基于高速鐵路的GSM-R通信無線覆蓋的可靠性分析

高云波

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院, 蘭州　730070)

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基于高速鐵路的GSM-R通信無線覆蓋的可靠性分析

高云波

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院, 蘭州730070)

摘要：高速鐵路的GSM-R通信無線覆蓋的可靠性分析是保證列車安全、高效運(yùn)行的技術(shù)手段之一。抽象出膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),利用故障樹分析法,根據(jù)各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠度,計(jì)算出整個系統(tǒng)的可靠度。膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案,鐵路沿線基站設(shè)置的比較密集,根據(jù)故障樹定量分析法,求出頂事件發(fā)生概率的近似值,根據(jù)某廠家提供的相關(guān)產(chǎn)品參數(shù),得到GSM-R網(wǎng)絡(luò)主要單元節(jié)點(diǎn)的可靠度預(yù)測值。

關(guān)鍵詞：高速鐵路； GSM-R；無線覆蓋；可靠性分析；網(wǎng)絡(luò)可靠性；頂事件

1概述

對GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行安全評價研究旨在確保通信網(wǎng)絡(luò)安全，促使列車安全、高效運(yùn)行。對GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量將直接影響到通信的質(zhì)量，選擇合適的覆蓋方案可以提高系統(tǒng)的可靠性[1]?？煽啃允侵府a(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。對系統(tǒng)或某一產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分析，有助于了解其安全性，進(jìn)而在生產(chǎn)過程中采取有效的措施預(yù)防產(chǎn)品失效情況的發(fā)生[2]。系統(tǒng)可靠性分析方法有多種，典型的有故障樹分析法和事件樹分析法等。本文采用故障樹分析方法對GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。為保證行車安全，高速鐵路必須采用列控系統(tǒng)，列控系統(tǒng)的可靠性分析是保障列車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此研究列控系統(tǒng)的可靠性就顯得非常重要。國內(nèi)一些專家和學(xué)者對 CTCS-3 級列控系統(tǒng)的可靠性[2-3]與安全性[4]進(jìn)行了分析與評估研究。但是目前對組成CTCS-3級列控系統(tǒng)組成單元的重要度研究較少，而單元的重要度是系統(tǒng)可靠性分析的重要內(nèi)容[5]。

2故障樹分析法[6]

故障樹分析法適用于大型復(fù)雜系統(tǒng)，通過對一種失效事件進(jìn)行層層分析，深入挖掘，找出導(dǎo)致事件失效的全部原因。然后建立故障樹，通過數(shù)學(xué)分析法，計(jì)算出整個系統(tǒng)的可靠度。

2.1故障樹的建立

(1)故障樹所用的符號

在故障樹的建立過程中需要使用一些特殊符號，如表1所示。

表1　常用的故障樹符號

(2)故障樹建樹的基本規(guī)則

GJB768.1中列出了FTA建樹的6條基本規(guī)則。

①明確建樹邊界條件，確定簡化系統(tǒng)圖；

②故障事件應(yīng)嚴(yán)格定義；

③應(yīng)從上到下逐級建樹；

④建樹時不允許門-門相連；

⑤用直接事件代替間接事件；

⑥處理共因事件。

2.2故障樹定性分析和定量分析

故障樹分析法有定性分析和定量分析兩種。定性分析主要是研究故障樹中所有導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小割集。定量分析是先確定底事件的故障模式，故障分布及其參數(shù)，底事件發(fā)生的概率等，求出頂事件發(fā)生的概率。

利用最小割集對故障樹定性分析割集是故障樹中所有底事件集合的子集，當(dāng)該子集中的底事件都發(fā)生時，頂事件必定發(fā)生。若將割集中的底事件任意去掉一個后，該子集就不是割集，那么此割集就為最小割集。最小割集的階數(shù)即為最小割集中基本事件的數(shù)目。最小割集的重要度與階數(shù)成反比，階數(shù)越大，最小割集的重要度越??；階數(shù)越小，最小割集的重要度越大，因?yàn)樾「怕适录瑫r發(fā)生的概率很小。在不同的割集中，基本事件出現(xiàn)的次數(shù)越多，說明該事件發(fā)生的幾率很大，對故障樹來說也就越重要。

本文的故障樹定量分析主要通過各單元的失效概率求得系統(tǒng)的失效率。設(shè)系統(tǒng)有n個最小割集，分別為E1，E2，…，En，則頂事件T發(fā)生的概率R(T)為

(1)

將括號內(nèi)不交型積之和利用布爾代數(shù)運(yùn)算公式步步簡化后，代入各單元的失效概率，即可求得系統(tǒng)的失效概率。

在許多實(shí)際工程問題中，精確計(jì)算是不必要的，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)得到的基本數(shù)據(jù)不是非常精確?？捎檬?2)求頂事件發(fā)生概率的近似值，這里用Fs來表示。其中，Xj為最小割集Ei中的底事件，F(xiàn)(Xj)為該最小割集中底事件發(fā)生的概率。

(2)

(3)

3GSM-R網(wǎng)絡(luò)故障樹分析

通過分析GSM-R系統(tǒng)各個結(jié)構(gòu)的失效性，可以得到故障樹，進(jìn)而對整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行分析。GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)由基站子系統(tǒng)(Base Station Subsystem， BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(Network Switching Subsystem， NSS)、BSS與NSS之間的傳輸鏈路組成，系統(tǒng)故障樹也由這些子系統(tǒng)構(gòu)成。由于操作和維護(hù)子系統(tǒng)(Operation and Maintenance System， OMS)的失效不會直接導(dǎo)致GSM-R系統(tǒng)的失效，故不將其考慮在內(nèi)[7]。

基站子系統(tǒng)(BSS)的失效可以分為BTS單點(diǎn)故障、BSC單點(diǎn)故障以及基站之間傳輸線路故障。當(dāng)BSC與BTS之間采用環(huán)形鏈接時，此時只有當(dāng)正環(huán)傳輸和反環(huán)傳輸都失效，基站傳輸環(huán)路才會失效，所以兩者之間為串聯(lián)關(guān)系。在建立故障樹時，通過一個兩輸入的與門和上級事件基站環(huán)路失效相連。無論是正環(huán)還是反環(huán)，環(huán)內(nèi)傳輸光纜的中斷或環(huán)內(nèi)前方某BTS單點(diǎn)故障都會導(dǎo)致某向環(huán)路失效，兩者的關(guān)系為并聯(lián)關(guān)系。

基站子系統(tǒng)(BSS)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)之間傳輸鏈路出現(xiàn)故障的原因一般是傳輸光纜中斷，也可將其作為故障樹的一個基本事件。

NSS中包含移動交換中心(MSC)以及TRAU，任何一個節(jié)點(diǎn)的故障都會造成GSM-R網(wǎng)絡(luò)的失效，所以兩事件之間為并聯(lián)關(guān)系，在建立故障樹的時候，通過一個兩輸入或門與NSS失效這一上級事件相連。

圖1　雙MSC、雙BSC同址雙基站冗余覆蓋故障樹

文獻(xiàn)[8-9]對故障樹分析中的定性和定量分析算法分別以不同角度進(jìn)行了分析和比較，本論文選取一個典型的覆蓋方案建立故障樹，并對該故障樹進(jìn)行定性分析。如圖1所示，該圖是根據(jù)雙MSC、雙BSC同站址雙網(wǎng)冗余覆蓋方案建立的故障樹。頂事件T可以表示為

(4)

M1=X1+X3+X4+X5+X6+

(5)

(6)

將式(5)和式(6)展開后，代入式(4)，得到T的表達(dá)式為81個積項(xiàng)之和，說明該故障樹中包含81個最小割集，即81種失效模式。當(dāng)每一最小割集中的事件同時發(fā)生時，都會導(dǎo)致GSM-R網(wǎng)絡(luò)故障。

在故障樹分析中，雙網(wǎng)中單事件失效模式比單網(wǎng)中的少，因此雙網(wǎng)的可靠性較高。冗余網(wǎng)絡(luò)中，頂事件T的表達(dá)式乘積階數(shù)比無冗余網(wǎng)絡(luò)高，根據(jù)可靠性理論，乘積階數(shù)越高，其最小割集發(fā)生的概率越小，對應(yīng)事件發(fā)生的可能性低，所以可靠性提高。當(dāng)乘積階數(shù)很大時，該失效模式可以忽略。

4對膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性分析

膠濟(jì)鐵路青島至濟(jì)南全長385.6 km，濟(jì)南至濟(jì)南西線路長19.5 km，其中即墨至高密為四線，新建線長約46.2 km，線路繞行最大間距10 km；膠黃線膠州至黃島正線長為39.56 km。全線設(shè)計(jì)區(qū)段范圍青島(含)至濟(jì)南西(含)，包括膠黃線，膠州(不含)至黃島(含)，共計(jì)490 km，43個車站，地勢平坦，沒有隧道。區(qū)間弱場區(qū)的覆蓋采用設(shè)置區(qū)間基站的方式解決[10]。

膠濟(jì)線GSM-R系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有調(diào)度通信功能、施工維護(hù)通信業(yè)務(wù)、專用通信業(yè)務(wù)、車-地數(shù)據(jù)服務(wù)、調(diào)度命令及無線車次號傳送、列尾風(fēng)壓數(shù)據(jù)傳送、列車追蹤及GPS定位服務(wù)、旅客服務(wù)等業(yè)務(wù)。

4.1膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)、基站子系統(tǒng)(BSS)、管理子系統(tǒng)(OMS)及用戶終端等構(gòu)成。NSS中的移動交換中心(MSC)和智能網(wǎng)(IN)中心設(shè)備都設(shè)在濟(jì)南調(diào)度樓，預(yù)留與其他GSM-R網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)條件[10]。

基站子系統(tǒng)(BSS)由基站控制器(BSC)和碼速轉(zhuǎn)換器(TRAU)組成，設(shè)在濟(jì)南交換中心，控制整條線路中所有的基站。為保證較高的通信質(zhì)量，移動臺越區(qū)切換的總數(shù)應(yīng)盡可能少。因此，每個基站對不同方向使用1根天線，同一基站的天線通過1個功率分配器合成起來，連到基站內(nèi)相同的收發(fā)信機(jī)(BTS)，以減少越區(qū)切換的次數(shù)。天線塔高35～50 m。該線共98個基站，BTS與BSC之間采用環(huán)形連接，平均5個BTS構(gòu)成1個環(huán)。

膠濟(jì)線設(shè)1套網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)(OMS)，對該線GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的NSS、BSS、IN及TRAU進(jìn)行維護(hù)管理。

4.2膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)的可靠性

膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案，鐵路沿線基站設(shè)置的比較密集，擴(kuò)大相鄰基站的覆蓋范圍。此種覆蓋方案能夠避免基站單點(diǎn)故障，因?yàn)槊總€基站的覆蓋范圍越過相鄰基站，當(dāng)該基站出現(xiàn)故障時，相鄰兩個基站能接管其通信業(yè)務(wù)，避免單點(diǎn)故障，有效地提高系統(tǒng)可靠性。綜合文獻(xiàn)[11-12]的分析計(jì)算方法，本論文抽象出膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，利用故障樹分析法，根據(jù)各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠度，計(jì)算出整個系統(tǒng)的可靠度。

圖2　膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析，造成膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)失效的事件可分為以下幾種。

(1)NSS失效。造成NSS實(shí)效的主要原因有TRAU故障或者M(jìn)SC故障。

(2)NSS與BSS傳輸中斷。

(3)BSS失效。

造成BSS失效的原因分為BSC單點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)無法和BSC通信。只有當(dāng)相鄰BTS和當(dāng)前BTS都無法與BSC通信時，才會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無法與BSC通信的狀況。BTS無法與BSC通信的原因可分為BTS單點(diǎn)故障或者BTS傳輸失效，當(dāng)BTS正環(huán)和BTS反環(huán)均失效時，導(dǎo)致BTS傳輸失效。造成BTS環(huán)狀網(wǎng)失效的基本事件為BTS前方相鄰BTS故障或者傳輸光纜中斷。

根據(jù)以上分析，建立膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)的故障樹，如圖3所示。

頂事件T可表示為

(7)

以上T表達(dá)式展開后共有29項(xiàng)，其中單事件項(xiàng)有4項(xiàng)。說明本故障樹包含29種失效模式，而單事件失效模式有4種。因?yàn)樵?9種最小割集之間有重復(fù)出現(xiàn)的底事件，根據(jù)故障樹定量分析法，求出頂事件發(fā)生的概率的近似值。本文根據(jù)某廠家提供的相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)，得到GSM-R網(wǎng)絡(luò)主要單元節(jié)點(diǎn)的可靠度預(yù)測值，如表2所示。

表2　GSM-R網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠度

圖3　膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)的故障樹

由表2可知，膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)故障樹中各基本事件發(fā)生的概率為：F(X1)=F(X8)=F(X10)=F(X12)=F(X14)=3.0×10-7，F(xiàn)(X4)=1.95×10-5，同時可以得到，F(xiàn)(X5)=F(X6)=F(X7)=F(X9)=F(X11)=F(X13)=8.64×10-5，F(xiàn)(X2)=2.90×10-5，另外，F(xiàn)(X3)=1.40×10-5。將以上數(shù)據(jù)代入式(2)、式(3)，可以得到膠濟(jì)線GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的失效率，即故障樹中頂事件T發(fā)生的概率為Fs=R(T)=4.32×10-5。

5結(jié)語

隨著鐵路運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高速鐵路以及客運(yùn)專線成為鐵路行業(yè)的生力軍，正在快速發(fā)展。高速鐵路最大的優(yōu)勢在于速度高，這就需要列控信息快速、可靠地傳送。

雖然GSM-R功能強(qiáng)大，可靠性較高，但仍有一些問題需要解決。由于鐵路沿線干擾因素很多，如網(wǎng)絡(luò)間干擾、信號屏蔽器等，這些干擾因素會直接導(dǎo)致列車接受到錯誤信息或者使列車出現(xiàn)掉話的風(fēng)險。因此需要進(jìn)一步提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。另外，在基礎(chǔ)理論方面，還有一些技術(shù)問題需要解決，如多普勒頻移的影響、移動臺群切換等。只有解決這些問題，才能使GSM-R更好地服務(wù)于鐵路運(yùn)輸事業(yè)。

我國高鐵建設(shè)迎來大發(fā)展時期，為GSM-R技術(shù)的發(fā)展提供巨大的機(jī)會。GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍有不少業(yè)務(wù)有待開發(fā)，如旅客信息服務(wù)、移動辦公等。未來鐵路通信會向綜合化、智能化發(fā)展，以滿足鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需要。

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The Reliability Analysis of GSR-M Based Wireless Communication Coverage on High Speed RailwayGao Yun-bo

(School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiao Tong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract：The reliability analysis of GSR-M wireless communication coverage on high speed railway is one of the technical means to ensure safe and efficient train operation. This paper abstracts GSR-M network structure on the Qingdao-Jinan Railway Line, and calculates the reliability of the whole system with fault tree analysis based on the reliability of each network node. Single layer network redundant coverage is applied to fulfill GSR-M network coverage on Qingdao-Jinan Railway Line, and base stations are set up intensively alongside the railway. According to fault tree analysis, approximate values of the probability of top events occurrence are obtained. In accordance with the relevant product parameters provided by a supplier, the predicted values of reliability of the main unit nodes of GSM-R network are worked out.

Key words：High-speed railway; GSM-R, Wireless coverage, Reliability analysis, Network reliability, Top events

中圖分類號：U285.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.028

文章編號：1004-2954(2015)02-0113-05

作者簡介：高云波(1980—)，男，講師，E-mail:13370901@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51167009)

收稿日期：2014-08-12； 修回日期：2014-09-12