稳定性的双信道蜂窝传输系统分析：基于RFID的铁路基础设施监测——连续时间马尔可夫链方法

《Telecom》：Stability Analysis of a Dual-Channel Cellular Transmission System for RFID-Based Railway Infrastructure Monitoring: A Continuous-Time Markov Chain Approach

　　

摘要

在大多数铁路分局，自动化与遥测现场设备的计划检查结果仍以纸质形式记录。此类记录到达工程管理层存在延迟、容易丢失且难以核验。本文研究了数字巡检综合体的数据传输核心，其中无源RFID标签用于识别设备和人员，巡检记录通过混合蜂窝架构传输至云服务器，该架构结合了易故障的GSM信道与可靠的CDMA信道。为量化此类系统的稳定性，构建了连续时间马尔可夫链（Continuous-Time Markov Chain, CTMC）模型，将链路表示为具有一个不可靠服务器的M/M/2/K队列：两个信道并行承载流量，在GSM中断期间仅由CDMA信道维持服务。已接受的记录在信道切换期间得以保留；仅有在共享缓冲区已满时到达的记录被拒绝。在常规负载且缓冲区m ≥ 5的条件下，该残余溢出损失低于0.1%，仅在事件后过载情况下达到约2.8%。模型参数在Hamza站46台转辙机上运行的基于ESP32的扫描仪综合体上实测获得。三种负载情景下的计算表明，将本地缓冲区增大至超过m = 5后收益递减而延迟持续增长，且系统弹性主要由冗余信道的存在和足够的缓冲能力决定，主信道恢复率则属于次要因素。

论文解读

一、研究背景与问题

铁路运输安全高度依赖自动化与遥测现场设备的可靠运行，包括转辙机、信号机、轨道箱、平交道口信号及继电器柜等关键设备。这些设备的功能完好性依赖于信号技术员和电工按照严格监管周期执行计划巡检。然而，当前大多数铁路分局中，这些巡检结果仍以纸质技术图表记录：机械师携带纸质图表至现场手工填写，之后再进行汇总归档。由于缺乏缺陷发现时的自动预警，从缺陷被观察到的时刻到信息传达至工程管理层的时刻之间存在显著时间延迟。纸质记录在实践中还可能丢失或被事后补填，且无法确认巡检是否确实在设备位置执行。

为数字化转型该流程，两项关键技术构成基础：第一是自动识别技术——固定在设备上并由人员携带的无源RFID标签将巡检事件的登记简化为数秒的非接触式刷卡操作，结合GPS定位与服务器端验证，可实际排除巡检记录伪造的可能；第二是无线数据传输技术——记录须近实时到达服务器，铁路环境下由蜂窝标准提供支持：GSM作为广泛可用的主信道，CDMA作为第二条抗干扰信道。

然而，传输信道本身是此架构中最不可靠的环节。在轨道层面，GSM面临拥塞、基站间覆盖间隙及GPRS会话失败等问题。若系统依赖单一信道，每次中断要么导致巡检记录丢失，要么使其延迟到达从而使数字日志失去实际价值。因此，在系统可被推荐广泛部署之前须回答若干问题：具有不可靠主信道的双信道方案实际提供何种稳定性？本地缓冲区应设置为多大？哪个参数——缓冲容量、信道恢复率或服务强度——对监测闭环的弹性影响最强？

二、研究内容与结论

研究人员针对上述问题，建立了双信道传输系统的连续时间马尔可夫链（CTMC）模型，其中GSM为易故障信道，CDMA为第二条可靠信道，在正常情况下并行服务，在GSM中断期间单独承担服务。模型参数在运行中的硬件—软件综合体上实测获得——该综合体为基于ESP32的RFID扫描仪群，配备云后端，在Hamza站46台转辙机上开展试点。对于每种负载情景，模型给出投递效率、丢失概率、可用性及延迟特性等指标。

研究得出以下核心结论：在常规负载下，双信道系统几乎无丢失运行（m ≥ 8时丢失概率可忽略）；将缓冲区从m = 1增大至m = 5可使投递效率显著提升（λ = 70时从0.872升至0.985），但继续增大至m = 10仅增加1.3个百分点，同时平均等待时间持续增长。敏感性分析表明，系统弹性主要由冗余备份信道的存在和足够的缓冲能力决定，主信道恢复率为次要但不可忽略的因素。该研究填补了现有文献空白：尚无公开工作将具有不可靠主信道的GSM/CDMA双信道传输系统的连续时间马尔可夫模型与运行中铁路车站实际部署的RFID巡检综合体相结合。

三、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）连续时间马尔可夫链（CTMC）建模方法，将传输链路表示为具有一个不可靠服务器的M/M/2/K排队系统；（2）稳态平衡方程求解方法，通过链的平衡方程结合归一化条件获得稳态概率分布，进而计算丢失概率、投递效率、吞吐量、可用性及延迟等性能指标；（3）现场实测参数估计方法，故障率与恢复率直接依据Hamza站试点部署中GSM信道的实测行为估算（每扫描失败率约4.5%，可用性K_av ≈ 0.955，平均中断约1分钟）；（4）敏感性分析方法，在代表性工作点（λ = 70，m = 5）对恢复率γ、故障率ν及备份信道可用性进行参数扫描。模型中采用三种到达强度情景：λ = 40（常规计划巡检）、λ = 70（密集维护活动）和λ = 100（事件后大规模诊断），服务强度μ = 60条消息/小时（对应约1分钟的完整GSM/GPRS传输会话时长）。

四、研究结果

4.1 常规负载下的系统性能

当两个信道均正常运行时，总传输容量为2μ = 120条消息/小时。即使在所考虑的最重负载（λ = 100）下，利用因子ρ = 0.83；在活动负载λ = 70下，ρ = 0.58。系统以短队列稳定运行：在λ = 70且m = 5时，平均队列长度L_q低于0.7条消息，平均等待时间W_q约半分钟。实测的主信道可用性K_av ≈ 0.955与可靠第二信道相结合，在常规负载下当缓冲区达到m ≈ 6时投递效率Q ≥ 0.999——该水平完全满足近实时监测需求。表2显示，常规负载下m = 4时丢失概率已低于0.3%，m = 8起可忽略不计。

4.2 信道故障（临界状态）分析

GSM信道故障时，负载仅由CDMA信道承载，服务能力从2μ降至μ = 60条消息/小时。此时λ = 70的到达率超过剩余容量17%（ρ = 1.17），λ = 100时超过67%（ρ = 1.67）。过载状态是瞬态的，因为主信道平均恢复时间短（试点中1/γ ≈ 1分钟）。一次中断内预期队列累积在λ = 70时仅为(λ ? μ)/γ ≈ 0.17条记录，λ = 100时约为0.67条记录，共享缓冲区（m = 5时C = m + 2 = 7）可轻松吸收。然而若平均恢复时间延长至约1小时，任何实际缓冲区大小下丢失都将不可避免。

4.3 敏感性分析：恢复率、故障率与备份信道

恢复率γ的影响：平均GSM中断时长从1分钟延长至10分钟时，丢失概率从约1.5%升至约5.4%。恢复率的影响主要通过中断持续时间体现，中断短时边际效应饱和。

故障率ν的影响：在合理范围内（可用性99%至75%），丢失概率仅从约1.3%变化至约2.8%，故障频率在所观测区间内属二阶影响。

备份信道的影响：这是主导因素。移除CDMA恢复为单不可靠信道时，在相同工作点丢失概率从1.46%跃升至约23%，即增加超过一个数量级，且该差距在所有缓冲区大小下持续存在。冗余信道而非缓冲区是保持低丢失率的关键因素。

4.4 运行层面与动态预留

RFID子系统使服务强度μ保持高水平：单个巡检事件的登记仅需数秒而非手工记录的数分钟，这保证了标准模式下低利用率及临界模式的可生存性。三种可互换RFID载体的冗余原则（手机背面贴片标签、员工ID卡、腕带）以与CDMA分支保护传输链路相同的方式保护人员环节，任一载体失效不会中断监测闭环。运行中，缓冲区占用达到m = 5的状态可作为预防措施的触发条件。

4.5 经济效率

经济效益有四个来源：消除纸质记录释放技术人员工作时间；自动验证（GPS确认、"未知设备"和"未授权员工"标记）消除虚假巡检造成的损失；Web界面中过期巡检自动统计为管理提供客观规划工具；低成本组件构成（ESP32、MFRC522、SIM800L等量产模块，无源RFID标签成本极低，贴金属安装问题以木质垫片解决而非专用铁氧体标签）。

五、讨论与结论

讨论要点：（1）标准运行模式下系统稳定运行；（2）临界状态下过载的瞬态特性使共享缓冲区可吸收短时中断；（3）模型具有人员侧的运行解释意义；（4）经济效率在四个层面体现。

研究结论：论文提出了基于连续时间马尔可夫链的分析框架，用于评估铁路现场设备监测双信道数据传输系统的运行稳定性。理论贡献在于：模型对缓冲区问题给出定量回答——在研究的负载范围内，将本地缓冲区从m = 5进一步扩大的投递效率收益仅为0.1至4.8个百分点，而数据延迟持续增长；系统弹性主要由备份路径的存在和足够的缓冲能力决定，主信道恢复强度γ为次要但不可忽略的因素。该框架将双信道不可靠主信道装置迁移至铁路监测领域，并以队列迁移纪律扩展——所有已接受记录在信道故障期间得以保留，唯一损失为到达遇满缓冲区时被拒绝的记录。实际意义在于：配备三种可互换载体的RFID识别子系统将巡检登记时间从分钟缩短至秒级，并消除了人员环节的单点故障；RFID识别、GSM/CDMA混合传输和云验证的组合架构在Hamza站46台转辙机上完成试点部署与测试，实测主信道可用性约95.5%，由于可靠备份信道，在适当缓冲下常规负载的整体投递效率超过99.9%，且借助逐设备登记机制，系统可在无需轨道旁施工的条件下扩展至整个铁路网络。