CN110011837B - 一种基于cbtc系统网络数据智能化故障分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，包括：采用交换机级联状态下的端口镜像技术，实现对CBTC系统数据的获取；在故障识别与报警阶段，若采用查询式故障报警方式，则向CBTC系统发送与当前状态相关的问题，并结合CBTC系统反馈的数据，从而查找出潜在的故障并报警；若采用主动式故障报警方式，则从CBTC系统数据中提取各子系统逻辑部所产生的故障码信息和辅助信息，并结合预先定义的故障标签库来确定故障的根源，并给出报警或提示信息。该方法在完成对CBTC系统实时接口数据监测基础上，对数据进行综合分析，对故障进行精确定位，给出报警提示，从而提高系统的集成化与智能化测试水平，并且减少了分析时间，也降低了测试人员的劳动强度。

Description

一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法

技术领域

本发明涉及铁道科学技术领域，尤其涉及一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法。

背景技术

随着我国自主研发的城市轨道交通CBTC(Communication Based Train Control)系统的不断应用，CBTC系统的国产化技术方案越来越成熟。CBTC系统由联锁子系统(CI)、列车调度监督子系统(ATS)、车载控制子系统(VOBC)、区域控制子系统(ZC)和数据通信子系统(DCS)等构成。各子系统之间实时进行各种控制信息与采集信息的交互，子系统内部实时完成自身逻辑功能运算。

目前主要采用的测试方式是黑盒测试，依据测试案例，通过给出固定的输入，检查系统的输出是否符合预期，但这种测试方式存在以下问题：

1)对测试案例的质量要求较高，需要对测试结果做出较全面的描述，以避免对一些非预期故障的遗漏。

2)测试人员的自身素质对测试质量起很大的决定作用。例如，对于一些偶发故障的发生规律把握不足，仅依靠重新测试来避免故障，降低了测试质量。

3)根据表象去判断内在的逻辑或接口故障，测试效率较低，且容易遗漏。有时为了追踪一个故障，需要查询多个子系统在同一时间段内的历史数据，并进行逐帧对比分析，非常耗时，自动化程度较低。

4)无法发现“负负得正”的故障，即：两个故障叠加却产生了正确的结果，这从表现上根本无法发现。只有做更深入的数据分析，才能呈现出这种故障。

另外，各子系统都具备数据记录功能，用于故障后的分析和定位，但这些信息主要是基于本子系统的接口及逻辑处理给出，具有片面性，对于寻找故障的根源往往仅起到一定的导向作用。

目前主要存在如下三种相关的技术方案：

1、北京全路通信信号研究设计院所研发的CBTC系统测试环境中包含了多种数据监测机制和故障注入方式。数据监测的内容主要包括ATP与ZC通信数据、ZC与CBI通信数据、ZC维护数据、ATP维护数据、无线通信监测等。通过数据监测，为测试提供了除实物设备动作以外的观测点，但在此基础上，其并没有做进一步的实时数据分析和历史故障统计等工作。其故障注入主要包括：故障数据注入、通信故障注入和接口不稳定性注入。通过仿真平台、无线加扰、设备实物连接等方式实现。

然而，该方案的缺陷在于：缺乏系统级集成测试的概念。通过数据监测，为测试提供了除实物设备动作以外的观测点，但在此基础上，其并没有做进一步的实时数据分析和历史故障统计等工作。

2、卡斯柯的地铁信号系统室内集成仿真测试平台(FIVP)，引入了点对点的自动化测试功能，可以实现ZC-CI、VOBC-CI等接口测试在室内测试平台上自动化执行。通过日志的自动记录和自动比对，实现大量点对点码位的自动化测试，可以提升30％的效率，大大节省了测试时间。

然而，该方案的缺陷在于：未实现对CBTC系统的实时运行过程进行监督报警，也缺少逻辑判断模块，系统没有智能化的系统测试概念，主要实现了对接口码位的合法性进行校验。

3、对于现有CBTC系统的各组成子系统，均有根据子系统自身内部逻辑运算做出的故障判断，并根据故障情况，给出故障码，由自身的维护终端给出报警，便于测试人员进行故障定位分析。如：联锁系统有维修机作为维护终端、ZC系统有ZC_MT作为维护终端、车载系统有MNT作为维护终端等。

然而，该方案的缺陷在于：1)子系统的报警信息具有片面性。在进行系统集成测试时，若要对一个系统级的故障进行问题定位，往往需要整合多个子系统的报警信息，结合查阅历史通信数据包，且经过有丰富测试经验或对大系统的原理结构有透彻了解的工程师才能够最终确定。2)各子系统的文字报警信息定义由研发人员给出，其报警术语等信息也是从研发的角度描述，这不利于普通测试人员理解，对于问题分析也造成一定的障碍，因此，有必要从测试的角度将报警术语通俗易懂化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，能够提高CBTC系统的自动化和智能化测试水平，减少了分析时间，也降低了测试人员的劳动强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，包括：

采用交换机级联状态下的端口镜像技术，实现对CBTC系统数据的获取；

在故障识别与报警阶段，若采用查询式故障报警方式，则向CBTC系统发送与当前状态相关的问题，并结合CBTC系统反馈的数据，从而查找出潜在的故障并报警；若采用主动式故障报警方式，则从CBTC系统数据中提取各子系统逻辑部所产生的故障码信息和辅助信息，并结合预先定义的故障标签库来确定故障的根源，并给出报警或提示信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过采用交换机级联状态的端口镜像配置，实现了在避免了综合测试平台对系统的影响前提下，对CBTC系统进行数据监测；在建立针对CBTC系统实时数据监测平台的基础上，通过本发明中故障逻辑判断功能及故障标签库，能够提高CBTC系统的自动化和智能化测试水平，提高测试过程中的故障定位能力，避免了通过人工逐帧报文比对来定位故障的繁琐而复杂的过程，减少了分析时间，也降低了测试人员的劳动强度；同时由于逻辑判断功能和故障标签库的建立过程中均融合了具有丰富经验的测试员的智慧，因此，该方法也能够降低对测试人员的自身素质要求。

附图说明

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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的实现该方法的测试平台与CBTC系统的硬件连接架构示意图；

图3为本发明实施例提供的列车不升级CTC等级的查询式故障报警分析流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，可以在完成对CBTC系统实时接口数据监测基础上，进行数据综合分析，对故障进行精确定位，给出报警提示，从而提高系统的集成化与智能化测试水平。

如图1所示，为基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法的流程图，其主要包括：交换机的端口镜像技术、数据解析、数据存储和故障识别与报警四个阶段。

一、交换机的端口镜像技术。

由于CBTC系统的数据网络是一个封闭的通信网络，因此需要通过增设网络接入设备对通信数据进行获取。为了保证不对CBTC系统通信网络产生影响，采用交换机级联状态下的端口镜像技术，实现对CBTC系统数据的获取。图2为实现该方法的测试平台与CBTC系统的硬件连接架构，图2中将CBTC系统的所有终端采用PC终端做示意代替。

根据图2，该测试平台不仅实现对CBTC系统骨干网进行数据监测，同时对其各子系统的局域网内数据也进行监测，从而获得较全面的数据，为实现故障分析与识别打下基础。

二、数据解析与数据存储

CBTC系统网络数据通信采用专用的通信协议和数据定义方式。在获取到CBTC系统数据后，根据相应的接口协议进行数据解析，并存储解析结果。关于该部分在论文《基于通信的列车控制系统数据采集与解析软件的设计与实现》中有详细介绍，故不再赘述，下面简单介绍一下实现的几个主要功能：

1)实现实时监测CBTC系统网络通信数据，掌握各主要子系统之间的接口数据，同时能够实时了解CBTC网络的通信状态。

2)接口数据主要包括VOBC与ZC的通信数据、ZC与CBI的通信数据、VOBC与CBI的通信数据、VOBC与ATS的通信数据，这些接口数据均采用网口通信的方式，便于在网络中采集，且这些数据囊括了CBTC系统大部分的接口测试对象。

3)对实时监测的网络通信数据记录数据库，以备历史数据查询与报表生成。

三、故障识别与报警

在线数据故障分析报警功能为本发明的核心内容。可以分为故障识别和实时报警两个方面的内容。

1)故障识别

通过定义故障标签来实现故障的识别。故障标签是根据测试经验，结合各子系统的报警码，对一些常见的故障，分析该故障的标志属性，从而形成的一条用于判断该故障原因的规则。对多个故障分别定义故障标签，并将这些标签汇总，最终形成故障标签库。在进行实时数据分析时，若被分析的数据满足标签库中某个故障标签所定义的属性，即可判定对应该故障。

故障标签是对人的判断意识进行固化模拟，是项目的技术难点。同时故障标签库的构建也是一个需要不断完善深入的过程。

2)实时报警

在对CBTC系统网络实时监测过程中，根据预先定义的故障标签库，可实时分析接口数据中可能存在的故障，若发现有标签库中定义的故障发生，则给出故障提示；另外，根据获得的实时数据，判断CBTC各子系统之间的实时通断状态，给出图形化的报警显示。

为了便于理解，下面针对故障识别与报警这一阶段做详细的介绍。

本发明实施例中，故障识别与报警主要包含查询式故障报警与主动式故障报警方式。

1、查询式故障报警方式。

若采用查询式故障报警方式，则向CBTC系统发送与当前状态相关的问题，并结合CBTC系统反馈的数据，从而查找出潜在的故障并报警；例如，非CTC列车在线路中运行时，不能升级为CTC等级，则测试员通过向系统提问，由分析系统自动查找列车不能升级的原因并给出报警提示，最终定位潜在的故障。

查询式故障报警方式的分析思路为：所提出的问题中，首先考虑最直接的影响因素，并采用二分法的思想，逐层排除推进，缩小问题范围，最终定位至某个模块或者某条报文；报警的精确程度根据不同的故障类型，分为报文级故障或者字段级故障。

示例性的，以列车不升级CTC为例进行分析，通过检查当前时刻所有与列车升级相关的数据包字段，并给出故障的根源。检查项包括：ZC是否向VOBC发送了有效的移动授权MA(Movement Authority)、列车预选是否为非CTC(有有效MA)、CBI向ZC发送的进路条件是否满足(无有效MA)、VOBC是否向ZC发送了位置报告(无有效MA)、列车是否完成头筛(有位置报告)、列车是否完成注册(无位置报告)等，具体的判断流程如图3所示。

2、主动式故障报警方式。

若采用主动式故障报警方式，则从CBTC系统数据中提取各子系统逻辑部所产生的故障码信息，并结合预先定义的故障标签库来确定故障的根源，并给出报警或提示信息。

本发明实施例中，预先定义的故障标签库由行业专家(经验丰富的测试工程师)完成。

主动式故障报警是指系统在正常运行过程中，出现了非预期的现象，而主动给出提示的故障报警方式。例如，CTC列车在正常运行过程中忽然降级，分析系统能够主动查找导致降级的根源并给出报警，从而提高测试效率。

示例性的，设ZC故障码共存在n1个，VOBC故障码存在n2个，CI故障码存在n3个，ATS故障码存在n4个，若进行任意故障码组合，则可能出现组合爆炸的现象，但是实际上针对某一特定的故障，其故障报警码组合是确定的，即并非任意的故障码组合均具有意义。为此，针对各子系统的故障码进行分析分类，这些故障码可分为：子系统自身产生的应用逻辑故障码、程序执行过程错误故障码、提示信息类故障码等。其中程序执行过程错误故障码、提示信息类故障码对于集成测试均不具有分析意义。进行系统级的故障定位分析应主要针对应用逻辑错误码展开。根据这一思想，建立规则库举例如表1所示：

表1故障规则库示意

如上表中，有些故障仅根据各子系统的故障码无法精确定位问题的根源，还需要额外检查一些辅助信息，以实现故障的更精确定位。因此，本发明实施例中，不但完成将各子系统的故障码进行汇总分析的功能，而且在这些信息不足以定位故障的情况下，从其他相关系统中辅助收集接口故障信息，结合辅助收集的接口故障信息进行故障定位。

对于辅助收集的接口故障信息，其分为：针对单条通信数据的故障检测和多条通信数据的联合故障检测；其中，单条通信数据监测是指对体现某些故障信息的关键字段进行实时检查，判断故障原因，再结合各子系统的故障码，最终给出的故障定位；多条数据的联合故障检测则针对具有时序的通信数据包的故障定位分析；例如，RSSP-II安全协议的AU1、AU2和AU3通信序列故障检查；应用层时间戳的故障检查；VOBC与ZC的通信建立过程合法性检查；AM列车超速紧制检查等。

本发明实施例上述方案主要获得如下有益效果：

1)通过采用交换机级联状态的端口镜像配置，实现了在避免了综合测试平台对系统的影响前提下，对CBTC系统进行数据监测。

2)在建立针对CBTC系统实时数据监测平台的基础上，通过本发明中故障逻辑判断功能及故障标签库，能够提高CBTC系统的自动化和智能化测试水平，提高测试过程中的故障定位能力，避免了通过人工逐帧报文比对来定位故障的繁琐而复杂的过程，减少了分析时间，也降低了测试人员的劳动强度。

3)由于逻辑判断功能和故障标签库的建立过程中均融合了具有丰富经验的测试员的智慧，因此，该方法建也能够降低对测试人员的自身素质要求。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，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所述的方法。

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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，其特征在于，包括：

采用交换机级联状态下的端口镜像技术，实现对CBTC系统数据的获取；

在故障识别与报警阶段，若采用主动式故障报警方式，则从CBTC系统数据中提取各子系统逻辑部所产生的故障码信息和辅助信息，并结合预先定义的故障标签库来确定故障的根源，并给出报警或提示信息；各子系统逻辑部所产生的故障码信息包括：子系统自身产生的应用逻辑故障码、程序执行过程错误故障码、以及提示信息类故障码；

该方法还包括：在主动式故障报警方式时，从其他相关系统中辅助收集接口故障信息，结合辅助收集的接口故障信息进行故障定位；

对于辅助收集的接口故障信息，其分为：针对单条通信数据的故障检测和多条通信数据的联合故障检测；其中，单条通信数据监测是指对体现某些故障信息的关键字段进行实时检查，判断故障原因，再结合各子系统的故障码，最终给出的故障定位；多条数据的联合故障检测则针对具有时序的通信数据包的故障定位分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，其特征在于，CBTC系统数据通信采用专用的通信协议和数据定义方式，在获取到CBTC系统数据后，根据相应的接口协议进行数据解析，并存储解析结果。

3.根据权利要求1所述的一种基于CBTC系统网络数据智能化故障分析方法，其特征在于，所述预先定义的故障标签库由行业专家完成，故障标签库是根据测试经验，结合各子系统的报警码，对一些常见的故障，分析故障的标志属性，从而形成的一条用于判断相应故障原因的规则；对多个故障分别定义故障标签，并将这些故障标签汇总，最终形成故障标签库。

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