基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法

摘要

本发明提供了一种基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，涉及铁路列车运行控制技术领域，该方法包括如下步骤：确定应答器传输系统可靠性评估指标；得出影响应答器传输系统可靠性评估指标的动态因素；构建列车运行速度对所述动态因素进行影响的Matlab仿真结果；根据Matlab仿真结果，构建应答器传输模块BTM报文层译码过程并评估，得出BTM报文层译码成功率；根据BTM报文层译码成功率计算应答器传输系统可靠性评估指标结果，实现对应答器传输系统的可靠性评估。本发明构建了BTM报文层译码过程的可靠性评估方法，给出了BTM报文层译码成功概率的通用表达式，通过对系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率的计算，实现了对系统可靠性的准确评估。

权利要求

1.一种基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S110：分析应答器传输系统功能结构，确定应答器传输系统可靠性评估指标；

步骤S120：利用鱼骨图法分析列车运行条件下应答器传输系统可靠性影响因素，得出影响应答器传输系统可靠性评估指标的动态因素；

步骤S130：构建列车运行速度对所述动态因素进行影响的Matlab仿真结果；

步骤S140：根据所述Matlab仿真结果，构建应答器传输模块BTM报文层译码过程，利用马尔可夫过程评估所述BTM报文层译码过程，并得出BTM报文层译码成功率；

步骤S150：根据所述BTM报文层译码成功率计算应答器传输系统可靠性评估指标结果，实现对应答器传输系统的可靠性评估。

2.根据权利要求1所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述应答器传输系统可靠性评估指标包括由于应答器传输系统发生功能性故障而不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率，即应答器传输系统功能不可用度Pp。

3.根据权利要求1所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述动态因素包括BTM接收报文比特数和BTM接收报文误比特率。

4.根据权利要求3所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述构建列车运行速度对所述动态因素进行影响的Matlab仿真结果包括，基于电磁场基础理论，对列车运行条件下应答器传输系统天线磁场分布模型进行分析；利用三维直角坐标系建立应答器上行链路信号传输过程简化模型，以地面应答器中心为坐标原点O，建立三维直角坐标系O-xyz，分别取地面应答器发送天线的AB边和BC边相平行的方向作为OX轴、OY轴，取与应答发送天线垂直向上的方向为OZ轴，其中OX轴正方向为列车运行方向；

以ABCD为应答器发送天线简化模型，EFGH为与所述应答器发送天线简化模型相对应的车载天线简化模型，车载天线水平安装，安装高度Z0保持不变；

设μ0为真空磁导率，I为通过应答器发送天线的电流，P(x,y,z)为应答器车载天线运行轨迹区域内的任一点，l1＝AB/2，l2＝BC/2；则由毕奥·萨伐尔定律分别计算AB、BC、CD、DA四个边在P点的磁感应强度的竖直分量BZ的数学模型为：设时刻t＝0时，车载天线中心点位于O1处，O1处的横坐标为-X0，则在t时间后车载天线中心点的横坐标为X′＝vt-X0        (4)

式中：v为列车运行速度，t为列车运行时间；

令BTM天线在Z＝Z0平面内沿着X轴从O1平移到O2，O2处的横坐标为X0，l3＝EF/2,l4＝FG/

2，则BTM接收到的上行链路信号辐射磁通量为

根据法拉第电磁感应定律可知车载天线接收线圈内的总感应电动势U感应(x)近似等于应答器发送天线时变电流产生的感生电动势U感生(x)，即：其中，fC＝4.234MHz，q为车载天线谐振电路的品质因数，负号表示感应电动势的方向总是阻碍磁通量的变化；

将公式(4)代入公式(3)中，得到基于列车速度v的车载天线接收线圈感应电动势幅值包络

5.根据权利要求4所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，分析列车运行速度对BTM接收报文比特数的影响因素还包括BTM动态作用距离和BTM动态作用时间，所述BTM动态作用距离计算公式为D动态＝D静态-Tdel×v＝(X12-X11)-Tdel×v       (6)其中，X11、X12为最弱应答器与BTM接收门限的交点，X12＞X11，Tdel为环境与设备的动态特性、启动延时等因素导致的报文译码延迟总时间，v为列车运行速度；

由于BTM内部门限电压U门限的存在，BTM动态作用距离计算公式可修正为D动态＝|X2-X1|         (7)

其中，X2、X1为BTM天线收到的上行链路信号强度达到BTM接收门限电压的两个交点；

所述BTM动态作用时间计算公式为T动态＝D动态/v             (8)根据式(8)得出BTM动态接收比特数计算公式为ndec＝T动态×ru            (9)其中，ru＝564.48kbit/s为上行链路数据传输速率；

根据式(9)得出BTM动态接收安全报文数计算公式为

ntelegram＝ndec/(nlen+nadd)       (10)其中，nlen为应答器报文长度，若为长报文则nlen＝1023bit，nadd为保证报文安全接收的译码附加长度，若为长报文则nadd＝77bit；

结合公式(1)-(10)，得到不同列车运行速度下BTM与最弱应答器的动态作用距离、动态作用时间、动态接收比特数与动态接收安全报文数的Matlab仿真结果。

6.根据权利要求1所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述分析并构建应答器传输模块BTM报文层译码过程包括，列车运行速度与BTM接收报文比特数成反比关系，可设列车运行速度为vdec时，BTM接收报文比特数为ndec；为简化可靠性评估模型，可不考虑列车运行速度对BTM接收报文误比特率的影响，BTM接收报文各比特间误比特率互相独立，且第i个比特的误比特率为Pi；列车运行速度对BTM接收报文类型及BTM译码算法没有影响，则应答器传输系统功能不可用度Pp，即BTM报文层不能正确译码的概率为Pp＝1-∑iP(i)        (11)，

其中，i等于译码时间窗可滑动的次数，P(i)为译码时间窗第i次滑动后成功译码的概率。

7.根据权利要求6所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，当所述BTM接收报文比特数ndec不是译码时间窗滑动间隔的整数倍时，由于第i次滑动后剩余比特流中的比特数不足以再次滑动一个译码时间窗，因此将会被丢弃。

8.根据权利要求7所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述利用马尔可夫过程评估BTM译码过程，并得出BTM报文层译码成功率包括，所述译码时间窗将BTM报文层接收到的比特流分割成S1、S2、…Si、Sn等大小不一的窗口，当BTM接收报文各比特间误比特率互相独立时，窗口Si+1译码成功的概率与窗口Si译码成功的概率相互独立；

设状态S(i,n)，n代表成功译码的连续比特流长度，则状态S(i+1,m)与状态S(i,n)无关，符合马尔可夫性，将BTM报文层译码过程视为马尔可夫过程，得出BTM报文层译码过程的马尔可夫状态图；

状态S(0,0)表示译码窗口不滑动时的初始状态，概率为1， 代表连续Si个比特译码成功的概率，则其中，Perror(m)为连续Si个比特流中第m个比特的误码率。

9.根据权利要求8所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述计算译码时间窗第i次滑动后BTM能够成功译码的概率P(i)包括，分别计算第i次滑动后译码时间窗内接收到的比特流正确译码的概率 以及BTM接收比特流中第i个分割窗口内接收到的比特流不能正确译码的概率PS(i,0)，得

10.根据权利要求9所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述BTM报文层译码成功率计算应答器传输系统可靠性评估指标结果，实现对应答器传输系统的可靠性评估包括，当i＝1时，

当i＝2时，

当2＜i≤11，即BTM接收报文比特数小于等于2200比特，此时与状态S(i,0)相关的状态数为i个，得：当i＞11，即BTM接收报文比特数大于2200比特，此时与状态S(i,0)相关的状态数恒定为11个，得：根据式(11)-(17)即可求得应答器传输系统功能不可用度Pp。

说明书

基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铁路列车运行控制技术领域，具体涉及一种基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法。

背景技术

[0002] 应答器传输系统作为列车运行控制系统中的关键设备，用于向运行列车传输线路基本参数、线路速度信息、临时限速信息、特殊定位信息等列控安全信息。一旦不能保证应答器传输系统信息传输的可靠性，将直接影响列控系统的正常工作，甚至导致安全事故，因此应答器传输系统的可靠性对列车安全、高效运营至关重要。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种能够定性分析列车运行条件对应答器传输系统可靠性评估的影响因素，运用电磁场基础理论模型给出影响因素的定量分析结果，基于马尔可夫过程给出应答器传输系统可靠性评估的通用数学表达式，准确评估应答器传输系统可靠性的方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

[0005] 一种基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，包括如下步骤：

[0006] 步骤S110：分析应答器传输系统功能结构，确定应答器传输系统可靠性评估指标；

[0007] 步骤S120：利用鱼骨图法分析列车运行条件下应答器传输系统可靠性影响因素，得出影响应答器传输系统可靠性评估指标的动态因素；

[0008] 步骤S130：构建列车运行速度对所述动态因素进行影响的Matlab仿真结果；

[0009] 步骤S140：根据所述Matlab仿真结果，构建应答器传输模块BTM报文层译码过程，利用马尔可夫过程评估所述BTM报文层译码过程，并得出BTM报文层译码成功率；

[0010] 步骤S150：根据所述BTM报文层译码成功率计算应答器传输系统可靠性评估指标结果，实现对应答器传输系统的可靠性评估。

[0011] 进一步的，所述应答器传输系统可靠性评估指标包括由于应答器传输系统发生功能性故障而不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率，即应答器传输系统功能不可用度Pp。

[0012] 进一步的，所述动态因素包括BTM接收报文比特数和BTM接收报文误比特率。

[0013] 进一步的，所述构建列车运行速度对所述动态因素进行影响的Matlab仿真结果包括，基于电磁场基础理论，对列车运行条件下应答器传输系统天线磁场分布模型进行分析；利用三维直角坐标系建立应答器上行链路信号传输过程简化模型，以地面应答器中心为坐标原点O，建立三维直角坐标系O-xyz，分别取地面应答器发送天线的AB边和BC边相平行的方向作为OX轴、OY轴，取与应答发送天线垂直向上的方向为OZ轴，其中OX轴正方向为列车运行方向；以ABCD为应答器发送天线简化模型，EFGH为车载天线简化模型，车载天线水平安装，安装高度Z0保持不变；

[0014] 设μ0为真空磁导率，I为通过应答器发送天线的电流，P(x,y,z)为应答器车载天线运行轨迹区域内的任一点，l1＝AB/2，l2＝BC/2；则由毕奥·萨伐尔定律分别计算AB、BC、CD、DA四个边在点的磁感应强度的竖直分量BZ的数学模型为：

[0015]

[0016] 令BTM天线在Z＝Z0平面内沿着X轴从O1平移到O2，l3＝EF/2,l4＝FG/2，X′为车载天线中心点的水平位置，则BTM接收到的上行链路信号辐射磁通量为

[0017]

[0018] 根据法拉第电磁感应定律知车载天线接收线圈内的总感应电动势U感应(x)近似等于应答器发送天线时变电流产生的感生电动势U感生(x)，即：

[0019]

[0020] 其中，fC＝4.234MHz，q为车载天线谐振电路的品质因数，负号表示感应电动势的方向总是阻碍磁通量的变化。

[0021] 设时刻t＝0时，车载天线中心点的水平位置为O1，则有

[0022] X′＝vt-X0   (4)

[0023] 式中：v为列车运行速度，t为列车运行时间，将公式(4)代入公式(3)中，得到基于列车速度v的车载天线接收线圈感应电动势幅值包络

[0024]

[0025] 进一步的，分析列车运行速度对BTM接收报文比特数的影响因素还包括BTM动态作用距离和BTM动态作用时间，所述BTM动态作用距离计算公式为

[0026] D动态＝D静态-Tdel×v＝(X12-X11)-Tdel×v   (6)

[0027] 其中，X11、X12为最弱应答器与BTM接收门限的交点，X12＞X11，Tdel为环境与设备的动态特性、启动延时等因素导致的报文译码延迟总时间，v为列车运行速度；

[0028] 由于BTM内部门限电压U门限的存在，BTM动态作用距离计算公式可修正为[0029] D动态＝|X2-X1|   (7)

[0030] 其中，X2、X1为BTM天线收到的上行链路信号强度达到BTM接收门限电压的两个交点；

[0031] 所述BTM动态作用时间计算公式为T动态＝D动态/v   (8)

[0032] 根据式(8)得出BTM动态接收比特数计算公式为ndec＝T动态×ru   (9)[0033] 其中，ru＝564.48kbit/s为上行链路数据传输速率；

[0034] 根据式(9)得出BTM动态接收安全报文数计算公式为

[0035] ntelegram＝ndec/(nlen+nadd)   (10)

[0036] 其中，nlen为应答器报文长度，若为长报文则nlen＝1023bit，nadd为保证报文安全接收的译码附加长度，若为长报文则nadd＝77bit；

[0037] 结合公式(1)-(10)，得到不同列车运行速度下BTM与最弱应答器的动态作用距离、动态作用时间、动态接收比特数与动态接收安全报文数的Matlab仿真结果。

[0038] 进一步的，所述分析并构建应答器传输模块BTM报文层译码过程包括，列车运行速度与BTM接收报文比特数成反比关系，可设列车运行速度为vdec时，BTM接收报文比特数为ndec；为简化可靠性评估模型，可不考虑列车运行速度对BTM接收报文误比特率的影响，BTM接收报文各比特间误比特率互相独立，且第个比特的误比特率为Pi；列车运行速度对BTM接收报文类型及BTM译码算法没有影响，则应答器传输系统功能不可用度Pp，即BTM报文层不能正确译码的概率为

[0039] Pp＝1-∑iP(i)   (11)，

[0040] 其中，i等于译码时间窗可滑动的次数，P(i)为译码时间窗第i次滑动后成功译码的概率。

[0041] 进一步的，当所述BTM接收报文比特数ndec不是译码时间窗滑动间隔的整数倍时，由于第i次滑动后剩余比特流中的比特数不足以再次滑动一个译码时间窗，因此将会被丢弃。

[0042] 进一步的，所述利用马尔可夫过程评估BTM译码过程，并得出BTM报文层译码成功率包括，所述译码时间窗将BTM报文层接收到的比特流分割成S1、S2、…Si、Sn等大小不一的窗口，当BTM接收报文各比特间误比特率互相独立时，窗口Si+1译码成功的概率与窗口Si译码成功的概率相互独立；

[0043] 设状态S(i,n)，n代表成功译码的连续比特流长度，则状态S(i+1,m)与状态S(i,n)无关，符合马尔可夫性，将BTM报文层译码过程视为马尔可夫过程，得出BTM报文层译码过程的马尔可夫状态图；

[0044] 状态S(0,0)表示译码窗口不滑动时的初始状态，概率为1，PSi代表连续Si个比特译码成功的概率，则

[0045] 其中，Perror(m)为连续Si个比特流中第m个比特的误码率。

[0046] 进一步的，所述计算译码时间窗第i次滑动后BTM能够成功译码的概率P(i)包括，分别计算第i次滑动后译码时间窗内接收到的比特流正确译码的概率 以及BTM接收比特流中第i个分割窗口内接收到的比特流不能正确译码的概率PS(i,0)，得(13)。

[0047] 进一步的，所述根据所述BTM报文层译码成功率计算应答器传输系统可靠性评估指标结果，实现对应答器传输系统的可靠性评估包括，

[0048] 当i＝1时，

[0049] 当i＝2时，

[0050] 当2＜i≤11，即BTM接收报文比特数小于等于2200比特，此时与状态S(i,0)相关的状态数为i个，得：

[0051] 当i＞11，即BTM接收报文比特数大于2200比特，此时与状态S(i,0)相关的状态数恒定为11个，得：

[0052] 根据式(11)-(17)即可求得应答器传输系统功能不可用度Pp。

[0053] 本发明有益效果：构建了BTM报文层译码过程的可靠性评估方法，给出了BTM报文层译码成功概率的通用表达式，通过计算应答器传输系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率，实现对应答器传输系统可靠性的准确评估。

附图说明

[0054] 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。

[0055] 图1为本发明实施例所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法流程图。

[0056] 图2为本发明实施例所述的应答器传输系统功能框图。

[0057] 图3为本发明实施例所述的BTM报文层正确译码影响因素分析鱼骨图。

[0058] 图4为本发明实施例所述的应答器上行链路信号传输过程简化模型图。

[0059] 图5为本发明实施例所述的列车运行条件下的BTM动态特性Matlab仿真结果示意图。

[0060] 图6为本发明实施例所述的是上行链路信号幅度包络及误比特率变化示意图。

[0061] 图7为本发明实施例所述的不同速度条件下误比特率随距中心点距离变化示意图。

[0062] 图8为本发明实施例所述的BTM报文层译码过程示意图。

[0063] 图9为本发明实施例所述的BTM报文层译码过程的马尔可夫状态图。

[0064] 图10为本发明实施例所述的BTM接收报文比特数与不能成功译码概率的关系图。

具体实施方式

[0065] 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模块。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。

[0066] 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。

[0067] 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，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。图1为本发明实施例所述的基于列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法流程图，图2为本发明实施例所述的应答器传输系统功能框图，图3为本发明实施例所述的BTM报文层正确译码影响因素分析鱼骨图，图4为本发明实施例所述的应答器上行链路信号传输过程简化模型图，图5为本发明实施例所述的列车运行条件下的BTM动态特性Matlab仿真结果示意图，图6为本发明实施例所述的是上行链路信号幅度包络及误比特率变化示意图，图7为本发明实施例所述的不同速度条件下误比特率随距中心点距离变化示意图，图8为本发明实施例所述的BTM报文层译码过程示意图，图9为本发明实施例所述的BTM报文层译码过程的马尔可夫状态图，图10为本发明实施例所述的BTM接收报文比特数与不能成功译码概率的关系图。本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

[0068] 如图1所示，本发明实施例所述的一种考虑列车运行速度的应答器传输系统可靠性评估方法，通过对应答器传输系统功能结构以及系统可靠性目标的分析，将系统功能不可用度即BTM报文层不能正确译码的概率作为系统可靠性评估的指标，通过鱼骨图法得出影响应答器可靠性评估的动态因素有BTM接收报文比特数、BTM接收报文误比特率，静态因素有BTM译码算法、BTM接收报文类型。具体步骤如下：

[0069] 步骤1，分析应答器传输系统功能结构以及系统可靠性指标，得出应答器传输系统可靠性评估指标；

[0070] 步骤2，利用鱼骨图法分析列车运行条件下可靠性影响因素，得出影响应答器可靠性评估的动态因素和静态因素；

[0071] 步骤3，利用电磁场基础理论，分析列车运行条件下应答器传输系统天线磁场分布模型，得出列车运行对BTM接收报文比特数的影响；

[0072] 步骤4，分析列车运行速度对应答器传输系统BTM接收报文误比特率变化率的影响；

[0073] 步骤5，分析并构建BTM报文层译码过程，利用马尔可夫过程构建BTM报文层译码过程的可靠性评估方法，并给出BTM报文层译码成功概率的通用表达式的计算过程；

[0074] 步骤6，计算系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率，实现对系统可靠性的评估，并对所建模型进行验证与分析。

[0075] 本发明所述的应答器传输系统可靠性评估方法具体评估过程如下：

[0076] 第一步，分析应答器传输系统功能结构以及系统可靠性指标，得出应答器传输系统可靠性评估指标，其中包括：

[0077] (1)分析应答器传输系统功能结构及系统可靠性指标：

[0078] 应答器传输系统适用于时速250km/h高速铁路CTCS-2级、时速350km/h高速铁路CTCS-3级列控系统中，系统包括地面应答器、车载天线及应答器传输模块(BTM)等，根据影响BTM动态特性的因素，可将BTM工作流程分为报文层、解调层和辐射模式层(接收层)3个层次，系统整体功能框图如图1所示。

[0079] 应答器传输系统基于电磁感应原理实现地-车通信的点式数据高速传输，BTM通过下行激励电路产生的下行激励信号激活地面休眠的应答器进入工作状态，应答器将自身存储的报文数据调制成上行链路信号再发送给BTM接收天线。

[0080] BTM前端信号调理模块对接收到的上行链路信号进行滤波、放大等处理，并将调理后的信号分别传输给上行信号检测模块与信号解调模块。

[0081] 上行信号检测模块对上行链路信号强度进行检测，当达到BTM预先设置的门限电压后再触发FSK信号解调模块对上行链路信号进行解调，而低于门限值的信号会被认为是无效信号，达到初步抑制旁瓣区、串扰区以及其它信源的带内信号干扰的作用。

[0082] FSK信号解调与解码模块完成对上行链路信号的解调与解码工作，并将正确解码后的报文传送给车载安全计算机。

[0083] (2)得出应答器传输系统可靠性评估指标：

[0084] 应答器传输系统作为可修复系统，其可靠性评估指标主要有可用度(A)及平均故障间隔时间(MTBT)。可用度指在请求使用系统时，系统正常运行的概率。根据UNISIGSUBSET-036对应答器传输系统RAMS的需求规定，应答器传输系统应该确保列车平均106次通过地面应答器时，车载传输模块均可向车载安全计算机传递无差错报文。因此应答-6
器传输系统可用度需满足：A＞1-10    (1)

[0085] 定义系统不可用度为U，则U需满足：U＝1-A≤10-6   (2)

[0086] 影响应答器传输系统向车载安全计算机传递无差错报文的主要原因有系统硬件故障与功能性故障。硬件故障主要指由于BTM主机线路板、天线电缆、天线及地面应答器自身故障等因素而引起的系统硬件故障；功能性故障主要指由于车地相对位移、空间电磁干扰、空间杂质变化、地面应答器瞬态特性及BTM瞬态特性等因素引起的BTM输出报文错误。

[0087] 因此，应答器传输系统的不可用度，即应答器传输系统不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率PE为：U＝PE＝Ph+Pp≤10-6   (3)

[0088] 式中：Ph为由于系统硬件故障而不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率，即硬件不可用度；Pp为由于系统功能性故障而不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率，即功能不可用度。

[0089] 在已知列车通过地面应答器的平均运行速度 及此时沿钢轨方向平均有效作用距离 时，可求得系统通过地面应答器时的平均有效作用时间 若假定此时应答器传输系统MTTF为50,000小时，则系统硬件不可用度Ph即系统在50,000小时时间 内系统硬件发生故障的概率：

[0090] 式中 取为250km/h， 取为0.5m。根据列车运行实际情况及上式计算结果得知，即使列车运行速度及沿钢轨方向有效作用距离都发生变化，系统硬件不可用度Ph的数量级并无明显变化，且远小于10-6，因此在分析系统不可用度时可忽略不计。

[0091] 综合分析，所述方法可将系统功能不可用度Pp作为应答器传输系统可靠性评估指标。系统功能不可用度，即由于应答器传输系统发生功能性故障而不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率，可用BTM报文层不能正确译码的概率来表征此指标。

[0092] 由于空间电磁干扰、空间杂质变化、地面应答器瞬态特性及BTM瞬态特性等因素的发生多具有偶然性与不确定性，为简化系统可靠性评估的过程，所述方法仅考虑由于列车运行而引起的车地相对位移对系统功能不可用度的影响。

[0093] 第二步，利用鱼骨图法分析列车运行条件下可靠性影响因素，得出影响应答器可靠性评估的动态因素和静态因素，其中包括：

[0094] 利用鱼骨图分析法对影响BTM报文层正确译码的因素进行分析，结果如图3所示。

[0095] 为评估列车运行条件下，即不同列车运行速度对应答器传输系统可靠性评估指标功能不可用度的影响，图3将影响BTM报文层正确译码的因素分为两类，即动态因素(D)与静态因素(S)。动态因素表示随着列车运行条件的变化而时刻变化的因素；静态因素表示随着列车运行条件的变化而恒定不变的因素，这些因素随着特定铁路线路及特定应答器传输系统的开通应用而固定不变。

[0096] 通过图3可知，在已知BTM译码算法、BTM接收报文类型、BTM接收报文比特数、BTM接收报文误比特率四项参数的情况下，便可计算BTM报文层正确译码的概率，进而评估应答器传输系统功能不可用度。

[0097] 为评估列车运行条件下应答器传输系统的可靠性，需对由于列车运行而引起的动态因素变化对上述四项参数的的影响进行分析。由图3可知，受动态因素影响的参数主要有BTM接收报文比特数与BTM接收报文误比特率，本方法下面就列车运行对BTM接收报文比特数及BTM接收报文误比特率的影响进行分析。

[0098] 第三步，利用电磁场基础理论，分析列车运行条件下应答器传输系统天线磁场分布模型，得出列车运行对BTM接收报文比特数的影响，其中包括：

[0099] 分析列车运行条件下应答器传输系统天线磁场分布模型：

[0100] 如图4所示为应答器传输系统上行链路信号传输过程的简化模型，以地面应答器中心为坐标原点O，建立三维直角坐标系O-xyz，分别取地面应答器发送天线的AB边和BC边相平行的方向作为OX轴、OY轴，取与应答发送天线垂直向上的方向为OZ轴，其中OX轴正方向为列车运行方向。其中ABCD为应答器发送天线简化模型，EFGH为车载天线简化模型，车载天线水平安装，安装高度Z0保持不变。

[0101] 设μ0为真空磁导率，I为通过应答器发送天线的电流，P(x,y,z)为应答器车载天线运行轨迹区域内的任一点，l1＝AB/2，l2＝BC/2。则由毕奥·萨伐尔定律分别计算AB、BC、CD、DA四个边在点的磁感应强度的竖直分量BZ的数学模型为

[0102]

[0103] 令BTM天线在Z＝Z0平面内沿着X轴从-X0平移到X0，l3＝EF/2,l4＝FG/2，X′为车载天线中心点的水平位置。则BTM接收到的上行链路信号辐射磁通量为

[0104]

[0105] 根据法拉第电磁感应定律知车载天线接收线圈内的总感应电动势U感应(x)近似等于应答器发送天线时变电流产生的感生电动势U感生(x)，即：

[0106]

[0107] 其中fC＝4.234MHz，q为车载天线谐振电路的品质因数，负号表示感应电动势的方向总是阻碍磁通量的变化(楞次定律)。

[0108] 设时刻t＝0时，车载天线中心点的水平位置为-X0，则有

[0109] X′＝vt-X0   (8)

[0110] 式中：v为列车运行速度，t为列车运行时间，将式(8)代入式(7)，得到基于列车速度v的车载天线接收线圈感应电动势幅值包络

[0111]

[0112] 为便于分析列车运行速度对BTM接收报文比特数的影响，引入BTM动态作用距离、BTM动态作用时间的概念，BTM动态作用距离计算公式为

[0113] D动态＝D静态-Tdel×v＝(X12-X11)-Tdel×v   (10)

[0114] 式中：X11、X12为最弱应答器与BTM接收门限的交点，X12＞X11，Tdel为环境与设备的动态特性、启动延时等因素导致的报文译码延迟总时间，v为列车运行速度。

[0115] 由于BTM内部门限电压U门限的存在，BTM动态作用距离计算公式可修正为[0116] D动态＝|X2-X1|   (11)

[0117] 其中X2、X1为BTM天线收到的上行链路信号强度达到BTM接收门限电压的两个交点。根据式(11)的修正结果，得出BTM动态作用时间计算公式为

[0118] T动态＝D动态/v   (12)

[0119] 根据式(12)得出BTM动态接收比特数计算公式为

[0120] ndec＝T动态×ru   (13)

[0121] 式中：ru＝564.48kbit/s为上行链路数据传输速率。根据式(13)得出BTM动态接收安全报文数计算公式为

[0122] ntelegram＝ndec/(nlen+nadd)   (14)

[0123] 其中nlen为应答器报文长度，若为长报文则nlen＝1023bit，nadd为保证报文安全接收的译码附加长度，若为长报文则nadd＝77bit。

[0124] 由于列车运行过程中，应答器发送天线流过的电流I并非恒定电流，考虑最弱应答器时应答器的I/O特性曲线，知在BTM动态作用距离内，最弱应答器发送天线流过的电流I恒定为59mA。

[0125] 结合式(7)-(14)并代入相关参数：

[0126] fC＝4.234MHz，q＝40，z0＝220mm，

[0127] x0＝1300mm，l1＝187mm，l2＝218mm，

[0128] l3＝100mm，l4＝195mm，I＝59mA

[0129] U门限＝1V，得到不同列车运行速度下BTM与最弱应答器的动态作用距离、动态作用时间、动态接收比特数与动态接收安全报文数的Matlab仿真结果如图5所示。

[0130] 由图5可以看出，BTM动态作用距离与列车运行速度成正比关系，但由于BTM动态作用距离的增加速度远小于列车运行速度的增加速度，因此BTM动态作用时间、动态接收比特数与动态接收安全报文数与列车运行速度成反比关系；同时可知当BTM动态作用距离增加时，不能简单地得出BTM动态作用时间及动态接收比特数也随之增加，还要分析列车运行速度的变化情况。

[0131] 根据图5，按照CTCS1～4级规范列车速度分别设为＝120km/h、160km/h、250km/h、350km/h，分别计算各列车速度下BTM动态作用距离、动态作用时间、接收比特数、接收数据帧数，如表1所示。

[0132] 表1典型列车运行速度下BTM动态特性

[0133]

[0134] 第四步，分析列车运行速度对应答器传输系统BTM接收报文误比特率变化率的影响，其中包括：

[0135] 已知列车运行过程中BTM接收到的上行链路信号幅度并非平稳信号，假定应答器上行链路信号传输过程中噪声水平保持恒定不变，此时BTM接收到的上行链路信号数据的在不同信号点处的信噪比并非恒定，因此在应答器传输系统解调层解调算法不变的情况下，BTM接收到的上行链路信号各比特位的误比特率并非处处相等，下面就BTM接收到的上行链路信号误比特率问题进行进一步分析。

[0136] 假定应答器传输系统解调层解调算法采用非相干解调法，则各比特的误比特率为[0137]

[0138] 式中：γ为该比特处的平均信噪比。

[0139] 又

[0140] 式中：Vs为上行链路信号电压有效值，Vn为噪声电压有效值。

[0141] 由于正弦电压信号的有效值等于其最大值幅值的 约0.707倍。

[0142] 故

[0143] 为第n个上行链路信号包络点处的电压平均幅值。

[0144] 根据UNISIG SUBSET-036对应答器上行链路信号误码率的规定，上行链路信号中心区域误码率应小于10-6，假定中心区域为0.6m，可设在0.6m临界点处上行链路信号包络误比特率为10-6，当列车速度v＝350km/h时，BTM门限电压为1V时，结合式(15)-(17)计算BTM接收到的上行链路信号幅度包络及误比特率分布如图6所示。

[0145] 从图6可以看出，上行链路信号包络误比特率从中心至边缘呈递增趋势，呈现中间误码率低两端误码率高的下凸函数分布，且在设定上行链路中心区域内误码率均小于10-6，与UNISIG SUBSET-036规范相符。

[0146] 接下来按照CTCS1～4级规范不同的列车速度条件下，对BTM接收到的上行链路信号误比特率曲线随距中心点的距离的变化情况进行分析，对上行链路信号误比特率曲线各点处取导数，得到各速度条件下其变化情况如图7所示。

[0147] 图7中X轴为上行链路信号各比特点距中心点的距离，Y轴为当前比特点的误比特率变化率。从上图可以看出，上行链路信号各比特点距中心点的距离与此点处的误比特率的变化率成正比关系，当距中心点距离大于约0.25m后，误比特率的变化率将大于10-6；在X轴恒定且空间环境不变的情况下，随着列车运行速度的增加，误比特率的变化率将反之降低。

[0148] 结果表明：当应答器传输系统各项参数确定的情况下，列车速度的变化对BTM接收报文误比特率变化率的影响不大，因此在评估系统可靠性的时候可以忽略列车速度对BTM接收报文误比特率的影响。

[0149] 第五步，分析并构建BTM报文层译码过程，利用马尔可夫过程构建BTM报文层译码过程的可靠性评估方法，并给出BTM报文层译码成功概率的通用表达式的计算过程，其中包括：

[0150] 由上述分析知，为评估应答器传输系统的可靠性，可通过计算系统可靠性评估指标功能不可用度，即BTM报文层不能正确译码的概率，为此需要对BTM报文层译码过程进行分析。

[0151] (1)BTM报文层译码过程构建：

[0152] 根据影响BTM报文层正确译码的鱼骨图分析，以及列车运行对相关因素的影响分析得知：

[0153] 1)列车运行速度与BTM接收报文比特数成反比关系，可设列车运行速度为vdec时，BTM接收报文比特数为ndec。

[0154] 2)为简化可靠性评估模型，可不考虑列车运行速度对BTM接收报文误比特率的影响。在此可假设BTM接收报文各比特间误比特率互相独立，且第个比特的误比特率为Pi。

[0155] 3)列车运行速度对BTM接收报文类型及BTM译码算法没有影响。假设BTM接收报文类型为1023位长报文，BTM译码时间窗为1100比特，时间窗滑动间隔为100比特。

[0156] 根据UNISIG SUBSET-036对BTM译码过程的规定，对BTM译码过程的分析，可构建BTM报文层译码过程，得到BTM报文层译码过程如图8所示。

[0157] 图8中P(i)为译码时间窗第i次滑动后成功译码的概率，Si代表译码时间窗滑动间隔，Sn代表译码时间窗大小，ndec代表BTM接收报文比特数，其中

[0158] S1＝S2＝…＝Si＝100bits

[0159] Sn＝1100bits

[0160] 则应答器传输系统功能不可用度，即BTM报文层不能正确译码的概率为[0161] Pp＝1-∑iP(i)   (18)

[0162] 式中：i等于译码时间窗可滑动的次数。

[0163] 图8中当BTM接收报文比特数ndec不是译码时间窗滑动间隔的整数倍时，由于第i次滑动后剩余比特流中的比特数不足以再次滑动一个译码时间窗，因此将会被丢弃。

[0164] (2)利用马尔可夫过程构建BTM报文层译码过程的可靠性评估方法：

[0165] 由于BTM报文层译码过程中译码时间窗的滑动，将BTM报文层接收到的比特流分割成S1、S2、…Si、Sn等大小不一的窗口，当BTM接收报文各比特间误比特率互相独立时，窗口Si+1译码成功的概率与窗口Si译码成功的概率相互独立即不相关。

[0166] 设状态S(i,n)，i代表译码时间窗滑动的次数，n代表此刻成功译码的连续比特流长度。由于窗口Si+1译码成功的概率与窗口Si译码成功的概率相互独立，则状态S(i+1,m)与状态S(i,n)无关，符合马尔可夫性，因此可将BTM报文层译码过程视为马尔可夫过程，其状态分析如图9所示。

[0167] 图9中，状态S(0,0)表示译码窗口不滑动时的初始状态，概率为1。PSi代表连续Si个比特译码成功的概率。

[0168]

[0169] 式中：Perror(m)为连续Si比特流中第m个比特的误码率。

[0170] 为计算译码时间窗第i次滑动后BTM能够成功译码的概率P(i)，需分别计算第i次滑动后译码时间窗内接收到的比特流正确译码的概率 以及BTM接收比特流中第i个分割窗口内接收到的比特流不能正确译码的概率PS(i,0)。

[0171] 则有：

[0172] 第六步，计算系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率，实现对系统可靠性的评估，并对所建模型进行验证与分析，其中包括：

[0173] (1)计算系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率：

[0174] 由式(19)可计算出 的值，下面将根据图8重点介绍PS(i,0)的计算过程。

[0175] 由图9知，状态S(i,0)的概率值与i-1的所有状态相关，而由于i的不同，i-1的状态数也不相同，现将分以下几种情况进行分析：

[0176] 1)当i＝1时，

[0177] 2)当i＝2时，

[0178] 3)当2＜i≤11，即BTM接收报文比特数小于等于2200比特，此时与状态S(i,0)相关的状态数为i个。

[0179] 根据数学归纳法得：

[0180]

[0181] 4)i＞11，即BTM接收报文比特数大于2200比特，此时与状态S(i,0)相关的状态数恒定为11个。根据数学归纳法得：

[0182]

[0183] 至此，根据式(18)-(24)即可求得应答器传输系统不能正确译码的概率Pp。

[0184] (2)对所建模型进行验证与分析：

[0185] 为验证基于马尔可夫过程的应答器传输系统可靠性评估方法的正确性，特分析BTM报文层不能正确译码的概率Pp与BTM接收报文比特数、BTM接收报文误比特间的关系。为简化分析，可假定BTM接收报文误比特率分布为均匀分布，可分别取为10-5、10-6、10-7、10-8四种情况进行分别仿真分析；同时假定应答器报文类型为长报文1023位；BTM译码算法中译码时间窗为1100比特，时间窗滑动间隔为100比特。

[0186] 根据上述仿真条件，利用MATLAB对应答器传输系统可靠性评估方法进行仿真，结果如图10所示。

[0187] 当BTM接收报文误比特率BER＝10-6时，与应答器传输模块的动态特性及高速条件下的适用性评价的仿真结果完全一致，验证了本模型方法的正确性。

[0188] 从图10中还可以得出以下结果：

[0189] 1)当BTM接收报文误比特率恒定时，随着BTM接收报文比特数的增加，BTM报文层不能正确译码的概率Pp即系统功能不可用度将降低；当接收比特数为应答器安全报文长度即l100比特整数倍时，BTM报文层不能正确译码的概率值存在拐点，但拐点的变化率随着整数倍数的增加而减小；由于Matlab计算精度等问题，当概率Pp随着比特数的增加降为10-15～10-16范围时，将保持恒定不再变化。

[0190] 2)当BTM接收报文比特数恒定时，随着BTM接收报文误比特率的增大，BTM报文层不能正确译码的概率Pp即系统功能不可用度也将增大；当接收比特数为应答器安全报文长度即l100比特整数倍时，拐点的变化率随着BTM接收报文误比特率的减小而增大。

[0191] 本方法通过对应答器传输系统功能结构以及系统可靠性目标的分析，将系统功能不可用度即BTM报文层不能正确译码的概率作为系统可靠性评估的指标，通过鱼骨图法得出影响应答器可靠性评估的动态因素有BTM接收报文比特数、BTM接收报文误比特率，静态因素有BTM译码算法、BTM接收报文类型。本发明利用马尔可夫过程构建了BTM报文层译码过程的可靠性评估方法，给出了BTM报文层译码成功概率的通用表达式的计算过程，同时考虑列车运行速度对应答器传输系统可靠性动态评估因素的影响，通过对系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率的计算，实现对系统可靠性的评估。主要得到以下结论：

[0192] (1)BTM报文层不能正确译码的概率可以作为应答器传输系统可靠性评估指标；BTM报文层不能正确译码的概率即由于系统功能性故障而不能向车载安全计算机正确传输应答器报文信息的概率，即系统功能不可用度。

[0193] (2)列车运行速度主要通过影响BTM接收报文比特数来影响系统的可靠性，列车运行速度与BTM接收报文比特数成反比关系。当BTM接收报文比特数为应答器安全报文长度的整数倍时，BTM报文层不能正确译码的概率存在拐点，而拐点的变化率随着整数倍数的增加而减小，随着BTM接收报文误比特率的减小而增大。

[0194] (3)影响应答器传输系统可靠性定量评估的静态因素有BTM车载天线品质因数、BTM门限电压，以及对应答器尺寸、安装方式等。在应答器传输系统研发与试运营调试阶段，可通过对静态因素的调整与改变，来降低列车运行对应答器传输系统可靠性的影响，提高系统的适用性，实现系统可靠性目标的优化与改进。

[0195] 综上所述，本发明利用马尔可夫过程构建了BTM报文层译码过程的可靠性评估方法，给出了BTM报文层译码成功概率的通用表达式的计算过程，同时考虑列车运行速度对应答器传输系统可靠性动态评估因素的影响，通过对系统可靠性评估指标BTM报文层不能正确译码的概率的计算，实现对系统可靠性的评估。

[0196] 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。