馬連川， 張玉琢， 孫雅晴， 穆建成， 曹 源

（1.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京100044；2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044；3.上海自儀泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，上海201206；4.國家鐵路局科技與法制司，北京100891）

基于DSPN的高速磁浮車地通信系統(tǒng)可靠性及時(shí)延

馬連川1，2， 張玉琢2， 孫雅晴3， 穆建成4， 曹 源1，2

（1.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京100044；2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044；3.上海自儀泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，上海201206；4.國家鐵路局科技與法制司，北京100891）

為滿足磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)對于列車高速運(yùn)行條件下通信實(shí)時(shí)、大容量的需求，基于確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)（deterministic and stochastic Petri nets，DSPN），根據(jù)38 GHz毫米波的影響因素，建立了其通信故障模型；按照信息幀的發(fā)送、冗余結(jié)構(gòu)處理、雙通道傳輸以及選擇表決的整個(gè)傳輸過程，建立了車地下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型.對磁浮車地通信系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)延時(shí)進(jìn)行了形式化分析，結(jié)果說明，磁浮38 GHz毫米波無線通信網(wǎng)絡(luò)無故障概率達(dá)99.452%，故障平均修復(fù)時(shí)間達(dá)373.80 ms，滿足高速磁浮車地通信的需求.

通信系統(tǒng)；磁浮列車；Petri網(wǎng)

磁懸浮列車是起源于20世紀(jì)的一種新型交通工具，它比輪軌鐵路更經(jīng)濟(jì)地達(dá)到較高的速度（400～550 km／h），且對環(huán)境影響較小.國際上，德國和日本兩國對磁浮技術(shù)的研究比較成熟，分別采用了常導(dǎo)的電磁懸浮和超導(dǎo)的電磁懸浮［1］.磁懸浮在我國的發(fā)展起步較晚，但進(jìn)步較快，由于國民經(jīng)濟(jì)對快速高效的交通運(yùn)輸方式需求很大，發(fā)展高速磁懸浮鐵路對我國未來客運(yùn)交通有重大意義.

車地通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)信息采集和利用、信息匯集和分解、信息源編解碼，以及可靠、透明地傳輸磁浮列車與地面設(shè)備間的狀態(tài)信息、控制命令、診斷信息等等，對行車安全關(guān)系重大［2］.由于磁浮列車運(yùn)行速度較高，輪軌與地面脫離造成傳統(tǒng)軌道電路失效，車地通信完全依賴無線的方式，因此對系統(tǒng)的可靠性和延時(shí)提出了更為嚴(yán)格的要求.

我國上海磁浮線采用德國從歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（European Aerospace Defense System，EADS）引進(jìn)的38 GHz毫米波無線通信方式，國內(nèi)針對磁浮車地通信系統(tǒng)的研究相對較少，且尚未形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范體系，所以對系統(tǒng)的性能有待分析和驗(yàn)證.目前采用的是西門子公司制定的《上海磁浮高速列車項(xiàng)目-運(yùn)行控制系統(tǒng)-無線電系統(tǒng)子系統(tǒng)規(guī)范》，其中對車地通信系統(tǒng)規(guī)定“大于500 ms的無線電系統(tǒng)中斷不應(yīng)發(fā)生［3］”.上海磁浮線通信系統(tǒng)的可靠性能否滿足這一要求也是人們關(guān)注的問題.

一些學(xué)者已經(jīng)開展了針對磁浮列車以及車地通信系統(tǒng)的研究.Zheng Wei等根據(jù)CENELEC系列標(biāo)準(zhǔn)文件及安全指南，基于全局安全目標(biāo)來量化鐵路運(yùn)行的可容忍風(fēng)險(xiǎn)，以磁浮列車超速安全防護(hù)過程為例描述了詳細(xì)的運(yùn)輸系統(tǒng)建模、分析及仿真過程［4］.徐田華等對基于IEEE 802.11協(xié)議的列車數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，對不同結(jié)構(gòu)，不同速度以及列車數(shù)量條件下幀丟失的概率進(jìn)行了計(jì)算［5］.不過，以上這些論文都沒有研究磁浮列車采用38 GHz毫米波通信的特性以及數(shù)據(jù)鏈路的傳輸成功率和傳輸延時(shí).

形式化分析方法是一種驗(yàn)證系統(tǒng)特性的通用方法，是基于數(shù)學(xué)的特種技術(shù)，適合于系統(tǒng)軟／硬件的描述、開發(fā)和驗(yàn)證，并通過使用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)分析以提高系統(tǒng)可靠性和安全性.

本文根據(jù)38 GHz毫米波的特性及影響因素，建立了38 GHz毫米波通信故障模型，并且通過信息幀發(fā)送子模型、無線電控制單元冗余熱備子模型、雙通道發(fā)送信息幀子模型以及信息幀選擇表決子模型，建立了完整的車地下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型，并對上述兩個(gè)模型的可靠性及系統(tǒng)延時(shí)進(jìn)行了形式化分析，驗(yàn)證了磁浮車地通信系統(tǒng)性能滿足西門子公司《上海磁浮高速列車項(xiàng)目-運(yùn)行控制系統(tǒng)-無線電系統(tǒng)子系統(tǒng)規(guī)范》的要求，且通信協(xié)議對信息幀和傳輸周期的規(guī)范是合理的.形式化分析結(jié)果將為今后我國相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的制定提供理論依據(jù).

1 下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸

車地通信系統(tǒng)由車載無線電控制單元（move radio control system，MRCU）與車載安全計(jì)算機(jī)（vehicle safety computer，VSC）以及分區(qū)無線電控制單元（distributed radio control system，DRCU）與分區(qū)安全計(jì)算機(jī)（distributed safety computer，DSC）組成，如圖1所示，其內(nèi)部接口為RS232，傳輸速率為38.400 kbit／s，無線傳輸速率為4.096 Mbit／s.

圖1 車地通信系統(tǒng)Fig.1 Vehicle-ground communication system

車地通信系統(tǒng)為了使DRCU能同時(shí)與無線區(qū)段內(nèi)的多個(gè)MRCU進(jìn)行通信，采用了時(shí)分多址接入方式（time division multiple sccess，TDMA）［6］.在該通信方式中，每20.00 ms時(shí)間間隔內(nèi)分為8個(gè)時(shí)隙，DRCU最多可管理13輛列車.本文僅考慮在單分區(qū)、單車情況下，20.00 ms內(nèi)分隙的TDMA數(shù)據(jù)幀的情況.

由于車輛運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)與地面分區(qū)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，因此需要分別發(fā)送運(yùn)行、存車和停車需要的數(shù)據(jù).

下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸采用單車、單分區(qū)20.00 ms分隙的TDMA傳輸方式，即每隔2.50 ms的時(shí)隙，分別查詢待發(fā)送運(yùn)行車輛、停止車輛、存車車輛數(shù)據(jù)，其流程如下：設(shè)初始待發(fā)送報(bào)文有n個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)信息包”（等同于有n個(gè)待發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信息幀），當(dāng)n＞0時(shí)，表示有待發(fā)送信息，VSC開始請求先發(fā)送運(yùn)行車輛數(shù)據(jù)，并通過串口把信息幀傳輸?shù)組RCU，此時(shí)，MRCU分兩個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸會以一定概率傳輸失敗，傳輸失敗后會重新傳輸，每個(gè)通道最多傳輸5次；DRCU接收到首次正確到達(dá)的數(shù)據(jù)后，舍棄后到達(dá)的數(shù)據(jù)；接下來對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行表決，表決成功則停止車輛數(shù)據(jù)傳輸，失敗則請求重新發(fā)送，直到存車車輛數(shù)據(jù)也表決成功，才進(jìn)行下一信息包的傳輸；重復(fù)按照上述流程循環(huán)，直到n個(gè)報(bào)文發(fā)送完畢.

2 DSPN模型的建立

確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)（deterministic and stochastic Petri nets，DSPN）是隨機(jī)Petri網(wǎng)的擴(kuò)充，具有不確定性描述、并行處理、異步描述和分析等能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它以連續(xù)Markov鏈為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還具有良好的描述狀態(tài)間遷移的能力.由于可以描述時(shí)間參數(shù)，因此，能夠很好地解決離散和連續(xù)的時(shí)間、固定時(shí)間或者瞬時(shí)變遷等問題，成為一種適于描述和分析無線通信系統(tǒng)隨機(jī)特性的形式化方法.

在DSPN中，允許時(shí)間變遷的實(shí)施延時(shí)既可以是常數(shù)，也可以是指數(shù)分布的隨機(jī)變量，這對周期性通信或數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}非常適用［7］.

2.1 DSPN的基本概念

為了建立車地通信系統(tǒng)模型，先給出相關(guān)定義.

定義1一個(gè)DSPN由一個(gè)8元組構(gòu)成，記為WDSPN＝（P，T，I，O，H，M0，W，λ），其中：P＝｛P1，P2，…，Pn｝，為位置的集合；T＝｛T1，T2，…，Tn｝，為變遷的集合；I∈PT，為輸人弧的集合；O∈TP，為輸出弧的集合；H∈PT，為禁止弧的集合；M0為初始標(biāo)識的集合；W為弧權(quán)函數(shù)的集合，默認(rèn)情況下為1；λ表示變遷平均實(shí)施速率的集合，λ＝（λ1，λ2，…，λm），其等價(jià)于指數(shù)分布概率密度函數(shù)f（x）＝λe－λx中的λ.平均實(shí)施速率的倒數(shù)τi＝1／λi表示變遷的平均實(shí)施延時(shí)或平均服務(wù)時(shí)間.λi的取值從所模擬系統(tǒng)中通過實(shí)際測量獲得，或者依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對概率分布的要求，通過計(jì)算得出.

2.2 38 GHz毫米波通信故障模型

38 GHz毫米波通信主要受以下因素影響［8］：

（1）鏈路突發(fā)降質(zhì).

雷電等自然災(zāi)害.

（2）雨水導(dǎo)致信號衰落.

毫米波受雨滴引起衰落.

（3）鏈路中斷.

（4）越區(qū)切換.

（5）多普勒效應(yīng).

多普勒效應(yīng)在普通低速度情況下不明顯，但當(dāng)列車速度超過200 km／s的臨界速度時(shí)，影響愈顯突出.高速運(yùn)行狀態(tài)車地通信會產(chǎn)生一定的頻移，使相同信號強(qiáng)度情況下通信質(zhì)量惡化，從而引發(fā)通信斷續(xù)、掉話等.

圖2是38 GHz毫米波通信故障模型.初始時(shí)刻，Pnormal中包含一個(gè)托肯，表示無線網(wǎng)絡(luò)正常連接.此后托肯可能分別經(jīng)過Tdrop、Thandover、Tdoppler、Train、Tbreak變遷，進(jìn)入以下5個(gè)狀態(tài)：網(wǎng)絡(luò)突發(fā)降質(zhì)狀態(tài)Pbtsdown、越區(qū)切換狀態(tài)Phandover、多普勒頻移降質(zhì)狀態(tài)Pdoppler、陰雨天氣信號衰落狀態(tài)Pdrop和鏈路中斷狀態(tài)Pfail.當(dāng)處于Pbtsdown、Phandover或Prain狀態(tài)時(shí)，可以以一定隨機(jī)概率恢復(fù)正常；當(dāng)處于Pfail狀態(tài)時(shí)，將經(jīng)過一個(gè)短暫的判決時(shí)間Tindicate對鏈路中斷狀態(tài)進(jìn)行判別，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中斷狀態(tài)Pbreak，網(wǎng)絡(luò)中斷后會立即進(jìn)行重連.此時(shí)，可能經(jīng)Tsuccess連接成功到達(dá)連接網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)Pestablish，進(jìn)而通過變遷Tconnect恢復(fù)正常；也可能經(jīng)Tfail連接失敗到達(dá)狀態(tài)Pestfail.參照文獻(xiàn)［3，9-14］并結(jié)合理論計(jì)算，得出模型參數(shù)，如表1所示.

圖2 38 GHz毫米波通信故障模型Fig.2 Failure model of 38GHz millimeter wave

表1 圖2變遷說明及取值Tab.1 Transition illustrations and values in Fig.2

2.3 下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型

圖3給出了完整的下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型，可以通過改變Pstart中的托肯值N，代表不同的信息包數(shù)據(jù)幀長度.為了方便介紹，將下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型分為幾個(gè)子模型：信息幀發(fā)送子模型、無線電系統(tǒng)主備子模型、雙通道發(fā)送信息幀子模型和信息幀選擇表決子模型.

圖4是信息幀發(fā)送子模型，初始狀態(tài)Pstart有N個(gè)托肯值.T0觸發(fā)需要Pperloop的許可，初始時(shí)刻Pperloop中有1個(gè)托肯值，T0被觸發(fā)后，Pstart中托肯值減1，Pqueue1、Pqueue2、Pqueue3分別待觸發(fā)，表示運(yùn)行、停止、存車車輛數(shù)據(jù)進(jìn)入排隊(duì)待發(fā)送狀態(tài)，但數(shù)據(jù)發(fā)送許可只有Psendper1具有1個(gè)托肯，即Tsend1滿足觸發(fā)條件，因此Psend1中有1個(gè)托肯值，此時(shí)，VSC向MRCU請求發(fā)送運(yùn)行車輛數(shù)據(jù).Tresponse1滿足條件，Pstatrans1和Ppass1中均有1個(gè)托肯值，待Ttrans1觸發(fā)時(shí)，開始發(fā)送運(yùn)行車輛數(shù)據(jù)到達(dá)Prans1.當(dāng)最終得到子模型的變遷使得P1中有托肯時(shí)，Tsendint1被觸發(fā).Psendper1中得到1個(gè)托肯，經(jīng)Tpass1直接變遷到Psendper2，開始進(jìn)行停止車輛數(shù)據(jù)傳輸子周期；同上進(jìn)行存車車輛數(shù)據(jù)傳輸子周期.參照文獻(xiàn)［3］，圖4所示變遷的說明及參數(shù)選取如表2.

圖3 下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型Fig.3 Integrated model of downlink data transmission

圖5為MRCU冗余熱備子模型.初始狀態(tài)，主網(wǎng)Pmain1和Pspare1備網(wǎng)中均有1個(gè)托肯值，雙網(wǎng)正常.當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，Tfail1變遷觸發(fā)，托肯值轉(zhuǎn)移到位置Pmaindown1，表示主網(wǎng)絡(luò)故障.此時(shí)，Pmain1中托肯值小于1，Tswitch1變遷立刻被觸發(fā)，備網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到主網(wǎng)絡(luò)位置.經(jīng)過Trepair1，原故障的網(wǎng)絡(luò)可修復(fù).故障重新修復(fù)后，轉(zhuǎn)為備用狀態(tài).該模型中所用參數(shù)及意義參見表3［3，9］.

圖5 MRCU冗余熱備子模型Fig.5 Sub model of MRCU redundancy

表3 圖5變遷說明及取值Tab.3 Transition illustrations and values in Fig.5

圖6為雙通道發(fā)送信息幀子模型.

圖6 雙通道發(fā)送信息幀子模型Fig.6 Sub model of sending information frame through dual channel

圖6所示發(fā)送的信息為運(yùn)行車輛數(shù)據(jù)，發(fā)送停止車輛與存車車輛數(shù)據(jù)的信息幀子模型與此類似.MRCUA和MRCUB串口在規(guī)定時(shí)間內(nèi)向DRCU連續(xù)5次發(fā)送運(yùn)行車輛數(shù)據(jù)，這里只給出了傳送2次的模型.通道A傳輸過程用Ptrans11，Ptrans12，…，Ptrans15來表示，通道B用Ptrans110，Ptrans120，…，Ptrans150表示.

在每次傳輸?shù)倪^程中，按一定指數(shù)分布的隨機(jī)故障出現(xiàn)傳輸誤碼，傳輸誤碼的狀態(tài)用Ptovertime11、Ptovertime110等來表示.圖6所示變遷的意義及參數(shù)如表4［3，8］.

表4 圖6變遷說明及取值Tab.4 Transition illustrations and values in Fig.6

圖7為信息幀選擇表決子模型.利用變遷

Tchannel1A、T1Abacksel、Tchannel1B、T1Bbacksel選擇位置Ptrans15和Ptrans150中先正確到達(dá)的運(yùn)行車輛（停止車輛或存車車輛）數(shù)據(jù)，舍棄后到達(dá)的數(shù)據(jù).選擇出的數(shù)據(jù)存入Pvote1中，之后進(jìn)行表決，在5.00 ms內(nèi)完成表決傳輸，通過Tvote1完成數(shù)據(jù)傳輸，再經(jīng)過5.00 ms調(diào)整，重復(fù)發(fā)送，若超過100.00 ms表決時(shí)間，則表決失敗.該變遷的說明與取值參見表5［3，10］.

圖7 信息幀選擇表決子模型Fig.7 Sub model of selecting and voting information frame

表5 圖7變遷說明及取值Tab.5 Transition illustrations and values in Fig.7

3 模型形式化分析

本文利用德國柏林工業(yè)大學(xué)開發(fā)的DSPN工具TimeNet4.0對上述模型進(jìn)行形式化分析.首先通過狀態(tài)空間分析和結(jié)構(gòu)檢查，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性；之后給出評價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)，如采用無故障概率、故障平均修復(fù)時(shí)間以及信息幀成功接受率來衡量系統(tǒng)的可靠性，采用傳輸延時(shí)來衡量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；進(jìn)而利用DSPN模型穩(wěn)定狀態(tài)標(biāo)識概率，定義和推導(dǎo)表征這些性能指標(biāo)的函數(shù)；最后將時(shí)間參數(shù)代入上述模型，對模型進(jìn)行形式化分析.通過該模型，將結(jié)果與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行比較，可以對目前尚未成熟的規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證或完善，而且通過對數(shù)據(jù)幀不同長度的試驗(yàn)，可以對通信協(xié)議中傳輸周期進(jìn)行深入探究.

3.1 38 GHz毫米波通信故障模型

先對38 GHz毫米波通信故障模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，結(jié)果表明，該模型共包含9個(gè)狀態(tài)空間，同構(gòu)于有9個(gè)狀態(tài)的嵌入馬爾可夫鏈，每個(gè)狀態(tài)有9個(gè)元素，其對應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Q由9×9結(jié)構(gòu)組成，且對P不變量和瞬時(shí)變遷的結(jié)構(gòu)檢查表明，模型結(jié)構(gòu)無誤.

再對模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)形式化分析.Pnormal中包含1個(gè)托肯即表示正常，得出無故障發(fā)生的概率為99.450%，驗(yàn)證了磁浮列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下，滿足與地面設(shè)備之間大容量通信時(shí)對通信系統(tǒng)高可靠性的要求.

最后利用模型的穩(wěn)定狀態(tài)概率分析毫米波故障平均修復(fù)時(shí)間（mean time to repair，MTTR）.為了得到毫米波故障平均修復(fù)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)概率之間的關(guān)系，做如下的定義和推導(dǎo)：毫米波故障平均修復(fù)時(shí)間為隨機(jī)干擾情況下，托肯從Pnormal出發(fā)，再返回到Pnormal的平均時(shí)間［15］.

設(shè)位置si在任一可達(dá)標(biāo)記中平均所含有的標(biāo)記數(shù)ui用式（1）表示：

位置集Sj∈S的平均標(biāo)記數(shù)Nj是sj中每一個(gè)位置si∈Sj的平均標(biāo)記數(shù)之和，則

Pnormal對應(yīng)的變遷利用率

設(shè)t為一個(gè)變遷，那么變遷t的標(biāo)記流速R（t，s）表示單位時(shí)間內(nèi)流入t的后置位置s平均標(biāo)記數(shù)的標(biāo)記流速，

式中：λ是t的平均實(shí)施速率（即消息到達(dá)的平均速率）.

根據(jù)little規(guī)則和平衡原理N＝λT，得子系統(tǒng)平均延時(shí)：

對于磁浮38 GHz無線通信網(wǎng)絡(luò)，模型分析結(jié)果證明，正常連接后網(wǎng)絡(luò)無故障概率達(dá)99.452%，故障平均修復(fù)時(shí)間達(dá)373.80 ms.驗(yàn)證了系統(tǒng)性能滿足西門子公司《上海磁浮高速列車項(xiàng)目-運(yùn)行控制系統(tǒng)-無線電系統(tǒng)子系統(tǒng)規(guī)范》中規(guī)定的“大于500 ms的無線電系統(tǒng)中斷不應(yīng)發(fā)生”通信系統(tǒng)性能要求.

3.2 下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸特性

通過改變待發(fā)送信息幀數(shù)目，即Pstart中的N值，模型多次進(jìn)行試驗(yàn)，得到DRCU接收VSC信息幀成功的概率，如圖8所示.

圖8 DRCU接收成功率與信息幀數(shù)量的關(guān)系Fig.8 Relationship between success rate of DRCU receiving the message and frame number

圖8中給出了DRCU接收運(yùn)行、停止和存車車輛3種報(bào)文成功率與待發(fā)送信息幀數(shù)的比較.由于3種報(bào)文均以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，運(yùn)行車輛報(bào)文正確傳輸且停車車輛報(bào)文也正確傳輸，存車車輛才能正確傳輸，因此，存車車輛報(bào)文正確傳輸概率也代表了數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕?可以看出，數(shù)據(jù)包的成功傳輸率隨初始待發(fā)送信息幀數(shù)量的增加逐漸下降，初始待發(fā)送信息幀數(shù)目小于2幀時(shí)，傳輸可靠率在99.500%以上.

與38 GHz毫米波通信故障模型平均延時(shí)分析類似，下行鏈路信息幀傳輸平均延時(shí)考慮數(shù)據(jù)報(bào)文從P0出發(fā)再返回P0的時(shí)間.圖9給出了傳輸延時(shí)與待發(fā)送信息幀數(shù)量的關(guān)系.

圖9 傳輸延時(shí)與信息幀數(shù)量的關(guān)系Fig.9 Relationship between transmission delay and frame number

從圖9中可以看出，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)隨信息幀長度的增加基本呈線性關(guān)系遞增.由于數(shù)據(jù)包長度最長可以為2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信息幀長度，此時(shí)的傳輸延時(shí)響應(yīng)為87.00 ms，而數(shù)據(jù)傳輸周期為100.00 ms，能夠保證下一周期數(shù)據(jù)到來時(shí)完成上一周期數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸成功率均達(dá)到99.500%.由此證明，VSC數(shù)據(jù)傳輸周期為100.00 ms是合理的，信息幀制定合理.

圖8和圖9給出了DRCU接收成功率以及傳輸時(shí)延與數(shù)據(jù)幀數(shù)量的關(guān)系，分析可知，接收的成功率隨信息幀長度（數(shù)量）的增加而逐漸下降，這是因?yàn)閹L度（數(shù)量）的增加造成雙通道傳輸出現(xiàn)誤碼以及表決失敗的情況增加，從而導(dǎo)致接收成功率的降低；傳輸平均延時(shí)隨信息幀長度（數(shù)量）增加而增加，這是因?yàn)檫\(yùn)行、停止和存車3種不同優(yōu)先級的報(bào)文碰撞概率的增加以及在選擇表決過程中等待時(shí)間增加，從而導(dǎo)致時(shí)延不斷增加.

4 結(jié) 論

本文基于確定于隨機(jī)Petri網(wǎng)，建立了磁浮運(yùn)控系統(tǒng)中38 GHz毫米波無線通信系統(tǒng)的故障模型和車地下行鏈路傳輸模型，基于磁浮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)的描述和量化分析，對所建立的模型進(jìn)行了形式化分析和驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）磁浮38 GHz無線通信網(wǎng)絡(luò)無故障概率達(dá)99.452%，故障平均修復(fù)時(shí)間達(dá)373.80 ms，滿足西門子公司《上海磁浮高速列車項(xiàng)目-運(yùn)行控制系統(tǒng)-無線電系統(tǒng)子系統(tǒng)規(guī)范》對車地通信系統(tǒng)可靠性的要求；

（2）對于下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸模型，傳輸?shù)目煽啃噪S信息包數(shù)據(jù)幀長度的增加逐漸下降，傳輸可靠率能達(dá)到99.500%，這一結(jié)論可以為今后規(guī)范的制定提供理論依據(jù)；

（3）傳輸響應(yīng)的延時(shí)為87.00 ms，滿足車地通信系統(tǒng)通信協(xié)議對實(shí)時(shí)性的規(guī)范.

由于我國自主化的磁浮系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，本論文結(jié)論不僅為磁浮系統(tǒng)設(shè)備的國產(chǎn)化提供參考，也能為我國磁浮系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定可以提供依據(jù).

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（中文編輯：唐 晴 英文編輯：周 堯）

Reliability and Delay of DSPN-Based Ground Communication System in High-Speed Maglev Vehicles

MA Lianchuan1，2， ZHANG Yuzhuo2， SUN Yaqing3， MU Jiancheng4， CAO Yuan1，2
（1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；3.Thales Saic Transportation System Limited Company，Shanghai 201206，China；4.Department of Science and Technology and Law，National Railway Administration of the People's Republic of China，Beijing 100891，China）

To achieve the real-time and large-capacity communication of maglev operation control system when the train runs at high speeds，a DSPN-based（deterministic and stochastic Petri nets）model was built according to the communication failure modes of 38 GHz millimeter wave.Further，a vehicle-ground downlink transmission model was established to cover the entire transmission process of sending information frame，processing redundant structure，transmitting in dual channel，electing and voting.Finally，the reliability and time delay of the maglev vehicle-ground communication system were verified by formal method.The results of formal verification show that fault-free probability of the 38 GHz millimeter communication system is 99.452%，and mean time for repairing fault is 373.80 ms，which satisfy the vehicle-ground communication requirement of high-speed maglevs.

communication systems；maglev vehicles；Petri nets

TN928

：A

0258-2724（2014）06-1016-08

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.013

2013-05-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305021，U1334211）；國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA112001）；中國鐵路總公司科技開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013X013-D）

馬連川（1970－），男，副教授，碩士，研究方向?yàn)楦咚倭熊囘\(yùn)行控制，E-mail：lchma＠bjtu.edu.cn

曹源（1982－），男，副教授，博士，研究方向?yàn)楦咚勹F路運(yùn)行控制，E-mail：ycao＠bjtu.edu.cn

馬連川，張玉琢，孫雅晴，等.基于DSPN的高速磁浮車地通信系統(tǒng)可靠性及時(shí)延［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（6）：1016-1023.