CN112488491A - 基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法，包括：梳理逻辑流程，完成列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计；搭建列控数据通信系统测试平台，获取列控数据通信系统性能参数，同时对列控数据通信系统的车载设备接入过程建立DSPN基础模型，在列控数据通信系统性能参数的基础上对DSPN基础模型进行仿真，得到列控数据通信系统车载设备接入过程的可靠性指标；通过改变列控数据通信系统性能参数来分析影响可靠性指标的因素，完善列控数据通信车载设备接入过程的流程设计，判断车载设备接入过程和参数是否满足列控系统的可靠性要求。本发明具有普遍性，不只限于列控系统，可适用于不同的设备和通信系统接入流程。

Description

基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域和可靠性分析领域，尤其涉及一种基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法。
背景技术
随着高速铁路的发展和新基建政策的提出，目前正在发展铁路下一代移动通信系统，即5G-R网络。列控业务是铁路运营管理系统最重要的组成部分，承载网络的改变和IP化的需求，使得列控业务的迁移需要重新设计车地数据传输的业务流程。
通信系统的可靠性对于铁路行车安全与运营效率至关重要，在铁路宽带移动通信系统需求规范中明确提出，连接建立成功率的QoS需求不能小于99％，因此为了确保列控业务在5G-R网络中数据传输的性能，需要对列控设备接入过程的可靠性进行评估。
Petri网模型分析法是进行可靠性评估的方法之一。可以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生的频率。目前还没有将Petri网建模分析方法应用到列控设备接入过程中的研究。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法，以克服现有技术的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法，包括以下步骤：
梳理逻辑流程，完成列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计；
搭建列控数据通信系统测试平台，获取列控数据通信系统性能参数，所述参数为列控车载设备接入过程的各阶段时延，同时对所述列控数据通信系统的车载设备接入过程建立DSPN基础模型，在所述列控数据通信系统性能参数的基础上对DSPN基础模型进行仿真，得到列控数据通信系统车载设备接入过程的可靠性指标；
通过改变列控数据通信系统性能参数来分析影响可靠性指标的因素，完善列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计，最终判断车载设备接入过程和参数是否满足列控系统的可靠性要求。
优选地，所述列控数据通信系统车载设备接入过程包括通信层面的接入过程和业务层面的接入过程。
优选地，所述通信层面的接入过程包括：
(1)移动电台MT上电后，自动搜索5G-R网络，完成小区选择，然后进行网络注册；
(2)网络根据附着请求中携带的DNN创建PDU会话，建立默认的QoS流，并且为移动电台MT动态分配IP地址；
(3)5G-R网络根据DNN判断为CTCS-3应用，根据预定的5QI自动触发向移动电台MT发起建立专用QoS流，并下发TFT和QoS参数，建立CTCS-3级列控专用的QoS流。
优选地，所述业务层面的接入过程包括：
(1)车载设备向IP查询服务器查询RBC的IP地址；
(2)车载设备获取当前所属RBC的ID和IP地址后，发起链接建立请求与RBC建立安全链接。
优选地，所述搭建列控数据通信系统测试平台，获取列控数据通信系统性能参数，同时对所述列控数据通信系统的车载设备接入过程建立DSPN基础模型，在所述列控数据通信系统性能参数的基础上对DSPN基础模型进行仿真，得到列控数据通信系统车载设备接入过程的可靠性指标，包括：
将列控数据通信系统的车载设备接入过程按六个阶段建立DSPN基础模型，包括：小区选择模型、网络注册模型、PDU会话建立模型、PDU会话修改模型、IP地址查询模型和建立安全链接模型；
通过所述列控数据通信系统测试平台进行测试，获取列控数据通信系统性能参数，对所述列控数据通信系统性能参数进行数据处理，将接入过程的各阶段时延进行CDF统计，将每个阶段的传输时延可建模为指数分布，通过公式
Figure BDA0002801842740000031
求得对应指数变迁suc1～suc6的参数λ，同时，选取各阶段最大时延为变迁fail2～fail6的确定性时间分布参数，F(t)代表时延的累积概率分布，t代表时延；
获取列控数据通信系统可靠性分析结果，车载设备接入过程的可靠性为模型可达图中包含AccessNormal状态的平稳概率之和，即
Raccess＝Π(#AccessNormal＝1)
其中，Raccess为接入过程的可靠性，Π为平稳概率。
优选地，通过改变列控数据通信系统性能参数来分析影响可靠性指标的因素，完善列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计，最终判断接入流程和参数是否满足列控系统的可靠性要求，包括：
将采用平稳分析方法获取的接入过程的可靠性Raccess与铁路宽带移动通信系统需求规范中定义的连接建立成功率的QoS指标做对比，若Raccess≥99％，则表明基于5G-R数据传输网络的列控车载设备的接入流程能够满足列控系统的可靠性要求，若Raccess<99％，则表明基于5G-R数据传输网络的列控车载设备的接入流程目前不能够满足列控系统的可靠性要求。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法，通过Petri网模型分析法评估列控设备接入过程的可靠性，来判断接入过程是否达到铁路宽带移动通信系统需求。该方法便于进行性能评估，同时可以明确每阶段的可靠性结果，便于后续的流程优化，且具有普遍性，不只限于列控系统，可以适用于不同的设备和通信系统接入流程。
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为本发明实施例提供的一种基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法流程图；
图2为本发明实施例提供的列控数据通信系统接入过程流程图；
图3本发明实施例提供的列控设备通信层面接入过程流程图；
图4本发明实施例提供的列控设备业务层面接入过程流程图；
图5本发明实施例提供的列控设备接入过程DSPN模型图。
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。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。
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。
本发明实施例提供了一种基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
梳理逻辑流程，完成列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计；
搭建列控数据通信系统测试平台，获取列控数据通信系统性能参数，参数为列控车载设备接入过程各阶段时延，同时对列控数据通信系统的车载设备接入过程建立DSPN基础模型，在列控数据通信系统性能参数的基础上对DSPN基础模型进行仿真，得到列控数据通信系统车载设备接入过程的可靠性指标；
通过改变列控数据通信系统性能参数来分析影响可靠性指标的因素，完善列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计，最终判断车载设备接入过程和参数是否满足列控系统的可靠性要求。
首先，梳理逻辑流程，完成列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计，如图2所示。列控车载终端整体接入过程分为两个部分：
先是通信层面的接入，包括设备开机、进行小区搜索，注册到5G-R网络，然后创建PDU会话，建立缺省的QoS流，之后进行PDU会话更新，建立专用的CTCS-3级列控专用QoS流，如图3所示，具体地：1)MT(移动电台)上电后，自动搜索5G-R网络，完成小区选择，然后进行网络注册；2)网络根据附着请求中携带的DNN创建PDU会话，建立默认的QoS流，并且为MT动态分配IP地址；3)5G-R网络根据DNN判断为CTCS-3应用，随即根据预定的5QI自动触发向MT发起建立专用QoS流，并下发TFT和QoS参数，建立专用的QoS流。后续的车地数据传输都应在专用QoS流中完成。
接下来就是业务层面的接入过程，包括列控车载设备查询RBC的IP地址，然后与RBC建立安全连接的过程，如图4所示，具体地：1)车载设备向IP查询服务器查询RBC的IP地址；2)车载设备获取当前所属RBC的ID和IP地址后，发起链接建立请求与RBC建立安全链接。
本发明采用确定性随机petri网(DSPN)来进行列控设备接入过程的可靠性分析，整个建模过程包括参数选取、模型建立和性能分析与评估。
其中，参数选取：通过实际测试结果，进行数据处理，将每阶段的传输时延模为指数分布，获得每阶段时延的累积概率分布图，通过公式
Figure BDA0002801842740000061
Figure BDA0002801842740000062
来计算指数变迁的参数，F(t)代表时延的累积概率分布(CDF)，t代表时延；同时选取各阶段最大时延为确定性变迁的参数。
模型建立：将上述列控车载设备接入过程分为六个阶段，按接入过程的逻辑建立DSPN基础模型。
性能分析与评估：通过令牌在库所中占有的时间和变迁的触发率进行性能分析，得到接入过程的可靠性及其影响因素。最终确定接入流程参数是否满足列控系统可靠性的要求。
将上述列控车载设备接入流程建模为确定性随机Petri网(DSPN)，如图5所示，具体建模流程如下：
a将列控数据通信系统的车载设备接入过程分为六个阶段，按接入过程的逻辑建立DSPN基础模型，包括小区选择模型、网络注册模型、PDU会话建立模型、PDU会话修改模型、IP地址查询模型和建立安全链接模型；
b依据列控数据通信系统测试平台测试结果对接入各阶段时延进行CDF统计，将每个阶段的时延可建模为指数分布，求得对应变迁suc1～suc6的参数λ；
c选取各阶段最大时延为变迁fail2～fail6的确定性时间分布参数；
d获取列控数据通信系统可靠性分析结果，车载设备接入过程的可靠性为模型可达图中包含AccessNormal状态的平稳概率之和，Π为平稳概率，即
Raccess＝Π(#AccessNormal＝1)
f将采用平稳分析方法获取的接入过程的可靠性Raccess与铁路宽带移动通信系统需求规范中定义的连接建立成功率的QoS指标做对比，若Raccess≥99％，则表明基于5G-R数据传输网络的列控车载设备的接入流程能够满足列控系统的可靠性要求，若Raccess<99％，则表明基于5G-R数据传输网络的列控车载设备的接入流程目前不能够满足列控系统的可靠性要求，需要后续的接入流程优化和数据传输网络的优化。
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。
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。
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 (6)

1.基于Petri网列控车载设备接入过程可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
梳理逻辑流程，完成列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计；
搭建列控数据通信系统测试平台，获取列控数据通信系统性能参数，所述参数为列控车载设备接入过程的各阶段时延，同时对所述列控数据通信系统的车载设备接入过程建立DSPN基础模型，在所述列控数据通信系统性能参数的基础上对DSPN基础模型进行仿真，得到列控数据通信系统车载设备接入过程的可靠性指标；
通过改变列控数据通信系统性能参数来分析影响可靠性指标的因素，完善列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计，最终判断车载设备接入过程和参数是否满足列控系统的可靠性要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述列控数据通信系统车载设备接入过程包括通信层面的接入过程和业务层面的接入过程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通信层面的接入过程包括：
(1)移动电台MT上电后，自动搜索5G-R网络，完成小区选择，然后进行网络注册；
(2)网络根据附着请求中携带的DNN创建PDU会话，建立默认的QoS流，并且为移动电台MT动态分配IP地址；
(3)5G-R网络根据DNN判断为CTCS-3应用，根据预定的5QI自动触发向移动电台MT发起建立专用QoS流，并下发TFT和QoS参数，建立CTCS-3级列控专用的QoS流。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述业务层面的接入过程包括：
(1)车载设备向IP查询服务器查询RBC的IP地址；
(2)车载设备获取当前所属RBC的ID和IP地址后，发起链接建立请求与RBC建立安全链接。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搭建列控数据通信系统测试平台，获取列控数据通信系统性能参数，同时对所述列控数据通信系统的车载设备接入过程建立DSPN基础模型，在所述列控数据通信系统性能参数的基础上对DSPN基础模型进行仿真，得到列控数据通信系统车载设备接入过程的可靠性指标，包括：
将列控数据通信系统的车载设备接入过程按六个阶段建立DSPN基础模型，包括：小区选择模型、网络注册模型、PDU会话建立模型、PDU会话修改模型、IP地址查询模型和建立安全链接模型；
通过所述列控数据通信系统测试平台进行测试，获取列控数据通信系统性能参数，对所述列控数据通信系统性能参数进行数据处理，将接入过程的各阶段时延进行CDF统计，将每个阶段的传输时延可建模为指数分布，通过公式
Figure FDA0002801842730000021
求得对应指数变迁sue1～suc6的参数λ，同时，选取各阶段最大时延为变迁fail2～fail6的确定性时间分布参数，其中，F(t)代表时延的累积概率分布，t代表时延；
获取列控数据通信系统可靠性分析结果，车载设备接入过程的可靠性为模型可达图中包含AccessNormal状态的平稳概率之和，即
Raccess＝Π(#AccessNormal＝1)
其中，Raccess为接入过程的可靠性，Π为平稳概率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过改变列控数据通信系统性能参数来分析影响可靠性指标的因素，完善列控数据通信系统车载设备接入过程的流程设计，最终判断接入流程和参数是否满足列控系统的可靠性要求，包括：
将采用平稳分析方法获取的接入过程的可靠性Raccess与铁路宽带移动通信系统需求规范中定义的连接建立成功率的QoS指标做对比，若Raccess≥99％，则表明基于5G-R数据传输网络的列控车载设备的接入流程能够满足列控系统的可靠性要求，若Raccess＜99％，则表明基于5G-R数据传输网络的列控车载设备的接入流程目前不能够满足列控系统的可靠性要求。
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