基于高速铁路的GSM-R通信无线覆盖的可靠性分析

高云波

(兰州交通大学自动化与电气工程学院, 兰州　730070)



基于高速铁路的GSM-R通信无线覆盖的可靠性分析

高云波

(兰州交通大学自动化与电气工程学院, 兰州730070)

摘要：高速铁路的GSM-R通信无线覆盖的可靠性分析是保证列车安全、高效运行的技术手段之一。抽象出胶济线GSM-R网络结构,利用故障树分析法,根据各个网络节点的可靠度,计算出整个系统的可靠度。胶济线GSM-R网络覆盖采用单网交织冗余覆盖方案,铁路沿线基站设置的比较密集,根据故障树定量分析法,求出顶事件发生概率的近似值,根据某厂家提供的相关产品参数,得到GSM-R网络主要单元节点的可靠度预测值。

关键词：高速铁路； GSM-R；无线覆盖；可靠性分析；网络可靠性；顶事件

1概述

对GSM-R系统进行安全评价研究旨在确保通信网络安全，促使列车安全、高效运行。对GSM-R无线通信网络来说，无线网络的覆盖质量将直接影响到通信的质量，选择合适的覆盖方案可以提高系统的可靠性[1]。可靠性是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力。对系统或某一产品进行可靠性分析，有助于了解其安全性，进而在生产过程中采取有效的措施预防产品失效情况的发生[2]。系统可靠性分析方法有多种，典型的有故障树分析法和事件树分析法等。本文采用故障树分析方法对GSM-R系统进行可靠性分析。为保证行车安全，高速铁路必须采用列控系统，列控系统的可靠性分析是保障列车安全运行的基础，因此研究列控系统的可靠性就显得非常重要。国内一些专家和学者对 CTCS-3 级列控系统的可靠性[2-3]与安全性[4]进行了分析与评估研究。但是目前对组成CTCS-3级列控系统组成单元的重要度研究较少，而单元的重要度是系统可靠性分析的重要内容[5]。

2故障树分析法[6]

故障树分析法适用于大型复杂系统，通过对一种失效事件进行层层分析，深入挖掘，找出导致事件失效的全部原因。然后建立故障树，通过数学分析法，计算出整个系统的可靠度。

2.1故障树的建立

(1)故障树所用的符号

在故障树的建立过程中需要使用一些特殊符号，如表1所示。

表1　常用的故障树符号

(2)故障树建树的基本规则

GJB768.1中列出了FTA建树的6条基本规则。

①明确建树边界条件，确定简化系统图；

②故障事件应严格定义；

③应从上到下逐级建树；

④建树时不允许门-门相连；

⑤用直接事件代替间接事件；

⑥处理共因事件。

2.2故障树定性分析和定量分析

故障树分析法有定性分析和定量分析两种。定性分析主要是研究故障树中所有导致顶事件发生的最小割集。定量分析是先确定底事件的故障模式，故障分布及其参数，底事件发生的概率等，求出顶事件发生的概率。

利用最小割集对故障树定性分析割集是故障树中所有底事件集合的子集，当该子集中的底事件都发生时，顶事件必定发生。若将割集中的底事件任意去掉一个后，该子集就不是割集，那么此割集就为最小割集。最小割集的阶数即为最小割集中基本事件的数目。最小割集的重要度与阶数成反比，阶数越大，最小割集的重要度越小；阶数越小，最小割集的重要度越大，因为小概率事件同时发生的概率很小。在不同的割集中，基本事件出现的次数越多，说明该事件发生的几率很大，对故障树来说也就越重要。

本文的故障树定量分析主要通过各单元的失效概率求得系统的失效率。设系统有n个最小割集，分别为E1，E2，…，En，则顶事件T发生的概率R(T)为

(1)

将括号内不交型积之和利用布尔代数运算公式步步简化后，代入各单元的失效概率，即可求得系统的失效概率。

在许多实际工程问题中，精确计算是不必要的，因为统计得到的基本数据不是非常精确。可用式(2)求顶事件发生概率的近似值，这里用Fs来表示。其中，Xj为最小割集Ei中的底事件，F(Xj)为该最小割集中底事件发生的概率。

(2)

(3)

3GSM-R网络故障树分析

通过分析GSM-R系统各个结构的失效性，可以得到故障树，进而对整个网络的可靠性进行分析。GSM-R网络传输系统由基站子系统(Base Station Subsystem， BSS)、网络子系统(Network Switching Subsystem， NSS)、BSS与NSS之间的传输链路组成，系统故障树也由这些子系统构成。由于操作和维护子系统(Operation and Maintenance System， OMS)的失效不会直接导致GSM-R系统的失效，故不将其考虑在内[7]。

基站子系统(BSS)的失效可以分为BTS单点故障、BSC单点故障以及基站之间传输线路故障。当BSC与BTS之间采用环形链接时，此时只有当正环传输和反环传输都失效，基站传输环路才会失效，所以两者之间为串联关系。在建立故障树时，通过一个两输入的与门和上级事件基站环路失效相连。无论是正环还是反环，环内传输光缆的中断或环内前方某BTS单点故障都会导致某向环路失效，两者的关系为并联关系。

基站子系统(BSS)和网络子系统(NSS)之间传输链路出现故障的原因一般是传输光缆中断，也可将其作为故障树的一个基本事件。

NSS中包含移动交换中心(MSC)以及TRAU，任何一个节点的故障都会造成GSM-R网络的失效，所以两事件之间为并联关系，在建立故障树的时候，通过一个两输入或门与NSS失效这一上级事件相连。

图1　双MSC、双BSC同址双基站冗余覆盖故障树

文献[8-9]对故障树分析中的定性和定量分析算法分别以不同角度进行了分析和比较，本论文选取一个典型的覆盖方案建立故障树，并对该故障树进行定性分析。如图1所示，该图是根据双MSC、双BSC同站址双网冗余覆盖方案建立的故障树。顶事件T可以表示为

(4)

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

(5)

(6)

将式(5)和式(6)展开后，代入式(4)，得到T的表达式为81个积项之和，说明该故障树中包含81个最小割集，即81种失效模式。当每一最小割集中的事件同时发生时，都会导致GSM-R网络故障。

在故障树分析中，双网中单事件失效模式比单网中的少，因此双网的可靠性较高。冗余网络中，顶事件T的表达式乘积阶数比无冗余网络高，根据可靠性理论，乘积阶数越高，其最小割集发生的概率越小，对应事件发生的可能性低，所以可靠性提高。当乘积阶数很大时，该失效模式可以忽略。

4对胶济线GSM-R网络进行可靠性分析

胶济铁路青岛至济南全长385.6 km，济南至济南西线路长19.5 km，其中即墨至高密为四线，新建线长约46.2 km，线路绕行最大间距10 km；胶黄线胶州至黄岛正线长为39.56 km。全线设计区段范围青岛(含)至济南西(含)，包括胶黄线，胶州(不含)至黄岛(含)，共计490 km，43个车站，地势平坦，没有隧道。区间弱场区的覆盖采用设置区间基站的方式解决[10]。

胶济线GSM-R系统实现的功能有调度通信功能、施工维护通信业务、专用通信业务、车-地数据服务、调度命令及无线车次号传送、列尾风压数据传送、列车追踪及GPS定位服务、旅客服务等业务。

4.1胶济线GSM-R网络构成

GSM-R网络系统主要由网络交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、管理子系统(OMS)及用户终端等构成。NSS中的移动交换中心(MSC)和智能网(IN)中心设备都设在济南调度楼，预留与其他GSM-R网络互联条件[10]。

基站子系统(BSS)由基站控制器(BSC)和码速转换器(TRAU)组成，设在济南交换中心，控制整条线路中所有的基站。为保证较高的通信质量，移动台越区切换的总数应尽可能少。因此，每个基站对不同方向使用1根天线，同一基站的天线通过1个功率分配器合成起来，连到基站内相同的收发信机(BTS)，以减少越区切换的次数。天线塔高35～50 m。该线共98个基站，BTS与BSC之间采用环形连接，平均5个BTS构成1个环。

胶济线设1套网络管理子系统(OMS)，对该线GSM-R网络中的NSS、BSS、IN及TRAU进行维护管理。

4.2胶济线GSM-R网络的可靠性

胶济线GSM-R网络覆盖采用单网交织冗余覆盖方案，铁路沿线基站设置的比较密集，扩大相邻基站的覆盖范围。此种覆盖方案能够避免基站单点故障，因为每个基站的覆盖范围越过相邻基站，当该基站出现故障时，相邻两个基站能接管其通信业务，避免单点故障，有效地提高系统可靠性。综合文献[11-12]的分析计算方法，本论文抽象出胶济线GSM-R网络结构，如图2所示，利用故障树分析法，根据各个网络节点的可靠度，计算出整个系统的可靠度。

图2　胶济线GSM-R网络结构

根据以上分析，造成胶济线GSM-R网络失效的事件可分为以下几种。

(1)NSS失效。造成NSS实效的主要原因有TRAU故障或者MSC故障。

(2)NSS与BSS传输中断。

(3)BSS失效。

造成BSS失效的原因分为BSC单点或者网络无法和BSC通信。只有当相邻BTS和当前BTS都无法与BSC通信时，才会出现网络无法与BSC通信的状况。BTS无法与BSC通信的原因可分为BTS单点故障或者BTS传输失效，当BTS正环和BTS反环均失效时，导致BTS传输失效。造成BTS环状网失效的基本事件为BTS前方相邻BTS故障或者传输光缆中断。

根据以上分析，建立胶济线GSM-R网络的故障树，如图3所示。

顶事件T可表示为

(7)

以上T表达式展开后共有29项，其中单事件项有4项。说明本故障树包含29种失效模式，而单事件失效模式有4种。因为该29种最小割集之间有重复出现的底事件，根据故障树定量分析法，求出顶事件发生的概率的近似值。本文根据某厂家提供的相关产品参数，得到GSM-R网络主要单元节点的可靠度预测值，如表2所示。

表2　GSM-R网络节点可靠度

图3　胶济线GSM-R网络的故障树

由表2可知，胶济线GSM-R网络故障树中各基本事件发生的概率为：F(X1)=F(X8)=F(X10)=F(X12)=F(X14)=3.0×10-7，F(X4)=1.95×10-5，同时可以得到，F(X5)=F(X6)=F(X7)=F(X9)=F(X11)=F(X13)=8.64×10-5，F(X2)=2.90×10-5，另外，F(X3)=1.40×10-5。将以上数据代入式(2)、式(3)，可以得到胶济线GSM-R网络系统的失效率，即故障树中顶事件T发生的概率为Fs=R(T)=4.32×10-5。

5结语

随着铁路运输事业的蓬勃发展，高速铁路以及客运专线成为铁路行业的生力军，正在快速发展。高速铁路最大的优势在于速度高，这就需要列控信息快速、可靠地传送。

虽然GSM-R功能强大，可靠性较高，但仍有一些问题需要解决。由于铁路沿线干扰因素很多，如网络间干扰、信号屏蔽器等，这些干扰因素会直接导致列车接受到错误信息或者使列车出现掉话的风险。因此需要进一步提高GSM-R网络的抗干扰能力。另外，在基础理论方面，还有一些技术问题需要解决，如多普勒频移的影响、移动台群切换等。只有解决这些问题，才能使GSM-R更好地服务于铁路运输事业。

我国高铁建设迎来大发展时期，为GSM-R技术的发展提供巨大的机会。GSM-R网络系统仍有不少业务有待开发，如旅客信息服务、移动办公等。未来铁路通信会向综合化、智能化发展，以满足铁路运输发展的需要。

参考文献：

[1]钟章队，艾渤，刘研秋.铁路数字移动通信系统(GSM-R)应用基础理论[M].北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社，2009：43-68.

[2]张友鹏.可靠性理论与工程技术应用[M].兰州:兰州大学出版社，2004：147-163.

[3]邸丽清，袁湘鄂，王永年.CTCS-3级列控系统RAM指标评价方法研究[J].中国铁道科学，2010，31(6):92-97.

[4]吴书学.CTCS3-300T列控车载系统运行可靠性分析[J].铁路通信信号工程技术，2012，9(1):8-11.

[5]石先明，张敏慧.高速铁路列控系统安全性分析与改进[J].铁道标准设计，2012(11):101-106.

[6]车玉龙，苏宏升.基于蒙特卡罗的CTCS-3级列控系统单元重要度分析[J].铁道标准设计，2013(8):125-128.

[7]卢西文.CTCS-3系统中GSM-R的可靠性研究[D].兰州:兰州交通大学，2010：1-13.

[8]朱爱红，杨亮，李博.基于故障树分析法的ATS可靠性仿真及应用[J].铁道标准设计， 2013(11):105-109.

[9]徐岩，王娟娟.基于高速铁路的GSM-R通信安全评价方法研究[J].铁道学报，2012(11)：43-48.

[10]耿直.胶济线GSM-R无线通信系统工程[J].铁道通信信号，2006，42(2):34-37.

[11]孙瑜，范平志.GSM-R系统可靠性分析与评估[J].铁路通信信号工程，2005(1):15-19.

[12]郦萌，吴芳美.铁路信号可靠性安全性理论及证实[M].北京:中国铁道出版社，2008.

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

中图分类号：U285.2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.028

文章编号：1004-2954(2015)02-0113-05

作者简介：高云波(1980—)，男，讲师，E-mail:13370901@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51167009)

收稿日期：2014-08-12； 修回日期：2014-09-12