CN110769443B - 基于随机Petri网的车车通信性能分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于随机Petri网的车车通信性能分析系统，包括：通信字段定义单元，用于将列车信息打包为规定格式发送给参数化单元；参数化单元，用于根据收到的字段的长度和无线信号传输速率，确认传输该字段需要的时间，并将传输字段需要的时间、传输成功的概率和传输失败的概率发送给Petri网模型单元；Petri网模型单元，用于建立系统模型，根据接收到的信息计算令牌在库所占用的时间和变迁触发的频率，并将其发送给性能分析单元；性能分析单元，用于通过计算来分析验证整个车车通信系统的可用性和信息更新时间。本系统可以分析车车通信系统的可用性和信息更新时间。

Description

基于随机Petri网的车车通信性能分析系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于随机Petri网的车车通信性能分析系统。

背景技术

基于通信的列车运行控制(CBTC，Communication Based Train Control System)系统在世界范围内得到了广泛的应用，其主要功能由无线通信实现列车与地面的信息传输。然而，这种通信方案涉及太多的子系统和接口，使得设备结构复杂且信息传输存在较大延时，影响列车运行的效率和安全。为了显著提高列车运行效率和安全，一种新的车车通信(T2T,Train to Train))方案已经被考虑应用到现有的CBTC系统中。在该系统投入应用之前，需要对系统的性能进行分析。然而，现有技术中并没有一种规范的可以分析该系统中的性能的系统。

发明内容

本发明提供了一种基于随机Petri网的车车通信性能分析系统，以解决现有技术中存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种基于随机Petri网的车-车通信性能分析系统，包括：通信字段定义单元、参数化单元、Petri网模型单元和性能分析单元；

所述的通信字段定义单元，用于将列车信息打包为规定格式发送给所述参数化单元；

所述的参数化单元，用于根据收到的通信字段定义单元发来的字段的长度和无线信号传输速率，确认传输该字段需要的时间，并将传输字段需要的时间、传输成功的概率和传输失败的概率发送给所述Petri网模型单元；

所述的Petri网模型单元，用于建立系统模型，根据接收到的所述参数化单元发送的信息计算系统模型中令牌在库所占用的时间和变迁触发的频率，并将其发送给性能分析单元；

所述的性能分析单元，用于根据所述Petri网模型单元发送的令牌在库所占用的时间和变迁触发频率，通过计算来分析验证整个车车通信系统的可用性和信息更新时间。

优选地，列车信息包括：通信字段的帧头、命令、数据和帧尾。

优选地，帧头为0XAA；命令段包括列车的控制命令；数据段包括列车当前的速度信息、制动距离信息、车长信息和所处轨道信息；帧尾为0XFF。

优选地，控制命令包括加速度信息、列车车次号信息和牵引力信息。

优选地，Petri网模型单元建立的系统模型包括：通信系统建链与重建模块和信息发送与重传模块；

所述的通信系统建链与重建模块，用于建立系统初始通信链路和当现有通信链路断掉后重新建立通信链路；

所述的信息发送与重传模块，用于发送字段并检验是否发送成功，如果未发送成功需重新发送。

优选地，信息发送与重传模块包括：帧头发送与重传子模块、命令发送与重传子模块、数据发送与重传子模块和帧尾发送与重传子模块；

所述的帧头发送与重传子模块，用于建立系统初始通信链路和当现有通信链路断掉后重新建立通信链路；命令发送与重传子模块和数据发送与重传子模块，用于发送字段并检验是否发送成功，如果未发送成功需重新发送；帧尾发送与重传子模块，结束此次信息传输周期，当帧尾信息发送失败时进行重传帧尾信息。

优选地，Petri网模型单元具体用于通过分析令牌在每个库所中占有的时间，来确定系统所处的状态；通过监测变迁在单位时间内被触发的次数来确认变迁发送的频率。

优选地，性能分析单元还用于将计算得到的系统可用性和信息更新时间与系统要求进行比较，若符合系统要求，则结束，否则将计算出的系统可用性和信息更新时间发送给所述的通信字段定义单元；

所述的通信字段定义单元，还用于根据收到的性能分析单元发送的系统可用性和信息更新时间，改变通信定义单元传输数据的位数和内容。

由上述本发明的基于随机Petri网的车车通信性能分析系统提供的技术方案可以看出，根据不同字段传输过程中的错误重传机制，分析无线通信系统的误码率、数据传播的波特率等参数，利用本发明的随机Petri网建模分析系统的可用性和信息更新时间，对车车通信系统的可用性分析和尽快应用有着重要的现实意义；本系统具有通用性，可以适用于不同传输协议与无线解决方案的分析与验证，区别于现有分析手段的研究对象单一性与重复可用性低。

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

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。

图1为实施例的基于随机Petri网的车-车通信性能分析系统示意图；

图2为实施例的通信字段规定格式示意图；

图3为实施例的系统结构标识示意图；

图4为通信系统建链与重联模块的实现原理图；

图5为信息发送与重传模块的实现原理图；

图6为通信系统建链与重联、信息发送与重传模块结构示意图；

图7为实施例的通过计算完成一次全部数据传输的时间消耗统计分析图；

图8为系统的可用性与误码率的关系分析图；

图9为不同参数对于系统可用性的敏感度影响曲线图。

具体实施方式

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。

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。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。

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。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。

实施例

图1为本实施例的基于随机Petri网的车-车通信性能分析系统示意图，参照图1，该系统包括：通信字段定义单元1、参数化单元2、Petri网模型单元3和性能分析单元4。Petri网是对离散并行系统的数学表示，20世纪60年代由卡尔·A·佩特里发明的，适合于描述异步的、并发的计算机系统模型。

通信字段定义单元1，用于将列车信息打包为规定格式发送给参数化单元2。

通信字段定义单元为本实施例的系统提供通信数据来源，其中，列车信息包括：通信字段的帧头、命令、数据和帧尾。帧头为0XAA；命令段包括列车的控制命令，包括加速度信息、列车车次号信息和牵引力信息等；数据段包括列车当前的速度信息、制动距离信息、车长信息和所处轨道信息；帧尾为0XFF，表示该信息结束。示意性地，图2为本实施例的通信字段规定格式示意图。

参数化单元2，用于根据收到的通信字段定义单元发来的字段的长度m和无线信号传输速率R，确认传输该字段需要的时间T，并将传输字段需要的时间T、传输成功的概率P和传输失败的概率1-P发送给Petri网模型单元3。

传输该字段需要的时间T＝m/R。T赋值与Petri网模型单元中的“发送字段耗时”。发送失败与成功的参数化根据无线信号传输的误码率(BER，Bit Error Ratio)决定，误码率的值受调制方案、信号能量和冗余纠错码等的影响，可以根据实际待评估系统确定。此处定义，准确传输一个字段定义为所有信息均被成功传输，则成功传输一个字段的概率参数化定义为：P＝(1-BER)^m，同理传输失败概率参数化定义为1-P，此处成功传输概率为统计学意义。参数化单元将传输字段需要的时间T、传输成功的概率P和传输失败的概率(1-P)发送给Petri网模型单元。

Petri网模型单元3，用于建立系统模型，根据接收到的所述参数化单元发送的信息计算系统模型中令牌在库所占用的时间和变迁触发的频率，并将其发送给性能分析单元4。

本实施例的Petri网模型单元融合了Petri网的主要要素和车车通信系统的信息传递流程，使用变迁和库所的方式来反应系统结构，图3为本实施例的系统结构标识示意图。库所表示系统的一种状态，含有令牌的库所表示当前时间内系统处于的状态有效，变迁为时间消耗单元。普通弧连接库所与变迁，当变迁可触发时可消耗旧的令牌和产生新的令牌。保留弧连接的库所在变迁触发时不消耗原有的令牌，同时产生新的令牌。抑制弧当库所没有令牌占有是，可以触发所连接的变迁，并产生新的令牌。

Petri网模型单元具体用于通过分析令牌在每个库所中占有的时间，来确定系统所处的状态；通过监测变迁在单位时间内被触发的次数来确认变迁发送的频率。

为了提高Petri网模型单元的复用率，Petri网模型单元建立的系统模型包括：车车通信系统建链与重联模块31和信息发送与重传模块32。

通信系统建链与重联模块31，用于建立系统初始通信链路和当现有通信链路断掉后重新建立通信链路，示意性地，通信系统建链与重联模块31的实现原理图如图4所示。

信息发送与重传模块32，用于发送字段并检验是否发送成功，如果未发送成功需重新发送，示意性地，信息发送与重传模块32的实现原理图如图5所示。

图6为信息发送与重传模块结构示意图，参照图6，整个系统传输帧头、命令、数据、帧尾结束需要四个完整的子模块，分别为：帧头发送与重传子模块、命令发送与重传子模块、数据发送与重传子模块和帧尾发送与重传子模块。帧头发送与重传子模块，用于发送帧头信息，建立通信传输的开始标志位，当建立失败时进行重传帧头信息；命令发送与重传子模块，用于发送列车运行控制相关的命令，例如制动和加速等，当命令发送失败时进行重传命令信息；信息发送与重传模块，发送列车在途数据信息，当数据发送失败时进行重传数据信息；帧尾发送与重传子模块，结束此次信息传输周期，当帧尾信息发送失败时进行重传帧尾信息。他们和一个通信系统建链与重联模块31通过使用参数化后的Petri网模型单元，分析令牌在每个库所中占有的时间，来确定系统所处的状态；通过监测变迁在单位时间内被触发的次数来确认变迁发送的频率。

性能分析单元4，用于根据所述Petri网模型单元发送的令牌在库所占用的时间和变迁触发频率，通过计算来分析验证整个车车通信系统的可用性和信息更新时间。

如果系统连续接收超过N条未完成的消息，则将系统视为“不可用”，因此，修改BER与N的值将会影响系统的可用性。

根据性能分析单元输出的系统可用性和信息更新时间数值，系统可用性越高、信息更新时间越短，说明系统的性能越优异，即，在单位时间内系统可以无差错的传输更多的信息。

需要说明的是，性能分析单元还用于将计算得到的系统可用性和信息更新时间与系统要求进行比较，若符合系统要求，则结束，否则将计算出的系统可用性和信息更新时间发送给所述的通信字段定义单元。通信字段定义单元，还用于根据收到的性能分析单元发送的系统可用性和信息更新时间，改变通信定义单元传输数据的位数和内容。进而改变车车通信系统的参数化过程，对系统性能进行提升或按实际需求进行修改。

下面采用本实施例的系统进行仿真试验：

当车车通信系统进行数据传输的通信速率为：R＝300bit/s,通讯的误码率BER为0.01，该取值在实际使用中为很高的误码率。

基于本实施例的基于随机Petri网的车-车通信性能分析系统的工作流程如下：

1)通信字段定义单元1将列车车次号(32个bit)，车长(12个bit)，方向(2个bit)，车速(7个比特)，位置(15个比特)信息打包为规定格式的字段。打包完成后，将字段发送给参数化单元2。

2)参数化单元收到通信字段定义单元发来的字段，可以根据公式T＝m/R来计算传输时间T。传输列车车次号，车长，方向，车速，位置所消耗的时间分别为106.56毫秒，39.96毫秒，6.67毫秒，23.33毫秒和49.59毫秒。上述时间消耗分别赋值给信息发送与重传模块中的“发送字段”耗时变迁。

针对每个字段发送成功概率计算为：P＝(1-BER)^m，失败概率为1-P,传输列车车次号，车长，方向，车速，位置的发送成功和失败的概率为：0.725和0.275，0.886和0.114，0.9801和0.0199，0.932和0.068，0.86和0.14。计算完成后参数化单元将各个字段的传输时间和成功与失败概率发送给Petri网模型单元。

3)Petri网模型单元收到参数化单元发来的信息后，将收到的各字段发送成功和失败的概率分别赋值给信息发送与重传模块中的“发送成功”与“发送失败”。

针对车-车通信系统建链与重联的模型参数化计算，按照现有Subset-026规范，信号完全中断发生的概率为10^-4次每小时，为了使系统具有更好的冗余度，此处设置信号完全发送中断的次数为0.1次每小时。按照信号每次发送中断的间隔时间服从指数分布，则车-车通信系统建链与重联模块“断链”设置为参数为λ＝2.77×10^-8h^-1的指数分布。“识别”设置为3.3毫秒。建链成功的概率为0.99，失败概率为0.01，则“建链”为权重为0.99的瞬时变迁，“建链失败”为权重为0.01的瞬时变迁。系统建立连接所需要的时间，由变迁“连接”体现，按subset-026规定95％的情况下建链消耗时间小于5秒。因此，“连接”设置为参数为λ＝0.6h^-1的指数分布。Petri网模型单元3将参数计算完成后，将令牌在库所占用的时间和变迁触发频率发送给性能分析单元4。

4)性能分析单元收到Petri网模型单元发送的令牌在库所占用的时间和变迁触发频率，通过计算来得到系统的可用性和信息更新时间。

通过计算完成一次全部数据传输的时间消耗统计分析图如图7所示，99.999的概率下，上述信息传输完毕需要的时间小于1157.3779毫秒。

如果系统连续接收超过N＝5条未完成的消息，则将系统视为“不可用”，统计分析显示系统的可用性与误码率有密切关系，如图8所示，当误码率小于0.003时，系统的可用性高于99.44％，这说明系统有着较高的可用性，可以应用于实际线路之中。

修改系统连续接收超过N条未完成的消息，判定为系统不可用，N分别取值3,4,5,6,7；通信字段定义单元1中，当命令和数据字段总长度为200个比特时，修改命令和数据字段的比重，可分析不同参数对于系统可用性的敏感度影响，如图9所示。

分析可见，当命令字段长度/(命令字段+数据字段)为0.5时，系统可用性最高。而连续接收超过未完成的消息N≥4时，系统的可用性不再发生明显变化。选择合适的N可以增强系统的鲁棒性，并减少触发不必要误报警的概率。

本领域技术人员应能理解上述应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

用本发明实施例的系统进行车-车通信系统的性能分析具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

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。

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。

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。

Claims (8)

1.一种基于随机Petri网的车-车通信性能分析系统，其特征在于，包括：通信字段定义单元、参数化单元、Petri网模型单元和性能分析单元；

所述的通信字段定义单元，用于将列车信息打包为规定格式发送给所述参数化单元；

所述的参数化单元，用于根据收到的通信字段定义单元发来的字段的长度和无线信号传输速率，确认传输该字段需要的时间，并将传输字段需要的时间、传输成功的概率和传输失败的概率发送给所述Petri网模型单元；

所述的Petri网模型单元，用于建立系统模型，根据接收到的所述参数化单元发送的信息计算系统模型中令牌在库所占用的时间和变迁触发的频率，并将其发送给性能分析单元；

所述的性能分析单元，用于根据所述Petri网模型单元发送的令牌在库所占用的时间和变迁触发频率，通过计算来分析验证整个车车通信系统的可用性和信息更新时间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的列车信息包括：通信字段的帧头、命令、数据和帧尾。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的帧头为0XAA；命令段包括列车的控制命令；数据段包括列车当前的速度信息、制动距离信息、车长信息和所处轨道信息；帧尾为0XFF。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的控制命令包括加速度信息、列车车次号信息和牵引力信息。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的Petri网模型单元建立的系统模型包括：通信系统建链与重建模块和信息发送与重传模块；

所述的通信系统建链与重建模块，用于建立系统初始通信链路和当现有通信链路断掉后重新建立通信链路；

所述的信息发送与重传模块，用于发送字段并检验是否发送成功，如果未发送成功需重新发送。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的信息发送与重传模块包括：帧头发送与重传子模块、命令发送与重传子模块、数据发送与重传子模块和帧尾发送与重传子模块；

所述的帧头发送与重传子模块，用于建立系统初始通信链路和当现有通信链路断掉后重新建立通信链路；命令发送与重传子模块和数据发送与重传子模块，用于发送字段并检验是否发送成功，如果未发送成功需重新发送；帧尾发送与重传子模块，结束此次信息传输周期，当帧尾信息发送失败时进行重传帧尾信息。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的Petri网模型单元具体用于通过分析令牌在每个库所中占有的时间，来确定系统所处的状态；通过监测变迁在单位时间内被触发的次数来确认变迁发送的频率。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的性能分析单元还用于将计算得到的系统可用性和信息更新时间与系统要求进行比较，若符合系统要求，则结束，否则将计算出的系统可用性和信息更新时间发送给所述的通信字段定义单元；

所述的通信字段定义单元，还用于根据收到的性能分析单元发送的系统可用性和信息更新时间，改变通信定义单元传输数据的位数和内容。

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