（通信与信息系统专业论文）ctcs3级列控系统通信可靠性分析与研究.pdf

中文摘要 摘要：目前，我国运行速度在3 5 0 k i i l l i 及以上的高速客运专线确定将中国列车控 制系统第三级( c h i n e s e t r a i l l c o n 缸0 ls v s t e mo f l e v e l3 ，c t c s 3 ) 作为全路统一技 术平台体系，并兼容c t c s 2 级列控系统实现动车组上下线运行。在c t c s 3 级列 控系统中，无线闭塞中心r b c 根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并 通过g s m r 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给c t c s 3 级列 控车载设备o b u ；同时通过g s m r 无线通信系统接收车载设备o b u 发送的位置 和列车数据等信息。因此，c t c s 3 级列控系统的通信可靠性对整个系统具有重要 意义，将会给c t c s 3 级列控系统的安全性、可靠性和稳定性带来关键影响。 本文根据武广高速铁路和郑西高速铁路的工程经验，总结出一种c t c s 3 级列 控系统通信故障定位分析方法，并且根据定位分析结果对故障原因进行了分析， 总结出可靠性影响因素。针对这些可靠性影响因素，采用层次分析法进行分析， 得出了各影响因素对c t c s 3 级列控系统通信可靠性的影响力大小排序，明确了在 提高列控系统通信可靠性时应该注意的主要方面。在只考虑硬件故障这一主要可 靠性影响因素的情况下，采用系统可靠性框图方法对不同无线网络覆盖方式及不 同通信节点设备冗余方式的系统通信可靠性进行了分析。最后采用马尔可夫模型 方法对目前正在使用的c t c s 3 级列控系统通信可靠性进行了分析，提出提高可靠 性的方法和具体的改进方案，并对改进方案进行了可靠性分析。 关键词：c t c s 3 ；g s m r ；列控系统；通信；可靠性；故障 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a c t a tp r e s 饥t c l l i 他n a i l lc o n 们ls y s t 锄o fl e v c l3 ( c t c s - 3 ) h 弱b e d e t e 玎 i l i n e dt 0 、釉r k 鸽au n i f i e dt e c h o l o g yp l a t f 0 咖f o rt l l e 、) l _ h o l er a i l w a ys y s t e i i li n m em 9 1 1s p e e dr a i l w a y s 谢ms p e e do f3 0 0 k m i l0 ra b o v ei n0 wc o u i l 略c o m p a t i b l e 、) l ，i t l lc h i n at r a i nc o n 仃0 ls y s t 锄- l e v e l2 ( c t c s - 2 ) ，i tc 锄妇p l 锄e n t 地b i d i r c c t i o n a l 0 p e r a t i o nf o r 廿1 e 仃a i n 协t l 埒瑚eo fc t c s 3s y s t e m i i lc t c s 一3s y s t e m ，t l 圮r a d i o b l o c kc t 呱r b c ) g 饥e r a t 鹪m o v e m e n ta u 吐l o r i 瞅m a ) b 觚e do n 吐i eo c c u p a t i o no fr a i l c i 彻j i t i i l t e r b l o c ks y s t e ma n do l 盯i i l f 0 锄撕o n t h t l l r o u 曲g s m - rn e t 、0 r k i t 咖i t st l l ei n 0 v m l 铋t 卸m ( 疵坝r a i lp a 姗e t 懿锄dt e i n p 0 删了s p e e d 他s t r i c t i o nt 00 l i l b o a r du i l i t ( 0 b u ) a n d c e i v 髓m ei o c 撕o n 觚d 缸l i i ld a t as e n db yo b u t l l 盯e f o r e n l e c o m m u n j c a t i o nr e l i a b i l i 妙o fc t c s 3i sv e 巧i m p o r t a 咄锄di t 伽a 任e c t 也es a f e t m r c l i a b i l i t ) ，a n ds t a b i l i 哆o fc t c s 一3 b a s e do n 廿心西n e 舐n ge x p 研c ei i lw u l l a n g u 锄g z h 伽锄dz l l e n 铲h o u x i 锄 h i 曲s p e e dr a j l w a y ，n l i sp 印e rp r o p o s 懿am e m o d w t l i c hc 孤l o c a t e 廿l ec 0 衄u i l i c a t i o n 俪l u r ci i lc t c s - 3 ，锄a l y z 船m e 他鼬o mf o r 圮c o m m u m c 撕o n 缸l u r c ，肌d 蝴撕z 懿 t l l ef a c t 0 璐i l l n u 朗c i n gc o 删n u i l i c 觚o n 他l i a b i l i 批t h 饥i t 锄a l y z 鹪n l ef a c t 0 璐丽l 廿l e m e m o do fa n a l 舛ch i 锄r c h yp r o c c s s ( a h p ) ，0 b t a i l l s i i l n u 锄w e i g ho fm e s e f a c t o r s 锄dm e l i c i t sm e 嘲p e c t sw m c hn e c dt 0b ec 0 璐i d e r a t e dm a i l l l yi 1 1e i l l l 趾c i | 1 9 也e m m _ u i l i c a t i o nr e l i a b i l i t yo fc t c s - 3 a v e nb ym eh 砌w 躺僦u r e ，b yt l l es y s t 锄 r e l i a b i l i t yb l o c kd i a 舯mm e t l l o d i t 孤a 1 ) ，z 懿圮c 0 衄岫i c 撕o nr d i a b i l i 缈i i id i f i 研即t n 咖0 r kc o v e r a g em o d e 锄dc o 删训锄d er e d 岫d a n c ym o d e f i n a l l 弘廿l i sp 印盯 i i l t r o d u c m a r k o vm o d e lt 0 锄a l y z et l 舱c o m m 曲j c a t i o n 他l i a b i l 妙o f c t c s - 3 ，a n d 廿l 饥 p r o p o s 锄d 觚a l y z 销an e 、) l ，m e t l l o dw l l i c hc 觚曲h 锄m er e l i a b i l i 够 k e y w o r d s ：c t c s - 3 ；g s m r ；由嘶nc o n t r ls y s t e m ；c 0 删m w l i c a t i o n ；r e l i a b i l i t = f 缸l u c l a s s n o ：t n 9 2 9 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。在此衷心感谢三年来钟教 授对我的关心和指导。 感谢无线通信实验室的全体老师。感谢你们在我学习期间给予我的帮助，尤 其感谢谈振辉老师、金晓军老师、蒋文怡老师、丁建文老师、张小滓老师、杨炎 老师、武贵君老师，你们对我在实验室的学习和科研给予了极大的支持。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄师姐对于我的研究工作给予了指导，石 杰、庞萌萌、丁殉、杨帆等同学以及师弟师妹也给予了支持和帮助，在此向他们 表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 l 引言 1 1研究背景 2 0 0 8 年l o 月3 1 日，经国务院批准正式颁布实施中长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) ，规划到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 2 万公里以上，复线率和电 化率分别达到5 0 和6 0 以上，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、 结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络【2 】【引。在“十一五”期间，中国铁路将 建成7 0 0 0 k m 世界上最大的高速铁路网络。目前，我国已建成开通了京津、郑西、 武广等高速铁路，到2 0 1 2 年将会建成京哈、京沪、京广、沿海通道、沿江通道、 沪昆通道、东陇海、青太等高速铁路构成的“四纵四横”高速铁路网的基本构架。 今后几年将是我国高速铁路的加速建设时期，形成的高速铁路网规模将远远超过 法国、日本和德国现有的高速铁路规模。 高速铁路技术的国有化涉及到大量的技术难题，其中运行控制与通信系统是 保障列车运行安全的最重要的系统之一，高速铁路的时速高达3 5 0 蛔时，列车运 行的可靠性、安全性就会更加重要，直接关系到旅客的人身生命财产安全，任何 故障都有可能导致难以估计的后果，所以，需要深入的研究列车运行控制系统的 各个方面，提高系统的可靠性，从而保证列车能够以极高的安全系数稳定运行。 列车运行控制系统简称列控系统，为了满足新一代高速铁路的需求，我国 3 5 0 i a n 1 h 及以上高速客专确定c t c s 3 级列控系统作为全路统一技术平台体系，并 且兼容c t c s 2 级实现动车组上下线运行【5 1 。相对于目前我国已经形成的c t c s 2 级列控标准，c t c s 3 级列控系统采用了基于g s m r 网络的列车自动防护系统 ( a u t o m a t i ct r a i l lp r o t e c t i o n ，朋r p ) ，与目前采用轨道电路来传输色灯信号不同， 该系统采用g s m r 通信系统来实现列车与地面之间的双向无线的数据传输，是铁 路基于通信技术的列车控制系统的关键技术【r 7 1 。通信的可靠性对于c t c s 3 级列 控系统整体可靠性有着重要意义，它将会给c t c s 3 级列控系统的安全性、可靠性 和稳定性带来关键影响。因此，对c t c s 3 级列控系统进行通信可靠性分析是关系 到我国高速铁路列控技术开发和应用的重要课题，从而也对我们能够更好地发展 高速铁路，更快地建成国内高速铁路网有着重要的意义。 1 2国内外研究现状 1 2 1国内外列车运行控制系统研究现状 自1 9 6 4 年日本时速2 1 0k m 的新干线高速铁路投入运营以来，高速铁路显示 出高速、高运能、安全可靠、正点率高、环保低能耗等优势，因此在全世界得以 迅速发展。特别是二十世纪九十年代以来，在世界范围内出现了高速铁路建设的 新高潮。德国、法国、意大利等国家也相继结合本国国情发展自己的高速铁路。 各个国家建设高速铁路时都特别注意通信信号系统的研究和建设，采用现代化的 综合自动化管理系统已成为一个总的发展趋势。这种综合系统要求将先进的通信 技术、控制技术、计算机技术与铁路信号技术融为一体，从而从整体技术上综合 保障了高速铁路行车安全、提高运输效率，同时也标志着一个国家铁路现代化技 术水准。 目前国外已投入使用的高速列车( 时速超过2 5 0 蛔) 运行控制系统主要有德 国l z b 系统、日本新干线a t c 系统、法国硎系统、和欧洲e t c s 系统等，这 些系统的共同特点是：可以实现自动连续监督列车运行速度，可靠地防止人为错 误操作所造成的恶性事故的发生，保证列车的高速安全运行。他们主要差别在于 对高速列车超速后的控制方式以及车地间信息传输方式有所不同。这几种系统经 过几十年长足的发展，经过了不断的技术改进，已经成为了符合各国具体国情， 线路特性，环境特点的相对成熟的控制系统。 我国研究和发展铁路列车运行控制系统已有约2 0 年时间，尤其是近l o 年来， 取得迅猛发展。 2 0 0 2 年，根据国外典型铁路列车运行控制系统技术体系及关键技术的研究结 果以及设备兼容、互联互通和技术发展的原则，铁道部确定了发展高速、先进、 适用和可持续发展的中国铁路列车运行控制系统的战略目标。2 0 0 3 年铁道部在 u i c 北京年会上宣布了c t c s 的基本架构和分级。2 0 0 4 年铁道部颁布了 c t c s 技术规范总则，确定了c t c s 的总体技术框架，并发布了c t c s 0 级到c t c s - 4 级共5 个等级的系统框架。各等级技术特点如表1 1 所示。2 0 0 7 年，在全路第六 次大面积提速中c t c s 2 级列控系统得到成功实施应用。2 0 0 7 年底，铁道部成立 了c 3 技术攻关组，开展c t c s 3 级列控系统的创新研发工作。集中全路主要技术 力量，对c t c s 3 级列控系统总体方案搭建、系统集成、系统评估展开了深入研究， 相继颁发了c t c s 3 级列控系统总体技术方案、应答器应用原则、测试案例、系统 评估办法等一系列标准规范，建成了仿真测试实验室，实现了r b c 和车载等关键 设备的国产化，初步创建了具有自主知识产权的c t c s 3 级列控系统技术标准体系 和技术平台【2 0 】。 表1 1c t c s 系统分级情况【2 2 1 2 t a b l e1 - lg m d a t i o no f c l r c ss y s t 啪 等级技术特点 c t c s 0 级通用机车信号+ 运行监控记录装置。 由主体机车信号十安全型运行监控记录装置组成。面向1 6 0 c t c s 1 级以下的区段，在既有地面设备基础上强化改造并增加点式设备， 实现列车运行安全监控功能。 面向提速干线和高速线，基于轨道传输信息的列控系统。c t c s 2 级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭 c t c s 2 级车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。c t c s 2 级系统 为一体化设计，即车地一体化、通信信号号一体化以及信号控 制一体化。 基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列控系统。面 向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的自动闭塞或 c t c s 3 级 虚拟自动闭塞，轨道电路完成列车占用检查。适用于各种限速区 段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 基于无线传输信息的列控系统。面向高速新线或特殊线路，基于 无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。由l 氇c 和车载 c t c s - 4 级 验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，使传统的信号设 备减到最低。地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 1 2 2 国内外g s m r 系统研究现状 铁路综合数字移动通信系统( g s m 矗 r a i l w a y s ，g s m r ) 主要用于列车与 地面控制中心的通信，是铁路行业的国际无线通信标准，同时也是欧洲铁路运输 管理系统( e i 盯m s ) 的一部分。根据e 刀r e n e m o r a n e 规范，g s m r 可满足列 车在最高5 0 0 l c r 帆时速下的列控无线通信需求。目前，欧盟和中国都已分别确定 g s m r 作为欧洲列控系统( e u r o p et i r a i nc 0 n 仃o ls y s t 锄，e t c s ) 和c t c s 3 的列 控信息传输平台，由此可见，高速铁路蓬勃发展，也必然会带来g s m r 在高速铁 路环境中的广泛应用。 g s m r 最先由欧洲铁路使用，它基于成熟的g s m 公用网络，充分利用g s m 技术的规模效应和成熟性，在此基础上增加调度通信、组呼、列车定位等铁路需 要的特殊功能，构成了新一代铁路专用移动通信系统。g s m r 可以实现现有无线 列调的所有功能，同时还增加了许多铁路调度管理所需的附加功能，如增强多优 先级和强拆、列车位置跟踪、话音组呼及语音广播、数据传输以及车次号的传输 3 等。 g s m r 的相关标准包括以g s mp h 弱e 2 + 为基础的骨干标准和针对铁路特殊 应用的欧洲铁路综合无线增强网络( e 江n e ) 标准。前者包括商用g s m 标准部 分( 包括电信业务和补充业务) 、通用集群功能( 包括组呼、广播呼叫、优先级、 强插强拆等) 。后者包括功能寻址( 车次、机车、客车、调度作业、铁路维护等功 能呼叫、与位置有关的寻址、f o l l o w m e 功能、调车编组作业通信、直接模式、歹i j 车自动控制数据传输业务等。 1 9 9 2 年国际上第一次讨论了使用独特的数字移动无线系统服务“列车无线通 信和“列车自动控制 的构想。第二年，国际铁路联盟u i c 成立了e r i e n e 工 作组，着手制定g s m r 的标准。至1 9 9 7 年，欧洲共有3 2 个铁路组织签署了共同 发展g s m r 的相关协议。1 9 9 7 年以后，u i c 成立负责试验开发的m o r a n e 项目 组，分别在德国、法国以及意大利进行现场试验，并配合e r i e n e 工作组完善 g s m r 的标准。由于g s m - r 可能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中， 从而减少集成和运行费用，可以实现跨国界的高速和一般列车之间的通信。另外， g s m r 是由标准化的g s m 设备改进而成，g s m 平台上已经提供了大量的业务， 只需最低限度地改动，便可引入铁路专用的功能，从而可以在花费较低成本的情 况下的实现可靠的性能。因此，至1 9 9 9 年，大部分欧洲铁路组织都接受了g s m r ， 签署了“谅解备忘录”，将g s m r 作为一项新技术引进整个欧洲。瑞典铁路第一 个建成g s m r 网络，随后，德国、英国、荷兰、意大利、瑞士、西班牙等国家也 相继开始建设自己的g s m r 系统。 根据u i c 报告，到2 0 0 7 年几乎所有欧洲国家都考虑将g s m r 作为移动无线 通信系统。2 0 0 8 年，根据法国的速度实验结果，g s m r 可以支持5 0 的高速 环境。到2 0 0 9 年中旬，g s m r 在欧洲的运营里程已经达到6 3 6 1 5 l ，并且将会 根据国家的规划在2 0 1 5 年达到1 5 0 0 0 0 k m 【2 4 】。 g s m r 如今在印度已经投入使用，并且在建的国家还有土耳其，印度，澳大 利亚，沙特，阿尔及利亚，突尼斯和俄罗斯。 为了适应信息社会和高速发展的国民经济的需求，我国铁道部做出引入欧洲 铁路先进的g s m r 铁路无线通信系统决定。铁道部在2 0 0 2 年中期确定了首期 g s m r 试验网络建设目标，即青藏线和大秦线。2 0 0 5 年起高速铁路客运专线 g s m r 网络建设进入实施阶段。作为奥运重点建设项目的京津城际铁路以及武广、 郑西高速铁路已开通，采用的是g s m r 系统。正在建设的京沪等长达7 0 0 0 蛔的 高速线路也决定采用g s m r 系统，可见g s m r 在中国高速铁路有巨大的发展空 间。 4 1 3本论文研究意义 我国运行速度在3 5 0 h l l l 及以上的高速客运专线确定将c t c s 3 级列控系统 作为全路统一技术平台体系，并兼容c t c s 2 列控系统实现动车组上下线运行。 c t c s 3 级列控系统通过g s m r 无线网络进行车地信息交互，若通信出现故障， 就会影响整个系统可靠性，从而直接影响到高速铁路运营的安全性。 c t c s 3 级列控系统采用g s m r 网络作为无线通信网络，一旦g s m r 网络 出现故障，势必对为其承载应用业务的c t c s 3 级列控系统的通信可靠性造成很大 的影响。除此之外，对于c t c s 3 级列控系统的通信接口所涉及的车载设备侧和地 面设备侧的相关设备，若出现故障，也会对整个系统的通信可靠性带来影响。因 此，提出一种通用的通信故障的定位方法，根据定位结果分析影响通信可靠性的 因素是十分必要的。 目前国内对于c t c s 3 级列控系统的通信可靠性分析主要集中于g s m r 网络 的可靠性分析，未将车载设备侧和地面设备侧的相关设备作为通信节点设备，从 而没有将列控系统作为一个整体来进行通信可靠性的分析。而g s m r 网络可靠性 的分析也主要集中在两个方面，一种是针对业务流程进行的，如越区切换的可靠 性分析、小区重选的可靠性分析等，另一种是针对g s m r 网络结构和传输系统的 可靠性分析，将两者方面结合起来分析并不是很多。本文在对其借鉴参考的基础 上，运用层次分析法定位出影响整个系统通信可靠性的因素，然后将其按影响力 的大小进行排序，明确在提高列控系统通信可靠性时应该注意的主要方面。针对 最主要因素，在不同场景下建立可靠性框图模型进行可靠性分析。最后综合考虑 各几种主要因素，利用马尔可夫模型来进行对整个系统的通信可靠性分析。同时， 本文还提出了一种c t c s 3 级列控系统通信可靠性性能改进方案，并对其可靠性进 行了研究和比较。 本课题的研究目的就在于：从整体出发，总结出影响c t c s 3 级列控系统通信 可靠性的因素。从不同角度出发，建立各类c t c s 3 级列控系统通信可靠性模型， 以适应不同侧重点下的系统通信可靠性分析。同时对如何提高c t c s 3 级列控系统 通信可靠性提供自己的微薄之见。 1 4 论文内容与结构安排 本文的主要内容及结构安排如下： 第一章介绍研究背景，主要包括高速铁路的发展、国内外列控系统和g s m r 系统的发展。 5 第二章介绍了c t c s 3 级列控系统的结构及其对g s m r 的可靠性要求。 第三章探讨了几种系统可靠性分析方法并且对本文所涉及的数学理论知识做 了介绍。 第四章根据武广高速铁路和郑西高速铁路的工程经验，总结出一种c t c s 3 级列控系统通信故障定位方法，并且根据定位结果对故障原因进行了分析，总结 出影响系统通信可靠性的主要因素。 第五章针对这些可靠性影响因素，采用层次分析法进行分析，得出了各影响 因素对c t c s 3 级列控系统通信可靠性的影响力大小排序，明确了在提高列控系统 通信可靠性时应该注意的主要方面。在只考虑硬件故障这一主要可靠性影响因素 的情况下，采用系统可靠性框图方法对不同无线网络覆盖方式及不同通信节点设 备冗余方式的系统通信可靠性进行了分析。最后采用马尔可夫模型方法对目前正 在使用的c t c s 3 级列控系统通信可靠性进行了分析，提出提高可靠性的方法和具 体的改进方案，并对改进方案进行了可靠性分析。 第六章对论文主要工作进行总结，并指明了下一步的研究方向。 6 2c t c s 3 级列控系统概述 c t c s 3 级列控系统是中国列车控制系统( c l l i n e s et r a i nc o n 仃d ls y s t 锄， c t c s ) 的重要组成等级，是在引进、消化和吸收欧洲e t c s 2 级列控系统技术体 系、技术标准和成熟产品的基础上，通过与我国铁路运输实际状况相结合的适应 性改进，实现与c t c s 2 级列控系统的集成创新，是具有完全自主知识产权的列控 系统。 c t c s 3 级列控系统是基于g s m r 的列车控制系统，列车车载设备( o nb o a r d u i l i t ，o b u ) 与地面无线闭塞中心( r a d i ob l o c kc e n t e r ，r b c ) 的之间的双向信息 传输是通过g s m r 实现的，列车的定位信息由线路上安装的固定应答器组提供， 轨道电路仅用于列车的占用检查和列车完整性检测，列车的运行控制由信号系统 ( c t c 、联锁设备、轨道电路等) 、r b c 等组成的地面设备和车载设备共同完成。 c t c s 3 级列控系统，能够同时实现跨线运行，其中正向按自动闭塞追踪运行， 反向按自动站间闭塞运行。该系统属于a t p 系统的一种，对列车行驶的最高允许 速度给出限制，o b u 采用目标距离连续速度控制模式、设备制动优先的方式监控 列车安全运行。满足运营速度3 5 0 h 吡以上、最小追踪间隔3 分钟的要求。c t c s 3 级列控系统兼容c t c s 2 级列控系统，当i u c 或无线通信出现故障时，列车自动 切换至c t c s 2 级列控系统运行。 2 1c t c s 3 级列控系统结构 c t c s 3 级列控系统主要由地面设备和车载设备两部分组成，整体结构如图2 1 所示。系统包括以下子系统：无线闭塞中心( r b c ) 、无线通信( g s m r ) 地面接 口设备、应答器、轨道电路、列控中心、联锁设备、无线通信( g s m r ) 车载接 口设备、车载安全计算机、应答器接收模块、测速模块、c t c s 记录单元、车载主 控单元、人机接口、运行管理记录模块。 7 列车机车司机 工 工 一 速模眵 车载安全 i 算机 ：。镊备维矿、 、 7 卫录单重一 g t 。 上 r 芦 。l c c u d 舸蚀 、 7 i u 。h 一 一坩 无线闭塞中心r b c相邻r b c 地面子系统 丁 工上 联锁设备维护管理中心 0 调度集中设备 图2 1c t c s 3 级列车运行控制系统构成 f i g 哦2 lt h es 仇l c t 啪o fc h i n ac o n 仃o ls y s t 锄k v e l3 地面设备包括： l 、无线闭塞中心( i m c ) 使用g s m r 的列车间隔控制系统。根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车 许可m a ，并通过g s m - r 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给 0 b u ；同时通过g s m r 无线通信系统接收o b u 发送的位置和列车数据等信息。 2 、无线通信( g s m r ) 地面接口设备 主要负责与地面g s m r 网络系统相连，作为系统信息传输平台完成地车间 大容量的信息交互。 3 、应答器 主要提供列车运行方向及定位基准信息。 4 、轨道电路 主要用于列车占用检测及列车完整性检查。同时向列车发送轨道电路编码， 提供前方空闲间隔信息，满足后备c t c s 2 级列控系统控车需要。 5 、歹0 控中一心 主要用于接收轨道电路的轨道占用信息，并通过联锁系统传送给无线闭塞中 心，用于授权行车许可。 6 、联锁设备 主要用于为列车安排进路。 车载设备包括： 1 、无线通信( g s m r ) 车载接口设备 主要负责与车载g s m r 系统相连，实现地车间大容量的信息交换，接收i m c 传送的运行许可、临时限速及线路参数等，向r b c 发送车次及列车的运行状态信 息等。 2 、车载安全计算机 车载设备的核心功能模块。主要功能包括确定允许的c t c s 等级、实时计算 目标距离模式曲线、计算最严格静态速度曲线、监督比较运行速度和列车位置、 实施制动干预以及处理与地面设备的通信数据等。 3 、应答器接收模块 接收地面应答器信息，通过串行接口把应答器信息传送主机。 4 、测速模块 根据速度传感器模拟器产生的脉冲信息，实时计算列车度和列车走行距离， 报告给车载安全计算机。 5 、c t c s 记录单元 记录接收信息、系统状态和控制动作进行。 6 、车载主控单元 综合处理列控信息，生成目标距离模式曲线，控制列车按命令运行。 7 、人机接口 车载设备与机车乘务员交互的接口。 8 、运行管理记录模块 按机务要求规范机车乘务员驾驶，记录与运行管理相关的数据。 2 2c t c s 3 级列控系统对g s m r 的要求 根据铁路g s m r 数字移动通信系统工程设计暂行规定中相关规定，g s m r 作为无线通信网络为c t c s 3 级列控系统提供服务的时候，各项技术指标都必须满 足一定的要求。g s m r 核心网包括移动交换子系统、g p r s 子系统、智能网子系 9 统，应按照全路核心网建设规划建设，各条客运专线接入4 1 1 火1 了点。 g s m r 无线网络的覆盖采h 交钐：j c 余覆盖方式，排序为奇数或偶数的基站达 到的覆盖都分别能够满足系统规定的q o s 指标。这种覆盖结构允许在某个鳗站或 直放站远端机单点故障的情况下仍然能够满足系统规定的q o s 指标【引。 7 么一 椭 l 孙1 1 l甲o i 一。- 。i r 。 图2 2 运 j 丁c t c s 3 级列控系统的g s m r 网络结构 f i g l l r e2 2g s m - r n e t 、o r ks t r u c t u r ei nc t c s - 3 为了满足c t c s 3 的需求，u i c 规范中规定了g s m r 网络作为承载列控系统 的网络时需要满足的q o s 性能指标，这与e t c s 2 对g s m r 的要求基本相同【1 6 】： 1 、移动台发起的连接建立时间：即连接建立请求到成功建立连接之间的时问。 必须满足 8 5 s ( 9 5 ) ，l o s ( 1 0 0 ) ，当连接建立时问大于1 0 s 时认为连接建立失败。 2 、连接建立失败概率：在连接建立的尝试中，4 i 成功的次数与总次数的比值。 c t c s 3 要求连接建立的失败概率 1 0 ，。而为了达到c t c s 3 所要求的 1 0 - 4 ，网 络允许进行两次连续的建立尝试。 3 、最大端到端传输时延：发送方丌始传输用户数据块的第。个比特到接收方 接收到此数据块最后一个比特的时延，对人小为3 0 b e 用户数据块，要求 0 5 s ( 9 9 ) 。 4 、连接丢失概率：一定时间内连接无故释放的次数，要求满足1 0 2 h 。 5 、传输干扰时间：建立连接后，在数据传输的过程中存在别的载波二f 扰的时 问，用表示，要求满足 7 s ( 9 9 ) 。 7 、网络注册时延：请求注册到收到成功注册响应之间的时延，要求满足 s 3 0 s ( 9 5 ) ，3 5 s ( 9 9 ) ，s 4 0 s ( 1 0 0 ) 。 同时，c t c s - 3 级列控系统要求g s m r 无线网络为车载台和l m c 之间的数据 传输提供三种承载业务： 1 、2 4 k b p s 异步、透明、v 1 1 0 速率适配； 2 、4 8 k b p s 异步、透明、v 1 1 0 速率适配； 3 、9 6 k b p s 异步、透明、v l l o 速率适配。 在满足列控系统需求的情况下，列控系统应该选择速率较低的承载业务，以 提高数据传输的抗干扰性和可靠性。 3 系统可靠性分析方法 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。产品不 能完成规定功能，称为故障( 或失效) 。 根据g b3 1 8 8 2 中的相关规定：“可靠性 包括广义可靠性和狭义可靠性两种 解释。广义可靠性是指产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力，它包括狭 义可靠新和维修性；狭义可靠性是指产品在某一规定时间内发生失效的难易程度 【1 2 】 o 系统是为了完成某一特定功能，由若干个彼此有联系而且又能相互协调工作 的单元所组成的综合体。如果系统一旦出现故障，不再修复，作为报废处理，就 是不可修复系统。如果系统出现故障，通过维修活动，将其恢复到正常工作状态， 再使用，就是可修复系统。本文所讨论的c t c s 3 级列控系统就属于可修复系统， 对于这样的系统，其系统可靠性包括狭义可靠性和维修性在内的广义可靠性，即 有效性问题。 本文涉及的系统可靠性指标主要有以下几种 l 、平均无故障时间m t b f 平均无故障时间是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间 隔，记作m t b f ( m e 觚t i m eb e 俩e 印f a i l u r e ) 。一般将估计的m t b f 作为两次故 障间的统计平均数值，并作为用于计算特定时间。 2 、平均修复时间 册 平均修复时间是指可修复的产品的平均修理时间，其估计值为修复时间总和 与修复次数之比，记作( m e 弛饰et or e p a i r ) 。 若修复时间服从指数分布，则平均修复时间是修复率的倒数，即 m 力翟：! ( 3 1 ) 3 、有效度a 有效性也称为有用性，表示可维修系统在规定的条件下使用时具有维持规定 功能的能力。它是综合反映可靠性和维修性的一个重要概念，是一个反映可维修 产品使用效率的广义可靠性尺度。有效度是有效性的数量指标。 有效度是时间的函数，包括瞬时有效度、平均有效度、稳态有效度。瞬时有 效度彳( f ) 是系统在某时刻具有或保持功能的概率。平均有效度是在某个规定时间 区间内可用度的平均值。稳态有效度又称为时间有效度，它是时间f 一时瞬时有 1 2 效度的极限，即 彳：l i m 彳f ，) = 丝! 堕一 ( 3 2 ) l 呻一朋2 掰。+ 朋? ? r 。 稳态有效度常用于工程实践应用。 系统的可靠性分析方法主要有系统可靠性框图方法、布尔定理展开法、最小 路基分析法、最小割集分析法、故障树分析法、马尔可夫状态图分析法、层次分 析法等，其中系统可靠性框图分析法是通过串联系统、并联系统、混联系统可靠 性分析模型来分析简单系统的可靠性。层次分析法是通过故障评判来分析系统可 靠性。当系统的每个单元寿命和维修时间都服从指数分布时，可以利用马尔可夫 状态图分析法，通过建立马尔可夫模型来分析系统可靠性。 下面简单介绍这三种系统可靠性分析方法。 3 1系统可靠性框图法 在系统可靠性分析时，首先根据系统中各组成单元对全系统可靠性影响的不 同，建立一个可靠性框图的模型，再进行进一步分析，这种方法系统可靠性框图 分析法。 在建立系统可靠性模型时，为讨论方便，做以下假设【1 2 】： ( 1 ) 系统和单元只有正常和故障两种状态； ( 2 ) 各个单元之间正常和故障是相互独立的； ( 3 ) 不考虑节点和连线可靠性； ( 4 ) 只分析硬件的可靠性，即认为软件、人员是完全可靠的，并且与硬件之间 没有相互影响。 本节介绍了三种基于可靠性框图的可靠性模型。在各模型中，假定各单元是 统计独立的，u 为系统可靠性，u 为第i 单元可靠性。 3 1 1 串联系统可靠性模型 一个系统由n 个单元组成，当组成系统的所有单元均正常工作时系统才能正 常工作，任一单元故障就会导致整个系统故障，这种系统即为串联系统。图3 1 为串联系统的可靠性框图。 1 3 图3 1 串联系统可靠性 f i 目鹏3 - 1s e r i s y 8 t 锄r e l i a b i l i t ) r 其可靠性数学模型为： u = 兀u ( 3 3 ) - l 串联系统的可靠性低于该系统的每个单元的可靠性，并且随着串联单元的数 量的增大，可靠性会迅速降低。因此若要提高串联系统的可靠性，必须减少系统 中单元个数或提高系统中可靠性最低的那个单元的可靠性，即提高系统中最薄弱 的单元的可靠性。 3 1 2并联系统可靠性模型 并联系统是组成系统的所有单元都故障时，系统才故障，即当系统的任一单 元正常工作时，系统正常工作。图3 2 为并联系统的可靠性框图。 图3 - 2 并联系统可靠性 f i g u 坞3 - 2p m l l e ls ) r s t e mr e l i a b i l 时 其可靠性数学模型为： u = 1 一兀( 1 一) ( 3 - 4 ) 扣i 并联系统对提高系统的可靠性有显著的效果，并联系统的可靠性不低于每个 单元的可靠性。 3 1 3混联系统可靠性模型 1 4 在实际中最常见的并不是简单的串联或者串联系统，而是混联系统。混联系 统是由串联和并联混合组成的系统。可灵活运用串联和并联两种基本模型，将任 何复杂的混联系统中的一些串联和半联部分简化为等效单元，从而建立混联系统 的数学模型。混联系统的两个典型情况为串并联系统并串联系统。 混联系统可靠性框图如图3 3 所示。 一：厂 ! 兰厂 卧蛔 厂一厂 a 串并联系统 b 并串联系统 图3 3 混联系统司靠性 f i g u 3 3m i ) 【s ) ，s t e mr e l i a b i l i t ) ， 串并联系统的可靠性数学模型为： 玩= n ll n ( 1 一) i ( 3 - 5 ) 玩= 兀il 一兀( 1 一) l ( 3 - 5 ) 产il l i j 并串联系统的可靠性数学模型为： 月rm 1 虬= 1 一兀ll 一兀l ( 3 6 ) m l j - l j 对单元相同的情况，一般串并联系统的可靠性高于并串联系统的可靠性。由 此可见，采用部件冗余结构比系统冗余结构的可靠性要高，因此在设计系统时常 采用部件冗余结构设计技术。 3 2 层次分析法 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 是一种多准则决策方法，它 是将与决策有关的因素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性 和定量分析的决策方法【引。层次分析法通过将信息量化，利用较少的定量信息数学 化决策过程，从而为复杂的决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结 果难于直接准确计量的场合。层次分析法的基本步骤如下。 ( 1 ) 建立问题的递阶层次结构 图3 4 为层次分析法结构，最上层为评价的总目标，依次进行分解，形成一阶 评价因素集合、二阶评价因素集合等指标结构。 图3 4 层次分析法结构 f i g l l 3 _ 4 l 曲l 坞o f a h p ( 2 ) 构造两两比较判断矩阵。 如图2 所示，设目标任务分解为y = v i ，吃， ，屹= 屹。，：，) ，针对 总目标v ，经两两比较一阶评价因素集合中的元素，得出判断矩阵为 e = 6 l 。6 i ：6 i 。 6 2 。6 2 ：6 2 。 吃。瓯：6 朋 ( 3 - 7 ) 其中，为元素m 和_ 元素的比较结果，通常情况下使用的是1 - 9 的比例标度， 它们的意义如表3 1 所示 表3 1 层次分析法的比例标度 标度含义 1表示两个因素相比，具有相同重要性 3表示两个因素相比，前者比后者稍重要 1 6 5表示两个因素相比，前者比后者明显重要 7 表不两个因素相比，前者比后者强烈重要 9 表示两个因素相比，前者比后者极端重要 2 ，4 ，6 ，8表示上述相邻判断的中间值 倒数 若因素f 与因素- 的重要性之比为，那么因素与因素f 重要性 之比为= 1 。 ( 3 ) 计算单一准则下元素的相对权重及一致性检验。 单一准则下元素的相对权重问题可以归结为求解特征根问题，对于 e 缈= k 矽 其中为e 的最大特征根，矿为对应的特征向量。 将矩阵e 的各个行向量采用几何平均，然后归一化， ，一 、1 ，一 啦= l 兀l ，f = 1 ，2 ，刀 ( 3 - 8 ) f = l ，2 ，刀 ( 3 - 9 ) 即求得单准则下的权重形= 【w l ，心】r 。 对判断矩阵的进行一致性检验，由 c r - = c u = 等h 哪 刀一l， 得出一致性比例c r 。其中，平均随机一致性指标r i 是多次( 5 0 0 次以上) 重复进行随机判断矩阵特征值的计算之后取算术平均数得到的。在本文中，r i 的 取值由重复计算l 0 0 0 次的结果得到，如表3 2 所示。 表3 - 2 基于1 0 0 0 次计算的平均随机一致性指标【8 1 t i b l e3 - 2l h n d o mi i l d e xb 勰e do nc a l c u l a t i o fl0 0 0t i m 懿 阶数 1234567 8 r lo00 5 20 8 91 1 21 2 61 3 61 4 l 阶数 9 1 01 l1 21 31 41 5 r i 1 4 61 4 0 1 5 2 1 5 4 1 5 61 5 81 5 9 当c r 0 1 时，即认为判断矩阵一致性可以接受。 ( 4 ) 计算各层次元素的组合权重及一致性检验。 组合权重要自上而下地将单准则下的权重进行合成。 1 7 也i川 = 嵋 设二阶评价因素m 。，v ：，屹 的关于m 的权重分别为屯，乇，乙，( 当与无关 联时，岛= o ) ，其中朋= 础，f - ( f + 1 ) 七，求二阶评价因素关于总目标的权重，即各 因素的层次总排序权重，乙，计算按表3 - 3 所示方式进行，即= 勺m ，i l 表3 3 评价因素权重系数 t a b l e3 - 3w e i g l l tc o e 伍c i 饥to ff a c t o 璐 、三深三 h屹鬈 二阶评价因素关于总目 二阶因素层 m嘭 标的权重 一 h i：一 ， ，= l h 2如