基于运营任务划分的列控系统可靠性模型构建及分析方法

1.本发明涉及列控系统分析技术领域，尤其涉及一种基于运营任务划分的列控系统可靠性模型构建及分析方法。


背景技术：

2.如何对列车的列控系统的可靠性进行分析评价一直是领域内的研究重点，现有列控系统保有轨道电路、应答器等大量地面设备，为提高其可靠性，当前的趋势打造能够精简大量地面设备的新一代的列控系统，2003年，ertms(欧洲铁路交通管理系统)提出了适用于低密度线路的新型列控系统ertms-rigional，其典型特征为精简了大量的地面设备。以车为核心列控系统将原地面控制器的部分控制逻辑转移到车载设备执行，以此来实现大量精简地面设备的目的，当然，这也给系统带来了新的问题，相比传统列控系统而言，以车为核心列控系统交互环境动态演化，与地面设备接口会随着列车运输任务的变化而变化，导致系统结构随之动态调整。
3.目前，现有技术中的列控系统的可靠性分析方法往往针对特定的一套硬件系统展开，以元器件失效概率为基础，通过故障树分析等技术构建系统的可靠性模型并进行分析。
4.上述现有技术中的列控系统的可靠性分析方法的缺点包括：以车为核心列控系统的控制方式(系统构成随列车运行过程动态变化)导致对其可靠性模型构建及分析十分困难，缺乏针对以车为核心列控系统进行可靠性分析的有效手段。
5.现有技术中的列控系统的可靠性分析方法多数采用静态的可靠性分析方法。然而列车的运行过程是依靠多种、多个列控设备连续通信、协同完成整个列车运输任务，单一对某一个设备进行可靠性分析无法针对整个运行过程的可靠性进行评价。同时，静态的分析方法无法处理系统运行中具体设备数量、种类变化的情况，没有针对系统实时动态运行过程的可靠性评估方法，尤其对于以车为核心列控系统而言，整个系统的控制过程随着列车位置的变化而有所不同。


技术实现要素：

6.本发明的实施例提供了一种基于运营任务划分的列控系统可靠性模型构建及分析方法，以实现对整个列车运行过程进行可靠性评估，为列车运输任务的高效完成提供技术支撑。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
8.一种基于运营任务划分的列控系统可靠性模型构建及分析方法，包括：
9.根据列车运输组织过程及列车运营任务确定列车的多阶段子任务；
10.根据所述多阶段子任务建立以车为核心列控系统的多阶段可靠性模型；
11.构建各阶段基本任务可靠性模型的故障树，将故障树转换为二叉决策图bbd表示；
12.根据各阶段基本任务的bdd表示得到导致各阶段基本任务的失效路径，根据各阶段基本任务的失效路径和各个具体设备的故障分布，计算出各阶段基本任务的可靠性，基
于各阶段基本任务的可靠性计算出整个列车运输任务的可靠性指标。
13.优选地，所述的根据列车运输组织过程及列车运营任务确定列车的多阶段子任务，包括：
14.将列车运输任务划为若干个基本任务，每个基本任务为从一个车站出发到相邻车站停车，每个基本任务列车沿线路运行过程划分为车站发车、区间运行以及相邻车站接车三个环节，当列车依次完成车站发车、区间运行及相邻车站接车时则确认该基本任务才完成，当列车依次完成所有的基本任务时则确认完成整个列车运输任务。
15.优选地，所述的根据所述多阶段子任务建立以车为核心列控系统的多阶段可靠性模型，包括：
16.以车为核心列控系统结构为基础构建列车运输基本任务不同环节的可靠性模型，定义phi表示列车运行过程中第i个基本任务的失效，则整个列车运输任务的失效定义为phm：
17.phm＝ph1 ph2
…
phi18.即任何一个基本任务的失效都会导致整个列车运输任务的失效；
19.定义第i个基本任务phi的三个环节失效为：未能从始发站发车ph
1i
，未能在始发站和终点站之间的站间区间运行ph
2i
，未能在终点站接车ph
3i
，以根据以下公式进行计算：
20.ph
1i
＝f
1i
[0021][0022][0023]
其中f
ji
表示第i个基本任务的第j个环节失效条件满足，表示ph
1i
环节的失效条件不满足，表示ph
2i
环节的失效条件不满足；
[0024]
整个列车运输任务的失效概率的计算公式如下：
[0025][0026]
其中q
ji
表示第i个基本任务第j个环节的失效概率。
[0027]
优选地，所述的构建各阶段基本任务可靠性模型的故障树，将故障树转换为bbd表示，包括：
[0028]
某一个具体设备xn的失效概率通过其失效概率分布计算：变量(x1，x2，...，xn)的布尔函数h由以下公式确定：
[0029][0030]
其中表示当变量xi的值为1时的布尔函数，表示当变量xi的值为0时的布尔函数，则两个布尔函数h与g的组合由以下公式来确定：
[0031][0032]
其中表示逻辑运算符，其取值为“与”或“或”，函数index(xi)表示bdd变量序列中的位置，若index(xi)＜index(xj)，表明序列中xj的位置是在xi之后的，上述公式用循环计算bdd的值，直到其中有终结点0或1。
[0033]
优选地，所述的根据各阶段基本任务的bdd表示得到导致各阶段基本任务的失效路径，根据各阶段基本任务的失效路径和各个具体设备的故障分布，计算出各阶段基本任务的可靠性，基于各阶段基本任务的可靠性计算出整个列车运输任务的可靠性指标，包括：
[0034]
基本任务i的开始时间就是基本任务i-1的结束时间，将基本任务i的开始与结束时间记为t
i-1
与ti，对于某一个具体设备x而言，其失效可能发生在不同的基本任务中，通过以下公式来简化计算：
[0035]
x(ti，tj)＝0，if ti＞tj[0036]
x(t
i1
，t
j1
).x(t
i2
，t
j2
)＝x(max(t
i1
，t
i2
)，min(t
j1
，t
j2
))
[0037]
其中t
i1
与t
j1
表示第1个基本任务的开始与结束时间，t
i2
与t
j2
表示第2个基本任务的开始与结束时间，x(t
i1
，t
j1
)表示bdd中的事件变量，其值可以通过以下公式计算：
[0038][0039]
设备x的失效概率通过下述公式进行计算：
[0040][0041]
其中f
x
(t)为设备x的失效密度函数；
[0042]
根据各阶段基本任务的bdd表示得到导致各阶段基本任务的失效路径，获取每条失效路径中包括的设备，根据设备的失效概率分布计算每条失效路径的失效概率，将基本任务对应的每条失效路径的失效概率进行求和，得到基本任务的失效概率，将各个基本任务的失效概率进行求和，得到整个列车运输任务的失效概率，进而获取整个列车运输任务的可靠性指标。
[0043]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例基于多阶段系统理论，提出一种适用于以车为核心列控系统的实时动态可靠性评估方法，与现有的列控系统可靠性分析方法相比，能够处理列车实时动态运行下的系统行为，同时能够对整个列车运行过程进行可靠性评估。该方法可以从列车运输任务层面进行可靠性分析，而不局限于某一个具体的列控设备，为列车运输任务的高效完成提供技术支撑。
[0044]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明实施例提供的一种基于运营任务划分的列控系统可靠性模型构建及分析方法的处理流程图；
[0047]
图2为本发明实施例提供的一种以车为核心列控系统的结构图；
[0048]
图3为本发明中实施例提供的一种基本任务第1、2、3环节的故障树模型示意图；
[0049]
图4本发明中实施例提供的一种基本任务第1、2、3环节的bdd示意图。
具体实施方式
[0050]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0051]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0052]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0053]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0054]
本发明实施例提供了一种以车为核心列控系统可靠性模型构建及分析方法，解决以车为核心列控系统中设备交互随列车位置实时变化而动态变化，导致无法对列车运行过程的可靠性进行评估的问题。
[0055]
本发明实施例提供的一种基于运营任务划分的列控系统可靠性模型构建及分析方法的处理流程如图1所示，包括如下步骤：
[0056]
步骤(1)，根据列车运输组织过程及列车运营任务确定列车的多阶段子任务；
[0057]
步骤(2)，根据多阶段子任务建立以车为核心列控系统的多阶段可靠性模型；
[0058]
步骤(3)，构建各阶段基本任务可靠性模型的故障树，并将故障树转换为二叉决策图(binarydecisiondiagram，bdd)表示；
[0059]
步骤(4)，根据各阶段基本任务的bdd表示得到导致各阶段基本任务的失效路径，根据各阶段基本任务的失效路径和各个具体设备的故障分布，计算出各阶段基本任务的可
靠性，基于各阶段基本任务的可靠性计算出整个列车运输任务的可靠性指标。
[0060]
具体的，所述的方法的步骤(1)根据列车运输组织过程及列车运营任务确定多阶段子任务。具体如下：
[0061]
铁路运输任务即利用铁路线路，使载有旅客或货物的列车沿线路运行，实现旅客及货物的位移。铁路线路根据运营组织的需要划分为车站及区间。因此，本发明将列车运输任务划为若干个基本任务，即从一个车站出发到相邻车站停车；列车运行时当且仅当依次完成相应的基本任务才会完成整个运输任务；每个基本任务列车沿线路运行过程划分为车站发车、区间运行以及相邻车站接车三个环节，当且仅当列车依次完成车站发车、区间运行及相邻车站接车时，基本任务才可以完成。
[0062]
所述方法的步骤(2)根据多阶段子任务建立以车为核心列控系统的多阶段可靠性模型，包括：
[0063]
根据上述子任务划分以及列车运行控制的基本原理，本发明以车为核心列控系统结构为基础，构建列车运输基本任务不同环节的可靠性模型。定义phi表示列车运行过程中第i个基本任务hi的失效，则整个列车运输任务可以定义为phm：
[0064]
phm＝ph1 ph2
…
phi[0065]
即任何一个基本任务的失效都会导致整个列车运输任务的失效。
[0066]
对于每一个基本任务phi，都可以细分为三个基本环节，本发明定义第i个基本任务的三个环节失效为未能从始发站发车ph
1i
，未能在始发站和终点站之间的站间区间运行ph
2i
，未能在终点站接车ph
3i
，其可以根据以下公式进行计算：
[0067]
ph
1i
＝f
1i
[0068][0069][0070]
其中f
ji
表示第i个基本任务的第j个环节失效条件满足，表示ph
1i
环节的失效条件不满足，表示ph
2i
环节的失效条件不满足；
[0071]
整个列车运输任务失效概率qm可以通过构建故障树模型进行计算，如下公式所示：
[0072][0073]
其中q
ji
表示第i个基本任务第j个环节的失效概率。
[0074]
具体故障树失效概率的计算需要依靠具体环节中涉及到的具体设备及设备间的组成关系进行，在步骤(3)中，首先需要构建各阶段基本任务的可靠性模型故障树，来确定任务涉及到的具体设备即设备间的故障关联关系，之后通过将故障树转换为bdd表示进行具体求解。
[0075]
步骤(3)，构建各阶段基本任务可靠性模型的故障树，并将故障树转换为bdd表示；
[0076]
根据步骤2所得到的各基本任务环节的可靠性模型以及各基本任务环节涉及的具体列控系统设备，构建可靠性模型的bdd来计算具体任务的失效概率，具体地，某一个具体设备xn的失效概率可以通过其失效概率分布计算：
[0077]
变量(x1，x2，...，xn)的布尔函数h由以下公式确定：
[0078][0079]
其中表示当变量xi的值为1时的布尔函数，表示当变量xi的值为0时的布尔函数。在bdd中，还需要计算bdd中两个设备之间存在“与”和“或”关系的失效概率，其计算方式由则两个布尔函数h与g的组合可以由以下公式来确定：
[0080][0081]
其中
◇
表示故障树中的逻辑运算符，其取值可以为“与”或“或”。函数index(xi)表示bdd变量序列中的位置。若index(xi)＜index(xj)，表明序列中xj的位置是在xi之后的。上述公式用循环计算bdd的值，直到其中有终结点0或1。至此我们可以得到bdd中某条路径的失效概率，若环节中存在多条失效路径，则可以通过多条路径求和的方式获取环节的失效概率q
ji
，最后通过个环节失效概率之和计算整个任务的失效概率qm。
[0082]
步骤(4)，根据各个具体设备的故障分布计算各阶段基本任务的可靠性，基于此计算整个列车运输任务的可靠性指标。
[0083]
要完成可靠性定量计算，还需要考虑不同基本任务(环节)的时间范围，整个任务的完成必须由若干个基本任务依序完成，因此基本任务i的开始时间就是基本任务i-1的结束时间，基于此，基本任务i的开始与结束时间记为t
i-1
与ti。对于某一个具体设备x而言，其失效可能发生在不同的基本任务(环节)中，此时，可以通过以下公式来简化计算：
[0084]
x(ti，tj)＝0，if ti＞tj[0085]
x(t
i1
，t
j1
).x(t
i2
，t
j2
)＝x(max(t
i1
，t
i2
)，min(t
j1
，t
j2
))
[0086]
其中t
i1
与t
j1
表示第1个基本任务(环节)的开始与结束时间，t
i2
与t
j2
表示第2个基本任务(环节)的开始与结束时间。x(t
i1
，t
j1
)表示bdd中的事件变量，其值可以通过以下公式计算：
[0087][0088]
某一个设备具体的失效概率可以通过下述公式进行计算：
[0089][0090]
其中f
x
(t)为设备x的失效密度函数。基于上述方法，可以计算整个bdd的失效概率，即为bdd中每条可能失效路径的失效概率之和。
[0091]
根据各阶段基本任务的bdd表示得到导致各阶段基本任务的失效路径，获取每条失效路径中包括的设备，根据设备的失效概率分布计算每条失效路径的失效概率，将基本任务对应的每条失效路径的失效概率进行求和，得到基本任务的失效概率，将各个基本任务的失效概率进行求和，得到整个列车运输任务的失效概率，进而获取整个列车运输任务的可靠性指标。
[0092]
实施例一
[0093]
该方法以图2中的以车为核心系统结构进行说明，ats表示地面控制中心设备，ocu表示对象控制器，蓝色虚线虚线曲线表示设备间的无线通信，虚线折线表示车载设备与应答器间的无线通信方式。
[0094]
步骤1，根据列车运输组织过程及列车运营任务确定多阶段子任务。，本发明将列车运输任务划为若干个基本任务，即从一个车站出发到相邻车站停车；列车运行时当且仅当依次完成相应的基本任务才会完成整个运输任务；每个基本任务列车沿线路运行过程划分为车站发车、区间运行以及相邻车站接车三个环节，当且仅当列车依次完成车站发车、区间运行及相邻车站接车时，基本任务才可以完成。
[0095]
步骤2，根据多阶段子任务建立系统的多阶段可靠性模型。本方法以铁路线路相邻两个车站(a站、b站)及车站间的区间线路为例，整个运输任务即将乘客或货物由a站送往b站，则该任务的失效可以分为三个环节，未能从a站发车(ph1)，未能在ab站间区间运行(ph2)，未能在b站接车(ph3)。则整个运输任务的失效可以表示为：
[0096]
phm＝ph1 ph2 ph3[0097]
ph1＝f1[0098][0099][0100]
整个列车运输任务的失效概率可以由下述公式计算：
[0101][0102]
步骤(3)，构建各阶段基本任务可靠性模型的故障树，并将故障树转换为bdd表示；
[0103]
结合以车为核心列控系统结构，在车站发车、区间运行以及车站接车三个环节中构建相对应的故障树模型，如图3(a)、(b)、(c)中所示。在以车为核心列控系统中，逻辑控制命令都是由车载设备完成，因此，未能从车站发车可能由未能正确控制道岔(图3中b9)，与其他设备无线通信故障(图3中b10)，未能执行驾驶命令(图3中b3)。未能控制道岔是由列车运行需要而涉及到的相关道岔未能正确转动导致(图3中b11)，任何一个道岔(图3中b13)或对象控制器(ocu)故障(图3中b12)，则触发该故障。对于以车为核心列控系统而言，若无线通信发生故障无法控制道岔时，系统还可以通过备用的ats直接控制道岔，从而实现对道岔的控制。未能执行驾驶命令可以由车载单元逻辑计算错误、dmi显示错误或司机误操作引起。
[0104]
列车区间运行失效与第一环节类似，相比第一环节故障而言，列车区间运行不需要对道岔进行控制。第三环节中相邻车站接车与第一环节一致。
[0105]
故障树的构成与列车实际运行的位置及所在车站布局紧密相关，例如列车从a站发车时相关的道岔会被纳入故障树中，与发车无关的道岔不会被列入计算。同理，由于以车为核心列控系统中依靠列车自身完成定位功能，同时需要与线路上其他列车进行通信，因此在列车区间运行任务过程中，故障树的建立与线路上同时运行的列车数量有关。
[0106]
将三个环节故障树按照上述步骤3中的ite规则(见公式(1))转换为bdd表示，如图4所示：其中终结点1表示该事件发生，0表示该事件未发生。不同环节的故障树可以通过对
应环节的故障树的结合进行生成，例如ph1由于是第一个环节，因此其bdd与该环节故障树一致，如图3(a)中所示；第二环节bdd要以第一环节任务成功完成为前提，因此的bdd是由图3中(a)与(b)相结合生成的，具体方法是将第一环节的故障树的终结点0与1改写(原来是1改写为0，原来是0改写为1)，表示第一阶段故障未发生，再与图3(b)bdd相结合，得到ph2的bdd表示，如图4(a)所示。同理，我们可以得到第三环节ph3的bdd表示，如图4(b)所示。
[0107]
步骤(4)，根据各个具体设备的故障分布计算各阶段基本任务的可靠性，基于此计算整个列车运行任务的可靠性指标。
[0108]
以ph1为例，结合图3(a)中ph1的bdd表示(图4(a))，导致ph1任务失效的路径如下：
[0109]
ph1：
[0110]
1.p1(t0，t1)
[0111]
2.
[0112]
3.
[0113]
4.
[0114]
5.
[0115]
6.
[0116]
7.
[0117]
结合图4(a)所示，p1(t0，t1)表示设备p1失效发生(通过边“1”到节点1)，表示设备p1没有失效(通过边0到下一节点ocu1(t0，t1))，依次类推可以得到该任务的7条失效路径。
[0118]
因此，ph1的失效概率为：
[0119][0120]
其中可以由步骤4中的公式确定，即：
[0121][0122]
表示设备x的失效概率，表示该设备的失效概率密度函数，λ
x
表示设备x的故障率。若t0＝0则
[0123]
如上所述，设备p1失效发生(记作p1(t0，t1))的具体概率值可以由计算得到，设备p1没有失效(记作)的具体概率可以由计算得到，以此可以计算上述每条路径的失效概率。
[0124]
同理，我们可以计算出第二环节及第三环节的失效概率q2与q3，得到整个运行任务的失效概率qm＝q1 q2 q3。
[0125]
本方法中我们假设系统中的相关设备故障率如下表所示，a站列车发车时相关道岔有5组，b站接车时相关道岔有9组。据此可以计算出列车完成整个从a站到b站运输任务的可靠性指标为qm＝q1 q2 q3＝2.23
×
10-5
1.33
×
10-5
2.25
×
10-4
＝2.606
×
10-4
。
[0126]
表1.设备故障率(*表示目前设备尚无此功能，为假设故障率)
[0127][0128]
综上所述，本发明实施例与现有的列控系统可靠性分析方法相比，能够处理列车实时动态运行下的系统行为，同时能够对整个列车运行过程进行可靠性评估。该方法可以从列车运输任务层面进行可靠性分析，而不局限于某一个具体的列控设备，为列车运行任务的高效完成提供技术支撑。
[0129]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0130]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0131]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术
人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0132]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。