基于DSPN的下一代列控数据通信系统可靠性分析

摘要

目前，在城市轨道交通系统中，基于通信的列车控制(Communication Based TrainControi，CBTC)系统己被广泛应用。然而，传统的基于车地通信的列控系统在应用过程中出现了子系统间接口过多、通信设备相对繁琐等问题。作为传统列控系统的提升，基于车车通信的下一代列控系统具有速度快、单位时间容量大、结构简单等优点。而数据通信系统作为下一代列控系统的重要组成部分，其可靠性对于保障整个系统安全运行具有重要意义。
　　本文主要研究下一代列控数据通信系统的通信机制，搭建系统通信测试平台，测试系统性能，并建立系统的确定与随机Petri网(Deterministic and Stochastic Petri Nets，DSPN)模型，通过模型仿真结果分析系统可靠性。虽然基于车车通信的列控系统已在城市轨道交通中实施，但其可靠性还未被深入研究，制约了该系统的应用推广。本文研究的基于车车通信的下一代列控数据通信系统的可靠性对其在城市轨道交通系统中的应用具有一定的借鉴意义。论文的具体研究内容如下:
　　(1)研究了基于车车通信的下一代列控数据通信系统。根据系统工作原理，分析车车间的通信机制。基于长期演进(Long Term Evolution-Metro，LTE-M)技术设计实现了下一代列控数据通信系统中的通信测试平台。
　　(2)完成了对下一代列控数据通信系统的性能测试。结合LTE-M技术特点，修改LTE-M网络配置，在实验室内基于LTE-M模拟城市轨道交通无线传输环境，并在该系统中实现车车通信。测试基于LTE-M的下一代列控数据通信系统中的传输时延、中断概率、切换成功率等性能参数，并判别系统各项性能是否满足下一代列控系统对数据通信系统的需求。利用MATLAB对测试数据拟合得出系统的性能参数分布。
　　(3)采用DSPN对下一代列控数据通信系统进行建模。利用DSPN分别对传输重传、中断重连、越区切换及系统中车地通信和车车通信等通信流程进行建模，并从参数、死锁情况、状态空间和可达性等方面验证了文中的DSPN模型是否可靠。
　　(4)通过仿真获取系统可靠性指标。通过对系统各通信环节和场景进行仿真，得出典型线路、多车追踪运营条件下系统通信的可靠性指标。同时，结合系统模型，研究了不同通信参数变化对系统可靠性的影响。
　　论文研究结果表明，DSPN模型较好的还原了下一代列控数据通信系统中的各通信环节和场景，并由该模型得到了下一代列控数据通信系统的可靠性指标。与列控系统需求相比，该指标达到了列控系统对数据通信系统可靠性的要求。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．1．1 列控系统及其车地通信技术的发展

1．1．2 CBTC系统及其数据通信系统

1．1．3 下一代列控系统及其数据通信技术的优势

1．2 研究意义

1．3 研究现状

1．3．1 列控数据通信技术国内外研究现状

1．3．2 列控数据通信系统可靠性国内外研究现状

1．3．3 车车通信技术国内外研究现状

1．3．4 研究现状总结

1．4 论文主要框架

2 背景理论研究

2．1 下一代列控系统及其数据通信系统简介

2．2 列控无线通信技术简介

2．2．1 WLAN及其在列控系统中的应用

2．2．2 LTE-M及其在列控系统中的应用

2．2．3 WLAN与LTE-M技术在列控系统中的应用对比

2．3 DSPN理论与仿真工具

2．3．1 DSPN及其规则

2．3．2 仿真工具π-Tool

2．4 本章小结

3 下一代列控数据通信系统通信性能测试

3．1 下一代列控对数据通信系统的需求

3．2 基于LTE-M的下一代列控数据通信系统的设计与平台实现

3．3 数据通信系统性能参数测试

3．3．1 传输重传参数测试

3．3．2 中断重连参数测试

3．3．3 越区切换参数测试

3．4 本章小结

4 下一代列控数据通信系统的DSPN建模

4．1 下一代列控数据通信系统通信环节的DSPN建模

4．1．1 传输重传的DSPN建模

4．1．2 中断重连的DSPN建模

4．1．3 越区切换的DSPN建模

4．2 下一代列控数据通信系统通信场景的DSPN建模

4．2．1 车车通信场景的DSPN建模

4．2．2 车地通信场景的DSPN建模

4．3 模型检验与验证

4．3．1 通信环节DSPN模型检验与验证

4．3．2 通信场景DSPN模型检验与验证

4．4 本章小结

5 下一代列控数据通信系统可靠性分析

5．1 基于DSPN的下一代列控数据通信系统可靠性分析

5．1．1 通信环节仿真结果分析

5．1．2 通信场景仿真结果分析

5．2 通信环节参数对系统可靠性影响

5．3 本章小结

6．1 论文主要工作总结

6．2 论文下一步展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士/博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集