[发明专利]一种客运专线信号系统安全数据网的可靠性分析装置

摘要

本发明提供一种客运专线信号系统安全数据网的可靠性分析装置，由故障注入装置、业务流量模拟装置、拓扑生成装置、可靠性评价装置组成；故障注入装置分别与业务流量模拟装置、拓扑生成装置相连，业务流量模拟装置与拓扑生成装置相连，拓扑生成装置和可靠性评价装置相连；客运专线信号系统安全数据网是用于基于专用光缆(封闭系统)信号系统安全信息传输的CTCS-2级和CTCS-3级列车控制系统，是由中继器，二层交换机，三层交换机组成，用于保障客运专线信号系统中的无线闭塞中心RBC、临时限速服务器TSRS、车站联锁CBI、列控中心TCC等安全运营，数据，传输信息的重要设备。本发明正是用于对这种客运专线信号系统安全数据网进行指标化可靠性分析，并能够通过本装置迅速找到客运专线信号系统安全数据网中的故障网络节点和链路。

主权项

一种客运专线信号系统安全数据网的可靠性分析装置，其特征在于：包括：故障注入装置、业务流量模拟装置、拓扑生成装置、可靠性评价装置；其中所述故障注入装置与所述拓扑生成装置相连，所述业务流量模拟装置与所述拓扑生成装置相连，所述拓扑生成装置与所述可靠性评价装置相连；所述故障注入装置用于识别所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点，包括网络矩阵生成模块、节点影响因子计算模块、链路影响因子计算模块、故障定位模块、故障识别模块；所述拓扑生成装置根据所述故障注入装置发送过来的所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点对所述客运专线信号系统安全数据网中的网络节点和链路进行读取，所述拓扑生成装置包括三层交换机信息生成模块、二层交换机信息生成模块、链路信息生成模块和网络仿真模块；所述业务流量模拟装置由数据流发送模块、数据流合成模块与多个数据流发生模块组成，用于产生数据流发送给所述拓扑生成装置；所述可靠性评价装置由可靠性信息采集模块、可靠性信息处理模块、可靠性影响因子计算模块、可靠性计算模块、可靠性评价指标模块、可靠性横向评价模块、可靠性纵向评价模块和可靠性评价模块组成，对所述客运专线信号系统安全数据网进行可靠性分析；所述网络矩阵生成模块用于所述客运专线信号系统安全数据网中的所有的网络节点和链路自动生成矩阵来进行存储和计算；所述节点影响因子计算模块和所述链路影响因子计算模块读取所述网络矩阵生成模块自动生成的所述矩阵，并分别计算所述客运专线信号系统安全数据网中的所有的网络节点的节点影响因子和链路的链路影响因子；所述节点影响因子为经过所述客运专线信号系统安全数据网中的网络节点的最短路径数；所述链路影响因子为Lij＝Loadij/∑i≠jl(Pathij)，其中Pathij表示所述客运专线信号系统安全数据网中的经过第i个网络节点和第j个网络节点之间的链路，其中所述l(Pathij)表示经过所述Pathij的最短路径数，所述Loadij表示经过所述Pathij的流量大小，其中所述i，j为自然数；所述故障定位模块根据所述节点影响因子计算模块的计算结果和所述链路影响因子计算模块的计算结果，进行归一化处理并进行判断，当得到的归一化处理后的值大于0.3时，将所述客运专线信号系统安全数据网的网络节点识别为所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点；经过所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点的链路为有故障的链路；所述客运专线信号系统安全数据网的网络节点有两种工作状态：正常工作状态ON和故障状态OFF，所述故障识别模块把所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点的工作状态变为所述故障状态OFF；最后再向所述拓扑生成读取装置发送所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点的设备ID和所述故障状态OFF；所述拓扑生成装置中的所述三层交换机信息生成模块对所述客运专线信号系统安全数据网中的三层交换机的信息进行读取并生成相应的信息；其中所述三层交换机信息生成模块包括三层交换机图形生成单元、三层交换机数据链路层协议读取单元、三层交换机网络层协议读取单元和三层交换机网络管理协议读取单元；所述三层交换机图形生成单元，用于读取客运专线信号系统安全数据网中三层交换机的拓扑信息，生成三层交换机的状态场景图；所述三层交换机数据链路层协议读取单元，在所述三层交换机图形生成单元生成出的所述三层交换机的状态场景图基础上，读取客运专线信号系统安全数据网中三层交换机的链路层协议；所述三层交换机网络层协议读取单元，在所述三层交换机图形生成单元生成出的所述三层交换机的状态场景图基础上，读取客运专线信号系统安全数据网中三层交换机的网络层协议；所述三层交换机网络管理协议读取单元，在所述三层交换机图形生成单元生成出的所述三层交换机的状态场景图基础上，读取客运专线信号系统安全数据网中三层交换机的网络管理协议；所述拓扑生成装置中的所述二层交换机信息生成模块对所述客运专线信号系统安全数据网中的二层交换机的信息进行读取并生成相应的信息；其中所述二层交换机信息生成模块包括二层交换机图形生成单元、二层交换机数据链路层协议读取单元和二层交换机网络管理协议读取单元；所述二层交换机图形生成单元，用于读取客运专线信号系统安全数据网中二层交换机的拓扑信息，生成出二层交换机的状态场景图；所述二层交换机数据链路层协议读取单元，在所述二层交换机图形生成单元生成出的所述二层交换机的状态场景图基础上，读取客运专线信号系统安全数据网中二层交换机的链路层协议；所述二层交换机网络管理协议读取单元，在所述二层交换机图形生成单元生成出的所述二层交换机的状态场景图基础上，读取客运专线信号系统安全数据网中二层交换机的网络管理协议；所述链路信息生成模块用于生成所述客运专线信号系统安全数据网中的链路的信息，包括链路图形生成单元、链路类型选择单元、链路数据包格式设置单元和链路带宽设置单元；所述链路图形生成单元，用于读取客运专线信号系统安全数据网中链路的拓扑信息，生成出链路的状态场景图；所述链路类型选择单元，用于选择所述客运专线信号系统安全数据网中的链路的类型参数；所述链路数据包格式设置单元，用于读取并存储所述客运专线信号系统安全数据网中的链路的所传输的数据包格式；所述链路带宽设置单元，读取并存储所述客运专线信号系统安全数据网中的链路提供的带宽；所述网络仿真模块包括有整网拓扑生成单元、业务流量解析单元、故障解析单元、数据统计单元；所述整网拓扑生成单元，将所述三层交换机信息生成模块、所述二层交换机信息生成模块和所述链路信息生成模块进行组合，生成整个所述客运专线信号系统安全数据网中的网络拓扑结构，并根据所述业务流量解析单元和所述故障解析单元的状态把数据发送给所述数据统计单元；所述业务流量解析单元分别解析所述业务流量模拟装置发送过来的所述数据流的源地址和目的地址和时间戳，并在整网拓扑生成单元中配置业务流量；解析出来的所述数据流的时间戳用于计算所述客运专线信号系统安全数据网中的网络拓扑结构中任意两个节点之间的延时；所述故障解析单元接收所述故障识别模块中发出的所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点的设备ID和所述故障状态OFF；并根据所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点的设备ID在生成的所述客运专线信号系统安全数据网中的网络拓扑结构中选择相应的节点和链路，然后根据所述故障识别模块来设置所述客运专线信号系统安全数据网中的有故障的网络节点的工作状态设为所述故障状态OFF；所述数据统计单元用于原始延时和原始丢包率的统计，并输出延时状态图和丢包率状态图以显示；所述业务流量模拟装置中的所述多个数据流发生模块用来产生所述数据流；每条所述数据流包括源节点、目的节点、数据包的大小、数据包的发包间隔；所述源节点包括列控中心、临时限速服务器、无线闭塞中心、车站联锁；所述目的节点包括所述列控中心、所述车站联锁、所述无线闭塞中心、所述临时限速服务器；所述源节点和所述目的节点的连接存在八种情况：所述列控中心与所述列控中心之间、所述列控中心与所述车站联锁之间、所述临时限速服务器与所述无线闭塞中心之间、所述临时限速服务器与所述列控中心之间、所述临时限速服务器与所述临时限速服务器之间、所述无线闭塞中心与所述车站联锁之间、所述无线闭塞中心与所述无线闭塞中心之间、所述车站联锁与所述车站联锁之间；对于所述八种情况中，每种情况对应的所述数据流中的所述数据包的大小由自相关函数进行决定；其中k为正整数，与时间间隔有关，H为在所述数据流中在所述八种情况中根据实际情况任意所设的参数，取值范围为0.5～1，从而求得C(k)；所述八种情况中，每种情况对应的所述数据流中的所述数据包的发包间隔均由关于时间的函数决定；其中d为正整数，是在所述数据流中根据所述八种情况实际运行情况所设的参数，取值范围为10～100；所述数据流合成模块，采用时域相加的方式将所述数据流进行叠加得到叠加数据流；所述数据流发送模块，将所述叠加数据流输出至所述拓扑生成装置；所述可靠性信息采集模块包括采集统计量单元、传输延迟信息缓存单元、丢包率信息缓存单元，并与所述数据统计单元相连；所述可靠性信息采集模块对所述数据统计单元所提供的所述原始延时和所述原始丢包率进行采集，并把采集结果分别存入传输延迟信息缓存单元和丢包率信息缓存单元进行处理，处理的数据结果发送给可靠性信息处理模块；所述可靠性信息处理模块与所述可靠性信息采集模块相连，对所述可靠性信息采集模块输出的所述数据结果进行均值采样，通过所述均值采样得到采样传输延迟数据和采样丢包率数据，并构成矩阵A(m×2)，其中m表示所述采样传输延迟数据或所述采样丢包率数据的维度；所述可靠性影响因子计算模块与所述可靠性信息处理模块相连，用于对采样传输延迟数据和所述采样丢包率数据依据可靠性影响因子公式进行影响因子计算，得到传输延迟影响因子和丢包率影响因子，判定所述采样传输延迟数据和所述采样丢包率数据对于所述客运专线信号系统安全数据网的可靠性的影响程度；所述可靠性影响因子公式包括数据预处理公式和影响因子计算公式，其中数据预处理公式为其中x为所述矩阵A(m×2)的第x个维度，x的取值范围是1～m，其中m为自然数；y取值1和2，当y＝1时，axy表示所述采样传输延迟数据，bxy为经过数据预处理后的值，即为传输延迟信息；当y＝2时，axy表示所述采样丢包率数据；bxy为经过数据预处理后的值，即为丢包率信息；所述影响因子计算公式为ey=-Σx=1m(bxy/Σy=12bxy)·log(bxy/Σy=12bxy),]]>Wy=(1/eylog(m))/Σy=12(1/eylog(m)),]]>其中：当y＝1时，Wy和ey分别为所述传输延迟影响因子和所述传输延迟信息的熵值；当y＝2时，Wy和ey分别为所述丢包率影响因子和所述丢包率信息的熵值；所述可靠性计算模块与所述可靠性影响因子计算模块以及所述可靠性信息处理模块相连，包括可靠性信息缓存单元和可靠性算法单元；所述可靠性信息缓存单元用于缓存所述传输延迟信息、所述丢包率信息，所述传输延迟影响因子和所述丢包率影响因子；所述可靠性算法单元与所述可靠性信息缓存单元相连，根据所述可靠性信息缓存单元提供的数据通过可靠性算法计算得到纵向可靠度，并将所述纵向可靠度发送可靠性纵向评价模块，所述可靠性算法为RELx=Σy=12Wy(bxy-max(b1yb2y...bmy))2/Σy=12Wy(bxy-min(b1yb2y...bmy))2;]]>其中，RELx表示经所述传输延迟信息和所述丢包率信息组成的第x个维度的纵向可靠度；所述客运专线信号系统安全数据网仿真结果收集及评价器中可靠性纵向评价模块与可靠性计算模块相连，用于比较纵向可靠度；所述可靠性评价指标模块用于提供评价指标，包括传输延迟上限值和丢包率上限值；所述可靠性横向评价模块和所述可靠性评价指标模块以及所述可靠性信息处理模块相连，由传输延迟可靠度计算单元、丢包率可靠度计算单元和缓存单元组成；所述传输延迟可靠度计算单元用于比较所述传输延迟上限值和所述传输延迟信息，若所述传输延迟上限值大于所述传输延迟信息，则传输延迟可靠度为1，若所述传输延迟上限值小于或等于所述传输延迟信息，则所述传输延迟可靠度为0；丢包率可靠度计算单元用于比较所述丢包率上限值与所述丢包率信息，若所述丢包率上限值大于所述丢包率信息，则所述丢包率可靠度为1，若所述丢包率上限值小于或等于所述丢包率信息，则所述丢包率可靠度为0；所述缓存单元用来缓存所述客运专线信号系统安全数据网的横向可靠度；所述横向可靠度用所述传输延迟可靠度与所述丢包率可靠度之和表示；所述可靠性评价模块与所述可靠性横向评价模块以及所述可靠性纵向评价模块相连，包括比较单元和综合评价单元；所述比较单元用于比较所述横向可靠度和所述纵向可靠度；所述综合评价单元与所述比较单元相连，依据比较的结果，得到客运专线信号系统安全数据网的可靠性；所述横向可靠度越高，客运专线信号系统安全数据网的可靠性越高，当所述横向可靠性相同时，所述纵向可靠度越大，则客运专线信号系统安全数据网的可靠性越高。