专利名称：基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速铁路列车行车许可的分析系统，尤其涉及一种基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统。
背景技术：
目前，我国高速铁路处于高速发展时期，与此同时，高速铁路对可靠性和安全性有了更高的要求。为了确保高速铁路运行的可靠性，我国在借鉴欧洲的列车控制系统ETCS-2 的前提下，自主开发了基于 GSM-R(GSM for Railway)的 CTCS-3 (China Train Control System-3，中国列车控制系统-3)列车控制系统。在整个CTCS-3系统中，最核心的部分是无线闭塞中心(Radio Block Center,RBC)的运作。RBC作为一个非常复杂的安全计算机系统，对于系统的安全性和可靠性有着极高的要求，而列车行车许可(Movement Authority, ΜΑ)管理是RBC的核心功能。RBC通过计算，并向列车车载设备发送行车许可，从而控制列车的运行区间，进而保证列车安全运行。列车MA的传输的成功将对列车的行车区间进行扩展，直接决定了列车行进的过程。针对整个MA传输的描述和分析将对MA的传输过程有着更深刻的了解，并且能够通过数据的采集，分析GSM-R中不同的指标对MA传输过程中的影响，从而对列车MA出现错误进行预警，同时也将对列车调度系统提供决策支撑，具有非常重要的意义。现有针对MA分析方法集中在MA的计算方法与过程，而没有考虑到MA发送通信过程，从而导致MA的分析无法准确体现实际过程。同时，如何采用一种合理的方法对MA传输过程进行描述是一个突出的难题。经对现有文献检索发现，狄鹏在他的硕士论文《基于安全状态机的RBC系统行车许可模块的建模与验证》中提到使用安全状态机来对MA进行建模。他对MA的计算过程进行了分析，并利用安全状态机建立了模型。但是该论文没有考虑MA的传输过程的具体实现，以及传输过程中可能遭遇的问题。陈永在《计算机工程与设计》(期刊)上发表的《基于GSM-R铁路无线通信系统的越区切换分析研究》中，利用Petri网对GSM-R通信中小区切换的过程进行了描述分析。但是该论文并没有结合MA的实现过程来进行分析，同时也没有考虑到实时的数据采集和分析。Armin Zimmermann、Gunter Hommel 在 The Journal of Systems and Software Al t^. M- I^tJ "Towards modeling and evaluation of ETCS real-time communication andoperation(ETCS实时通信和操作的建模和评价)” 一文中，利用Petri网对传输失误模型进行了建模，但是同样是没有利用实时数据进行描述分析。Petri网以研究模型系统的组织结构和动态行为为目标，它着眼于系统中可能发生的各种状态变化以及变化之间的关系。Petri网是一种适用于多种系统的图形化、数学化建模工具，为描述和研究具有并发、异步、分布式和随机性等特征的复杂系统提供了强有力的手段。作为一种图形化工具，可以把Petri网看作与数据流图和网络相似通信辅助方法；作为一种数学工具，它可以用来建立状态方程、代数方程和其他描述系统行为的数学模型系统。本发明使用Petri网来分析整个MA传输过程，并且加入了实时监测数据，从而能够应用MA传输过程的分析系统对MA的传输进行监测应用和分析。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Petri 网的高速铁路列车行车许可传输分析系统技术，针对高速铁路列车MA传输过程利用Petri 网进行分析，结合实时采集数据实现MA传输过程分析系统的构建和应用，并着重考虑越区切换中切换触发概率和越区切换成功率等指标。为实现上述目的，本发明提供了一种基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其特征在于，包括现场监测子系统、控制子系统和数据库子系统；所述现场监测子系统通过在基站收发信机设置的采集模块以及Abis接口记录越区切换的信息；所述数据库子系统通过在无线闭塞中心设置的对比缓冲器采集行车许可的信息；现场监测子系统通过通信网络与控制子系统连接以传输现场数据，所述现场数据包括所述行车许可的信息和所述越区切换的信息；所述控制子系统通过有线通信网络与所述数据库子系统连接以传输数据分析信息；所述行车许可传输分析系统进一步地包括步骤构建所述行车许可的传输过程的Petri网，所述现场检测子系统采集所述现场数据，所述数据库子系统利用所述 Petri网对所述行车许可进行数据分析。进一步地，所述现场监测子系统包括车载现场监测子系统和基站现场监测子系统；所述车载现场监测子系统包括车载数据采集模块、车载数据预处理模块和无线通信模块，所述车载数据采集模块与所述车载数据预处理模块相连以传输列车的所述现场数据， 所述车载数据预处理模块与所述无线通信模块相连接并且通过无线通信网络与所述控制子系统相连以传输预处理后的所述列车的现场数据；所述车载现场监测子系统包括基站数据采集模块、基站数据预处理模块和有线通信模块，所述基站数据采集模块与所述基站数据预处理模块相连以传输基站的所述现场数据，所述基站数据预处理模块与所述有线通信模块相连接并且通过所述有线通信网络与所述控制子系统相连以传输所述预处理后的所述基站的现场数据。进一步地，所述无线通信网络是GSM-R无线网络。进一步地，所述数据库子系统包括数据库和显示模块，所述数据库通过所述有线通信网络与所述显示模块相连以传输所述数据库的信息。进一步地，所述控制子系统包括控制模块、数据处理模块、数据缓存模块和控制界面模块，所述控制模块与所述现场监测子系统、所述数据库子系统相连以传输控制指令，所述数据处理模块通过所述有线通信网络与所述数据库子系统相连以传输所述数据库的信息，所述数据缓存模块与所述现场监测子系统相连以传输所述现场数据，所述数据缓存模块与所述数据库子系统相连以传输接收到的所述现场数据。进一步地，所述行车许可的信息包含所述行车许可的发送次数和所述行车许可的不发送次数，所述越区切换的信息包含所述越区切换的发生次数、不进行所述越区切换而直接传输所述行车许可的次数、所述越区切换的成功次数和所述越区切换的不成功次数。进一步地，所述构建所述行车许可的传输过程的Petri网包括以下步骤将新的所述行车许可与旧的所述行车许可进行比较，如果所述新的所述行车许可的区间终点在所述旧的所述行车许可的区间之内，那么就不发送所述行车许可，否则发送所述新的所述行车许可；判断所述行车许可的传输过程中是否发生所述越区切换，如果没有发生所述越区切换，则将所述行车许可通过基站传输到所述无线通信模块；如果发生所述越区切换，则必须经历所述越区切换，并且在三次以内成功完成所述越区切换之后，将所述行车许可传输到所述无线通信模块。构建所述行车许可的传输过程的所述Petri网。进一步地，所述数据库子系统利用所述Petri网对所述行车许可进行的所述数据分析包括计算所述行车许可的次数和概率、所述越区切换的次数和概率、所述越区切换成功的次数和概率以及所述行车许可从请求到成功扩展的时间。进一步地，所述数据库子系统利用所述Petri网对所述行车许可进行的所述数据分析还包括设计一个实时图形界面来动态地显示所述行车许可的次数和概率、所述越区切换的次数和概率、所述越区切换成功的次数和概率以及所述行车许可从请求到成功扩展的时间。进一步地，所述数据库子系统的所述数据库是SQL server数据库。在本发明的较佳实施方式中，基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统包括现场监测子系统、控制子系统、数据库子系统及监测系统管理界面。其中，现场监测子系统包括分别设置在无线通信基站和行列车上的基站现场监测子系统和车载现场监测子系统。现场监测子系统通过设置在基站收发信机的采集模块和Abis接口记录越区切换的信息，数据库子系统通过设置在无线闭塞中心的对比缓冲器采集行车许可的信息，现场监测子系统通过通信网络与控制子系统连接，并且传输经过预处理的现场数据(包括行车许可的信息和越区切换的信息)到数据库子系统。其中，基站现场监测子系统通过GSM-R无线网络与控制子系统连接，车载现场监测子系统通过有线通信网络与控制子系统连接。通过构建MA的传输过程的Petri网，数据库子系统使用此Petri网对MA进行数据分析，包括计算MA的次数和概率、越区切换的次数和概率、越区切换成功的次数和概率以及MA从请求到成功扩展的时间。由此可见，本发明通过利用实时数据采集方法收集实时数据，结合MA的传输 Petri网的分析技术，建立了高速铁路列车MA传输分析系统，得到了 MA传输概率、越区切换发生率、越区成功概率对MA传输成功的影响等指标。因此，本发明的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统建立了 MA扩展实时监控的系统构架，实现了实时的信息采集和分析，有着良好的应用前景，为铁路决策提供数据支撑，从而保障列车可靠安全的运行。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的实施例的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统的结构示意图；图2是本发明的实施例的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析方法对 MA扩展过程的描述；图3是本发明的实施例的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析方法的 Petri网描述MA扩展过程的网络模型具体实施例方式如图1所示，本实施例的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统包括现场监测子系统、控制子系统3、数据库子系统4及监测系统管理界面5，其中现场监测子系统包括设置在基站的基站现场监测子系统1和设置在列车上的车载现场监测子系统2， 现场监测子系统利用传感器等器件采集系统分析所需要的信息，如MA传输到达统计信息、 MA传输过程中信令信息等。控制子系统3分别与基站现场监测子系统1、车载现场监测子系统2、数据库子系统4相连，传输控制指令。控制子系统3向基站现场监测子系统1和车载现场监测子系统2发出的控制指令包括采集的开断、运行时间以及其采集数据的流向等， 控制子系统3向数据库子系统4发出的控制指令包括查询历史数据、控制显示当然数据、分析数据关联等。当控制子系统3发出控制指令使基站现场监测子系统1和车载现场监测子系统2开始采集数据，获取的数据被传输存入数据库子系统4中。监测系统管理界面5用以显示本发明的监测系统当前状况，同时用户可以通过监测系统管理界面5对系统进行操作命令，如对MA扩展成功率进行分析、查看历史成功率数据等。基站现场监测子系统1包括基站数据采集模块、基站数据预处理模块和有线通信模块，车载现场监测子系统2包括车载数据采集模块、车载数据预处理模块和无线通信模块。基站数据采集模块与基站数据预处理模块相连以传输基站的现场数据，基站数据预处理模块与有线通信模块相连接并且通过有线通信网络与控制子系统相连以传输预处理后的所述基站的现场数据。车载数据采集模块与车载数据预处理模块相连以传输列车的现场数据，车载数据预处理模块与无线通信模块相连接并且通过无线通信网络与控制子系统相连以传输预处理后的列车的现场数据。对于基站现场监测子系统1，也可以不使用有线通信模块而直接通过基站数据预处理模块与控制子系统的直接连接将处理后的现场数据传输到控制子系统。数据预处理模块(包括基站数据预处理模块和车载数据预处理模块)对现场数据的预处理包括对数据进行噪声数据的光滑、错误数据的纠正、异常数据的删除、不一致格式的规范等。现场数据指在基站或者列车上实时采集到的数据。数据库子系统4包括数据库和显示模块，数据库用以存储基站现场监测子系统1 和车载现场监测子系统2所采集的现场数据，显示模块用于显示监测系统管理界面5。控制子系统3包括控制模块、数据处理模块、数据缓存模块和控制界面模块。控制模块与基站现场监测子系统1、车载现场监测子系统2和数据库子系统4相连，并传输控制指令。数据处理模块通过与数据库子系统4的数据库相连以传输数据库处理后的信息，并且在控制界面模块上显示出来。数据缓存模块连接基站现场监测子系统1和车载现场监测子系统2，接受现场数据并将其传输到数据库子系统4。控制子系统3与数据库子系统4之间通过有线通信网络实现连接，进行信息交互。本实施例中的有线通信网络是由光纤架构的有线通信网络。通过在无线闭塞中心(RBC)设置对比缓冲器(comparator buffer, CB)来采集MA 的信息，通过在基站收发信机(Base Transceiver Station, BTS)设置采集模块以及检测 Abis接口来记录越区切换的信息，本发明可以构建行车许可的传输过程的Petri网。其中， 行车许可的信息包含行车许可的发送次数和行车许可的不发送次数，越区切换的信息包含越区切换的发生次数、不进行越区切换而直接传输行车许可的次数、越区切换的成功次数和越区切换的不成功次数。本发明的MA传输过程包括将新的MA与旧的MA进行比较，如果新的MA的区间终点在旧的MA的区间之内，那么就不发送MA，否则发送新的MA;判断MA的传输过程中是否发生越区切换，如果没有发生越区切换，则将MA通过基站传输到车载设备；如果发生越区切换，则必须经历越区切换，并且在三次以内成功完成越区切换之后，将MA传输到无线通信模块。在本实施例中，具体MA扩展过程如图2所示，包括以下步骤步骤100，无线通信模块请求MA扩展。设置在列车上的无线通信模块请求基站发送新的MA以进行MA扩展，RBC接受串路径信息，得到新的MA。步骤101，数据收集。控制子系统3发出控制指令，基站现场监测子系统1和车载现场监测子系统2采集现场数据，包括MA的信息和越区切换的信息。其中，基站现场监测子系统1获得新的MA 的信息，车载现场监测子系统2获得旧的MA的信息。控制子系统3发出控制指令，基站现场监测子系统1和车载现场监测子系统2采集的现场数据分别经过基站预处理模块和车载预处理模块进行预处理后，被传送到数据库子系统4。预处理包括对数据进行噪声数据的光滑、错误数据的纠正、异常数据的删除、不一致格式的规范等。步骤102，计算 MA。数据库子系统4的数据库中存放了用以分析数据库中所获得的数据的系统内核， 数据库子系统4据此计算步骤101中接收的MA的信息。步骤103，对比Ε0Α，决定是否发送MA。根据步骤102中得到的计算结果，将新的MA与旧的MA进行比较。对比旧MA的终点(EOA)，如果新的MA的终点在旧的MA的区间以内，那么进入步骤100 ；如果新的MA的终点在旧的MA的区间以外，则进入步骤104。步骤104，发送 MA。基站向无线通信模块发送新的MA0步骤105，判断是否发生越区切换。数据库子系统4根据计算步骤101中接收的越区切换的信息判断是否发生越区切换，如果没有发生越区切换，则进入步骤107 ；如果发生了越区切换，则进行越区切换。步骤106，判断越区切换是否成功。车载现场监测子系统2采集实时的越区切换的信息，数据库子系统4根据接收的越区切换的信息判断越区切换是否成功，如果成功则进入步骤107，如果失败则进入步骤 116。步骤107，无线通信模块接受MA，并进行扩展。
无线通信模块接受基站发出的新的MA，并且进行MA的扩展。步骤116，再次请求切换。车载现场监测子系统2采集实时的越区切换的信息，数据库子系统4根据接收的越区切换的信息判断越区切换是否成功，如果成功则进入步骤107，如果失败则进入步骤
117。步骤117，再次请求切换。车载现场监测子系统2采集实时的越区切换的信息，数据库子系统4根据接收的越区切换的信息判断越区切换是否成功，如果成功则进入步骤107，如果失败则进入步骤
118。步骤118，再次请求切换。车载现场监测子系统2采集实时的越区切换的信息，数据库子系统4根据接收的越区切换的信息判断越区切换是否成功，如果成功则进入步骤107，如果失败则进入步骤 119。步骤119，无线通信模块无法扩展MA，进行制动。无线通信模块不接受基站发出的新的MA，并且让行列车停止运行。使用Petri网对上述过程进行描述，如图3所示。其中，Petri网的库所含义如下PO 行车状态，Pl =RBC接受串路径信息，P3 =MA计算，P4 =RBC决定不发送MA，P5 重复请求MA，P6 列车MA扩展失败，实行制动，P7 :RBC决定发送MA，P8 越区切换触发，P9 越区切换处理，PlO 越区切换回馈信息，Pll 越区切换处理完成状态，P12 再次发送越区切换请求，P13 车载设备接受MA，并执行MA扩展，P14 不进行越区切换，P20 车载设备未接受MA。Petri网的变迁含义如下TO 提出MA请求；Tl =MA计算；T2 对比Ε0Α，决定是否发送MA ；T3 信息传输；T4 MA请求过程；T5 越区切换激活；T6 越区切换触发请求；T7 越区切换处理；T8 越区切换完成；T9 越区切换失败；TlO :MA传送过程；Tll 系统时间。其中，列车运行过程中决定发送MA和不发生MA的次数(记为aO和al)、越区切换发生的次数和不越区切换发生的次数(记为bO和bl)、越区切换成功的次数和越区切换失败的次数(记为c0、cl)通过设置在T2、T5、T8三处的数据采集记录模块，由现场监测子系统进行记录。同时，现场监测子系统通过设置在PO和Ρ13处的计时器，得到从PO传输到 Ρ13所需要的时间，从而可以计算出MA从请求到成功发送所需要的时间。根据图3，对Petri网进行简化并对MA扩展成功的概率进行计算从而得到MA传输成功发生的概率。在此需要提出的是，由于列车调度系统CTCS-3中，已经实现对T5、T8这两个数据的监测，从而使得在这个系统中获得这两个数据的变得非常的容易。数据采集记录模块只需要从相关的数据中，引入到本系统的模块就能完成。对于T2处的数据，可以根据RBC在每次计算完成MA之后，在其发出接口处设置的一个对比缓冲器(CB)进行记录。让每次计算好的MA在对比缓冲器中进行记录，从而实现T2对于是否发送MA的次数的记录。这样的话，就能容易的实现对MA扩展成功率的计算和监测。
接下来，可以利用所记录的数据，以及系统Petri网系统技术方法所计算出来的 P13制作出同一个图表，动态的显示出每个数据之间的动态变化过程，从而来反映数据之间的关联，为列车行车预警和列车调度系统决策进行数据支撑。在本实施例的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统中，数据库子系统4的数据库是SQL server数据库，具有数据采集、数据存储、数据融合和数据查询的功能。其中，数据采集为数据库子系统通过对比缓冲器和计时器获得MA的信息并且直接导入数据库；数据存储为数据库子系统利用采集的数据，通过列表的形式加上时间属性和基站地理位置属性，存储在数据库中；数据融合为数据库子系统指利用所获取的原始数据，通过本发明构建的MA的传输过程的Petri网，计算出MA扩展成功率的值。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其特征在于，包括现场监测子系统、控制子系统和数据库子系统；所述现场监测子系统通过在基站收发信机设置的采集模块以及Abis接口记录越区切换的信息；所述数据库子系统通过在无线闭塞中心设置的对比缓冲器采集行车许可的信息；现场监测子系统通过通信网络与控制子系统连接以传输现场数据，所述现场数据包括所述行车许可的信息和所述越区切换的信息；所述控制子系统通过有线通信网络与所述数据库子系统连接以传输数据分析信息；所述行车许可传输分析系统进一步地包括步骤构建所述行车许可的传输过程的Petri网，所述现场检测子系统采集所述现场数据，所述数据库子系统利用所述Petri网对所述行车许可进行数据分析。
2.如权利要求1所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述现场监测子系统包括车载现场监测子系统和基站现场监测子系统；所述车载现场监测子系统包括车载数据采集模块、车载数据预处理模块和无线通信模块，所述车载数据采集模块与所述车载数据预处理模块相连以传输列车的所述现场数据，所述车载数据预处理模块与所述无线通信模块相连接并且通过无线通信网络与所述控制子系统相连以传输预处理后的所述列车的现场数据；所述基站现场监测子系统包括基站数据采集模块、基站数据预处理模块和有线通信模块，所述基站数据采集模块与所述基站数据预处理模块相连以传输基站的所述现场数据，所述基站数据预处理模块与所述有线通信模块相连接并且通过所述有线通信网络与所述控制子系统相连以传输所述预处理后的所述基站的现场数据。
3.如权利要求2所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述无线通信网络是GSM-R无线网络。
4.如权利要求3所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述数据库子系统包括数据库和显示模块，所述数据库通过所述有线通信网络与所述显示模块相连以传输所述数据库的信息。
5.如权利要求4所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述控制子系统包括控制模块、数据处理模块、数据缓存模块和控制界面模块，所述控制模块与所述现场监测子系统、所述数据库子系统相连以传输控制指令，所述数据处理模块通过所述有线通信网络与所述数据库子系统相连以传输所述数据库的信息，所述数据缓存模块与所述现场监测子系统相连以传输所述现场数据，所述数据缓存模块与所述数据库子系统相连以传输接收到的所述现场数据。
6.如权利要求5所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述行车许可的信息包含所述行车许可的发送次数和所述行车许可的不发送次数，所述越区切换的信息包含所述越区切换的发生次数、不进行所述越区切换而直接传输所述行车许可的次数、所述越区切换的成功次数和所述越区切换的不成功次数。
7.如权利要求6所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述构建所述行车许可的传输过程的Petri网包括以下步骤将新的所述行车许可与旧的所述行车许可进行比较，如果所述新的所述行车许可的区间的终点在所述旧的所述行车许可的区间之内，那么就不发送所述行车许可，否则发送所述新的所述行车许可；判断所述行车许可的传输过程中是否发生所述越区切换，如果没有发生所述越区切换，则将所述行车许可通过基站传输到所述无线通信模块；如果发生所述越区切换，则必须经历所述越区切换，并且在三次以内成功完成所述越区切换之后，将所述行车许可传输到所述无线通信模块。构建所述行车许可的传输过程的所述Petri网。
8.如权利要求7所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述数据库子系统利用所述Petri网对所述行车许可进行的所述数据分析包括计算所述行车许可的次数和概率、所述越区切换的次数和概率、所述越区切换成功的次数和概率以及所述行车许可从请求到成功扩展的时间。
9.如权利要求8所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述数据库子系统利用所述Petri网对所述行车许可进行的所述数据分析还包括设计一个实时图形界面来动态地显示所述行车许可的次数和概率、所述越区切换的次数和概率、所述越区切换成功的次数和概率以及所述行车许可从请求到成功扩展的时间。
10.如权利要求9所述的基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，其中所述数据库子系统的所述数据库是SQL server数据库。
全文摘要
本发明公开了一种基于Petri网的高速铁路列车行车许可传输分析系统，包括现场监测子系统、控制子系统和数据库子系统。现场监测子系统通过设置在基站收发信机的采集模块和Abis接口记录越区切换的信息，数据库子系统通过设置在无线闭塞中心的对比缓冲器采集行车许可(MA)的信息，现场监测子系统通过通信网络与控制子系统连接，并且传输经过预处理的现场数据到数据库子系统。本发明还公开了构建MA的传输过程的Petri网，数据库子系统使用此Petri网对MA进行数据分析，包括计算MA的次数和概率、越区切换的次数和概率、越区切换成功的次数和概率以及MA从请求到成功扩展的时间。
文档编号G05B13/04GK102566429SQ201210005118
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者关新平, 陈彩莲, 雷涛 申请人:上海交通大学