式匹配，从而实现推理。若一条规则前件的每一模式可与事实库的 事实相匹配，则这条规则就是一条触发规则。若有多条触发规则，需要通过冲突 消解策略确定其中的一条为启用规则，执行这条启用规则后，则其后件给出一组 动作，从而实现正向推理并得出结论。 2 2 3c l i p s 基本语法 c l i p s 程序包含自定义模板、自定义事实和自定义规则三个主要组成部分。 2 2 3 1自定义事实 自定义事实是指在程序运行前已知是正确的事实，并且运行时不用在顶层键 入相同的声明信息，即c l 口s 系统中的初始知识，其结构一般如下： ( d e 纳c t s 0 p t i o n a l c 0 i i l i i l e n 纠 c o m m e n t 】 幸；规则的l h s ( 1 e r - h a i l ds i d e ) = 幸) ；规则的r h s ( r i 曲t - h a l l ds i d e ) 系统中必须所有模式与事实匹配，规则才会被激活并放入议程中，从而按 c l i p s 的优先级顺序执行。执行的动作主要是在事实表中插入、删除事实或输出 信息。执行i m s 的结果将会引起新的规则激活或已被激活的规则停止激活，这个 循环一直重复下去，直至没有被激活的规则或执行到有限步为止。 北京交通大学硕士学位论文c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 3c 3 列控通信网络故障诊断 3 1故障诊断定义和基于接口信令的分析方法 3 1 1c 3 通信故障诊断定义 在c 3 系统中，g s m r 通信网络用于承载列控数据业务。通信网元或链路的 任何故障都集中体现为数据传输通道的中断，从而影响是列车正常运行。因此通 信故障主要判断标准为车载o b c 与地面i 国c 的通信中断，c 3 系统规范将o b c 与i 国c 的通信中断定义为“通信超时”【1 6 1 。 g s m r 无线通信主要用于c 3 系统车地间列控信息的双向传输。当无线通信 单元故障后，r b c 与列车中断通信连接，列车降低到c t c s 2 级允许速度后将自 动转入c t c s 2 级系统工作。具体过程描述如下【1 6 】： ( 1 ) 区域内工作在c t c s 3 级状态的列车将使用原有的行车许可( m a ) 继续行， 直至m a 结束或与i 氇c 通信超时( tn v c o n l a c t ) ； ( 2 ) 在与r b c 通信超时( tn v c o n t a c t ) 后，工作在c t c s 3 级状态的列车 将实施最大常用制动，当速度降到c t c s - 2 级系统允许的运行速度后动转换到 c t c s 2 级系统继续工作。车载设备关闭与r b c 的通信连接，删除故障r b c 的呼 叫信息； ( 3 ) 通信中断5 分钟后，r b c 删除相关列车的注册信息； ( 4 ) 转换到c t c s 2 级系统继续工作的列车，当经过了带有与r b c 建立通信 连接会话命令的应答器组时，如果无线通信单元故障已经修复，车载设备开始尝 试与r b c 重新建立新的连接； ( 5 ) 列车与r b c 重新建立新的连接并获得m a 后，自动由c t c s 2 级转换 到c t c s 3 级系统进行控车。 在c 3 列控通信协议中，参数tn v c o n r a c t 规定了系统允许的车地没有信 息交互的最大时间。c 3 列控系统是通过定时器tn v c 研盯a c t 来检测通信失效 的，如果超过了定时tn v c o 】川a c t 规定的时间，还没有从轨旁设备收到安全消 息，那么c 3 列控系统认为出现通信故障，终止通信。 通信故障不仅是由通信网络单元或链路的显性故障引起，还有可能因为网络 性能或用户通信模块性能等隐性问题所导致。因此通信故障诊断除了针对通信网 设备与链路故障外，还应包括网络总体性能与用户通信设备性能的分析诊断。 1 2 北京交通大学硕士学位论文c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 3 1 2 c 3 通信故障分析方法 故障分析的最主要的目的就是进行故障定位，找出故障产生的根原因。目前 的分析方法主要靠个别专家或技术人员依靠对系统的透彻了解和大量网络故障处 理的经验进行分析，具体分析流程如图3 1 所示。 i 获取故障基本信 息 jl 7 l 收集相关数据 jl 专家分析 r7 啊妊瓣原肝 l 形成统计数据 图3 - 1 人工网络故障诊断流程 f i g i 】r e3 一la n i f i c i a ln 曲阳r kf ；m l td i a 弘o s i sp r o c e 鼹 获取故障信息主要通过司机或调度的故障上报，渠道单一，统计较为不便， 有时会还有漏报等情况，影响综合故障诊断。数据收集包括反应网络设备及状态 的接口信令数据和网管数据、反应l 强c 情况的l u c 维护终端数据、反应o b c 情 况的车载设备司法记录器数据以及反应网络总体状态的场强和q o s 数据。由于地 理位置限制和其他限制，从得到故障信息到数据获取通常需要很长时间，影响系 统化分析的效率。获取这些数据后专家通过对数据判断进行故障定位，如果是显 性故障较容易判断，如果是隐性的故障则需要专家经验来指出可能故障的原因， 经过反复地故障测试和判断后才能完全确定故障原因。最终对故障进行案例总结 并进行统计。 目前的通信故障诊断方法在各个环节都有很多不便，包括数据统计，空间和 时间等诸多方面因素。这些数据如果全部要求作为专家系统的输入，那么势必影 响专家系统的诊断效率和可行性。因此，新的诊断方法需要一种可以集中获取的 数据作为主要支撑，还要求该数据有较好的实时性以便及时反映系统显性故障， 并且要有可统计性以便反映网络性能与用户模块性能等隐性故障。 现有数据中，只有网络接口信令数据可以满足新的诊断方法对数据的要求， c 3 列控消息的无线传输如图3 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 图3 - 2 列控通信网不意图 f i g i 】鹏3 - 2s c h 锄a t i cd i a g r a mo ft r a 血c o n 乜0 lc o 姗眦i c 撕。璐n e t 、o i k 数据传输主要通过4 个接口( p 砒、a 、a b i s 、u m ) 和3 个节点( m s c 、b s c 和b t s ) 。而系统可能发生的故障包括设备故障、固定网链路故障、无线网性能、 车载设备故障。通过对p r i 、a b i s 和a 接口的信令数据采集可以准确将故障定位在 具体网元或链路，无线网络性能可以通过对a b i s 接口测量报告的长期统计得到， 用户模块性能可以将数据按用户分类并统计测量报告得到。又因为信令可以实时 并持续地获取，通过数据能及时得到通信网故障信息并定位显性故障。 基于信令的故障诊断流程如图3 3 所示。 图3 3 基于信令数据的故障诊断方法 f i g i | r c3 3s i g n a i i n gd a 妇b 弱e d f i a u l td i a g n o s i sm e l h o d 图3 3 中的数据分析即是针对三个接口的信令分析，包括故障发生的实时中断 消息的原因值、拆链过程以及基于地理位置的网络性能与基于号码的用户性能指 标统计。最后将网络故障定位在网络侧、r b c 侧和o b c 侧。由于信令分析除了 原因值外主要针对信令流程，下面介绍区别于c 3 系统通信信令与数据流程。 3 2c 3 级列控数据传输协议与流程介绍 1 4 北京交通大学硕士学位论文c t s 3 级列控通信网络故障诊断 3 2 1c 3 列控数据传输协议介绍 c 3 列控数据主要通过g s m r 网络的c s d 方式承载数据。车载设备( o b c ) 通过拨叫地面设备( i 国c ) 的i s d n 号码建立独立的数据传输通道，从而进行数据 传输。如图3 4 所示，主要使用3 0 b + d 的数据传输方式。 r b c0 b c 是引列 毒塞雪篓 篡目蓑 搽蠡器数据链路层j 珀 信令层 业务信道 、厶妲j ” l 艋l l 靼l g s m r 网络 列 控 数 据 应用层 安全层 传输层 网络层 数据链路层 信令层 图3 4 列控数据传输不意图 f i g u r e3 4s c h e m a t i cd i a g 姗o f 仃a i l lc o n 白r o ld a t a 咖l s m i s s i 用户拨号时使用l 号随路信令协议建立连接，指配业务信道后开始建立数据 通信连接。系统中车载设备与地面设备的数据通信协议主要分为5 层，分别是数 据链路层、网络层、传输层、安全层和应用层。其中应用层数据由c 3 列控系统规 范定义。 3 2 2 c 3 列控数据通信基本流程 由于列控数据协议分为多层，介绍通信流程时分别从c 3 标准定义的应用层通 信流程，底层数据通信流程和信令层通信流程三个方面进行介绍。 3 2 2 1应用层通信流程 应用层通信过程主要指c 3 系统规范中定义的通信过程包括通信会晤建立、一 般数据传输和通信会晤终止等主要通信过程，还包括列控所需的行车许可发送、 r b c 移交等特殊流程。图3 5 至图3 7 为主要通信过程流程图。 北京交通大学硕士学位论文c 1 s 3 级列控通信网络故障诊断 车载发起端地面接收端 i n i t i a t i o no fac o 岫u n i c a t i o ns e s s i o n - 。 一 c o n f i g u r a t i o nd e t e m i n a t i o n 一 1 s e s s i o ne s t a b lis h e q l 图3 5 应用层通信会晤建立流程 f i g l 】3 - 5e s t l b l i s hp c 鹤s 髑t om ta p p l i c 硝0 n l a y 钉c o m m 蚰i c a t i 车载发起端地面接收端 t r a i np o s i t i o nr e p o r t l 一 g e n e r a l 皿e s s a g e j 图3 石应用层一般数据传输流程 f i g u 托3 - 6t h eg 饥e f a lp r o c e 鹋o fa p p l i c a t i l a y 盯d a t a 仃a n 锄i 踏i o n 车载发起端地面接收端 t e r m i n a t i o no fac o 珊u n i c a t i o ns e s s i o n l 一 c k m w l e d g e m e n to ft e r m i n a t i o n o fac 0 岫u i l i c a ti o ns e s s i o n 图3 7 应用层通信会晤终止流程 f i g u 3 7r 蛐a 钯t h ep r o 潞t om e c tt h ea p p l i 矗o nl a y 髓c o m m u n i 五 3 2 2 2底层通信流程 底层通信流程主要是指除系统规范定义外的其他层的流程，包括安全层、传 输层、网络层和数据链路层。 数据链路层提供可靠的数据传送，数据链路层主要作用是建立、维持、释放 连接和传送数据，检测和纠正物理层产生的数据传送错误。网络层提供功能的和 程序的手段来建立、保持和释放开放系统之间的网络连接，这个开放系统独立于 路由和中继外，并包含通信传输实体。传输层是端到端的层次，负责将上层数据 1 6 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 分段并提供端到端的、可靠的传输，并负责端到端的差错控制和流量控制。安全 层为通信提供了鉴权和加密业务，规定了通信实体之间交换鉴权和加密密钥的流 程【1 7 1 ，图3 8 至图3 1 0 为底层主要通信过程。 1 7 北京交通大学硕士学位论文c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 发起端 连接建立流程图 接收端 安全层传输层网络层链路层链路层网络层传输层安全层 u i l p d u n t 呻曲出r 舶 m | f 、_ 一j _ m c r t p d u ， 摹l 段 t 1 盘、 d l d a n 酗 羹n 皇 r c _ c 血m c c ct p d u l 鲁、 d l m * 虬 n 段 一v n 盛、 v t n 曩l t d 0 n l n d ts | p d u ； i 删眇 图3 8 底层数据连接建立流程 f i g u r e3 - 8c 鲫n e c t i o n 髑词妇幽e n tp r o c 髓so f m el l n d d ) ，i 】哆d a t a 1 8 北京交通大学硕士学位论文 c 1 s 3 级列控通信网络故障诊断 麟躺 蝴雠瞬弦链! 层锦冁瞬弦僦安螺 r in b m n 】b 1 = n b 硼 q 】r p 声 n b h n r 白h i 1 = m n 颤l n l 畸f m t d q 耳臣i 声 丌n b n 口1 b 1 釉矧 q 万匝i 声 图3 9 数据的底层传输流程 f i g l 】3 8m 蚰d 训妯gd a 舾昀璐f 矗p r o c e 鼹 1 9 北京交通大学硕士学位论文c r c s 3 级列控通信网络故障诊断 蝴撇蹶勰撇隰僦蝴 d 【陆r 衄 镛j 1 觏隆 d i ，跳r 戌 鼢 i q 鼢胁 一一f 廿、 n n bh l d 屯r 1 h 】t d 柚 q = i s 醴渺 旺地溅田lt i 斑d d i i d 如 脚驹镛隆 嘎，n 乜h d 瞪n 扫r d 1 胀 朗獭 ，d 由砌 图3 1 0 底层连接释放流程 f i 目l 3 - l ou n d e f l ) ，i n gc o 脚l 曲nr e l 铭珥蝴 3 2 2 3信令层通信流程 信令层通信流程包括两个过程，连接的建立和释放，地面设备与g s m r 网络 2 0 北京交通大学硕士学位论文 c t c s 3 级列控通信网络故障诊断 的连接建立和释放流程【1 8 1 如图3 1 1 和3 1 2 所示。 g s m r 网络 地面接收端 s e l l j p r c l lp i l 0 ( 踅e d i n g j a l e 盯i n g c ( 阁蚓 c o n n c e ta