高铁信号系统安全关键功能测试建模方法

测试模型是高铁信号系统安全关键功能测试用例编制的重要基础,针对高铁信号系统安全关键功能测试建模过程中描述信号系统领域特征不够全面的问题,提出时间状态机测试建模理论和测试用例生成方法. 分析高铁信号系统测试建模的特点,提出信号系统安全关键功能测试模型的建模需求;以有限状态机理论为研究基础,结合功能逻辑和时钟约束提出时间状态机建模方法,采用Z规格说明语言给出时间状态机的形式化定义;将时间状态机转换为时间自动机,证明转换之间的一致性,并基于时间自动机的测试理论自动生成测试用例,再以计算机联锁系统中的道岔转换功能为例,建立时间状态机测试模型并生成测试用例. 最后,将两种方法生成的测试案例进行对比,结果表明:在功能逻辑方面,基于时间状态机建模方法生成的测试案例100% 地覆盖了基于时间自动机建模方法生成的测试案例,并新增了16条具有时钟约束的测试案例,能够满足高铁信号系统安全关键功能测试建模的需求.      

车路协同混合交通场景要素解析与测试案例生成

面向混合交通环境下多车效率类和单车安全类场景测试需求,研究了基于混合交通场景要素解析的车路协同测试案例生成方法;为提高测试案例的多样性和覆盖度,分析了混合交通特征要素相互作用机理,构建了混合交通场景要素层次模型,提出了场景要素重要度的一致性描述指标,并在此基础上建立了测试案例复杂度模型;针对多车效率类场景仿真测试,提出了复杂度激励的组合测试案例生成方法,设计了场景要素强耦合组合策略;针对单车安全类场景仿真测试,提出了基于复杂度聚类的蒙特卡洛测试案例生成方法,设计了风险场景特征参数抽样机制;选取车路协同混合交通典型场景开展仿真试验,验证了提出的测试案例生成方法的有效性。研究结果表明,对于多车效率类混合交通高速公路匝道合流场景测试,提出的方法比传统成对测试方法的场景最大复杂度提高了11.93%,高复杂度场景占比提高了60.02%,测试案例覆盖度提高了12.08%;对于单车安全类车路协同换道预警场景测试,提出的方法比传统蒙特卡洛测试方法的危险场景数提高了195%,且其参数估计误差降低了5.95%,高风险场景数提高了119%,且其参数估计误差降低了4.78%。可见,提出的方法能够提高测试案例的...     

基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法

为了研究高覆盖已知故障集的中国列车运行控制系统三级（CTCS-3）测试案例生成方法，提出了一种基于输入输出时间自动机（TAIO）变异分析的测试案例生成方法. 结合列控系统模式转换的故障特点，设计了包含模式转换已知故障的8种变异算子（改变行为、改变目标位置、改变源位置等），形成了15 106个变异体；利用输入输出一致性关系（tioco）和k-Bounded模型检验方法生成了10 843个测试案例；应用一致性关系分数（CRS）、平均一致性关系分数（ACRS）和加权一致性关系分数（WCRS）进行了故障覆盖度的分析. 研究结果表明:该方法设计和生成的测试案例能够有效覆盖改变行为、改变不变量和增加sink位置3种故障模式，而对于约束取反和复位取反的故障模式覆盖度不高，需通过额外的观测信息来检测故障.      

CTCS-3级列控系统车地交互流程形式化建模与验证

正在建设的时速300 km/h以上的高速铁路已采用CTCS-3级列车运行控制系统.车地信息交互流程是影响CTCS-3级列控系统的效率、可靠性和安全性的主要因素之一.基于时间自动机理论对车地交互流程进行建模与验证具有重要意义.首先将车地交互流程分为4个典型的子流程：任务启动流程、正常行车流程、RBC切换流程和任务结束流程,然后针对这些子流程建立无线闭塞中心（RBC）、车载设备（ATP）和铁路专用移动通信网（GSM-R）的时间自动机网络模型,最后利用时间自动机模型验证工具UPPAAL进行仿真分析,验证了CTCS-3级列控系统的车地交互流程的安全性和受限活性.     

基于CPN高铁临时限速数据融合方案验证

高速铁路列控系统中C3单元和C2单元相对独立控车,两套系统中的列控数据在系统层之间缺乏共享和约束机制.本文在分析系统结构和数据传输特性的基础上,提出一种基于数据融合,提升高速铁路临时限速安全性的方案,并利用有色Petri网（CPN）对融合方案进行建模.通过仿真软件分层和赋时功能构造系统顶层模型、临时限速生成子模型、故障子模型、融合子模型和时间序列,模拟临时限速信息传输过程中的系统状态和行为.仿真结果表明：在故障注入情况下,数据融合方案在一定程度降低了错误数据的输出,提高了系统的安全性.     

考虑船舶封存与压港的电煤船舶调度优化模型

针对中国电煤水运系统的实际特点, 综合考虑了船舶封存与港口拥堵(压港)因素, 建立了混合整数规划优化模型, 对电煤船舶调度方案进行优化; 基于运输需求的硬时间窗、卸货港船舶排队等待时间与水路-铁路运输协同三因素之间的互动关系, 以运输系统总成本最小为目标, 协同优化水、铁电煤运输的货运分担率、水路运输任务指派和相应的船舶调度与封存/启用方案; 基于改进列生成算法, 提出了一种可精确求解实际规模电煤船舶调度问题的列生成算法, 利用Gurobi求解列生成的主模型, 使用动态规划标号法求解列生成的子模型; 利用中国南部某火力发电集团的实际数据, 对提出的算法进行了算例分析。计算结果表明: 在中等规模的算例中, 使用提出的改进算法获得最优解仅需73.61 s, 相比于使用基于运输任务运量排序的启发式求解方法(PHA), 求解效率提高了18.1%;在较大规模的算例中, 使用提出算法的计算时间仅为222.02 s, 同比PHA, 计算效率提高了19.1%;通过求解一个实际的调度问题可以发现, 利用提出的优化模型和算法能有效缩短船舶在卸货港的等待时长与船舶处于启用状态的时长, 使运输总成本下降17.13%, 实现了电煤稳定运输, 提升了企业运营效率, 降低了运营成本。      

LTE-R认证与密钥协商协议的安全分析及改进

安全高效的车地身份认证方案是铁路安全运行的基础,结合列控系统数据安全传输对移动通信系统的需求和铁路无线通信网的发展方向,提出一种基于伪随机数和哈希函数的LTE-R车地通信身份认证协议。设计了由国际移动用户识别码(IMSI)和随机数生成的能够替换IMSI传输的匿名身份(PID),解决了由IMSI泄露导致的安全问题;利用临时生成的认证密钥NK代替永久根密钥K完成认证流程,提高了根密钥K的安全性。利用认证测试方法对协议的正确性进行了证明。分析证实,本文提出的LTE-R身份认证方案具有很好的安全性和匿名性,计算效率与通信消耗较好。     

基于列生成启发式的单线电动公交车与司机整合调度优化

在考虑电动公交车里程约束与司机连续工作时间和总工作时间约束的基础上,研究单条 公交线路的电动公交车与司机整合调度问题,即将给定时刻表车次分配给电动公交车和司机,同 时,生成车辆运营计划和司机排班计划,设计基于列生成启发式方法求解提出的整合调度问题。 列生成方法用于生成线性松弛最优解,将整个问题分解为一个主问题和两个定价子问题。其中, 主问题从可行车辆行车路径集合和司机车次链集合中选择最优的司机车次链和电动公交车行车 路径,覆盖所有车次,并保证车辆运营计划产生的空驶弧都被司机排班计划覆盖;定价子问题描 述两个基于时空网络的资源约束最短路问题,分别用于生成可行的车辆路径和司机车次链,并设 计深浅算法得到整数可行解。使用合肥市3条公交线路随机生成算例检验提出算法的有效性。     

基于可靠度的单轨道交通施工区建设方案优化

为降低城市轨道施工对交通流的影响,建立了基于可靠度的施工区形式及建设时序综合优化模型.施工区的规定阈值时间与实际行程时间之差大于零的概率为可靠度,分别建立交叉口及路段施工区的可靠度模型.定义可靠度与施工时长之积为施工效率系数,以全施工周期效率系数折减最少为目标,建立施工区建设方案综合优化模型,优化施工区形式及建设时序.西安市轨道交通汉城南路站方案的测试结果表明,施工区形式及建设时序会使道路交通可靠度产生不同程度的折减.该方法可为城市轨道交通施工方案的制订提供理论依据.     

高速公路电子不停车收费系统仿真测试实践

为测试验证高速公路电子不停车收费系统是否满足用户需求,提出了一种新的仿真测试方法和工具.对高速公路电子不停车收费系统运行环境进行建模,通过交通仿真模拟测试用例场景行为,基于传感器仿真模型生成测试数据,对部署在等效虚拟机环境上的被测系统实施测试.以某省真实高速公路不停车收费系统作为应用案例进行测试,试验结果表明,仿真测试有效地验证了被测高速公路电子不停车收费系统的功能和性能指标,且测试过程无需使用任何传感器及车辆等设备,有效降低了测试成本,测试工具操作便捷易用,可实现自动或半自动化测试,提高了测试效率.     

基于窗口导航有向图的GUI测试覆盖准则

为评估图形用户界面（GUI）测试用例集的充分性,提出了基于窗口导航有向图的覆盖准则.用有向图中的顶点表示GUI中的窗口,弧表示用户输入,描述用户与GUI的交互关系.基于窗口导航有向图,提出了顶层窗口覆盖、用户输入覆盖和n长度用户输入序列覆盖准则,并设计了相应的覆盖率算法.实验结果表明,符合这些覆盖准则的测试用例集能够达到90%语句覆盖率,且使故障发现率达到79%.     

无线闭塞中心测试案例生成方法

应用基于功能特征的测试案例生成方法,研究了无线闭塞中心的功能结构,提取了无线闭塞中心的功能特征,得到了无线闭塞中心的功能特征列表。针对无线闭塞中心的每个功能特征,编制了测试案例,将测试案例串联成电子化的测试序列。根据中国高速铁路列车运行控制系统的规范和要求,构建了无线闭塞中心的仿真测试平台,编写了试验步骤和XML程序文件。在无线闭塞中心测试平台上,测试了包含注册与启动、行车许可、停车与注销、通信网络故障、RBC切换5个运行功能的3个测试序列。测试结果表明:在常温常压下,列车速度低于350 km.h-1且仅有一趟列车运行的条件下,无线闭塞中心可不间断工作至少90 min,功能正常。可见,方法有效。     

基于物元-阴性选择算法的轴箱轴承故障检测

针对高速列车轴箱轴承故障数据获取困难的问题，提出了一种无需先验知识的利用物元和阴性选择算法进行轴承故障检测的方法. 首先利用多维物元构建阴性选择算法的检测器模型，以检测器与训练样本之间的综合关联度作为匹配规则，并在综合关联度约束范围内引入控制参数，实现检测器对非己空间的更大覆盖；其次，根据匹配规则和控制参数构建适应度函数，采用粒子群优化算法生成候选检测器，分析控制参数对检测器生成和粒子群优化算法收敛速度的影响；此外，为降低候选检测器集合的冗余度，基于关联度提出了检测器特征参数区间的合并规则，将成熟检测器个数降低至18个；最后，通过信号模拟方法生成轴箱轴承的各类故障信号，建立100组测试样本，并利用18个成熟检测器进行故障检测. 研究结果表明:成熟检测器对不同类轴承故障均具有较好的检测性能，正常样本的检测器激活率为1.11%，故障样本的检测器激活率不低于96.67%.      

基于两阶段算法的运行图与天窗协同优化

列车运行图铺画与天窗设置存在相互影响,相互制约的耦合关系,为了达到优化列车运行图结构,合理配置铁路运力资源的目的,在分析天窗与列车运行动态影响关系的基础上,以天窗设置对列车运行线铺画影响最小为目标,建立了列车运行图与天窗协同优化的混合整数规划模型.考虑问题复杂性,设计了包含初步优化和综合优化的两阶段求解算法.初步优化阶段采用基于专家经验的启发式算法得到列车运行图的大体框架,综合优化阶段利用禁忌搜索算法获取全局最优解.最后以宝成线(阳平关—成都)为例进行有效性验算.结果表明,相较于人机交互编制所得运行图,优化得出的运行图中所有客货列车在途经车站的总停留时间降低了6.19%,共减少1 355 min,其中旅客列车和货物列车在站停留时间分别降低了3.08%和7.40%,减少总时间分别为189 min和1 166 min.     

客货共线无砟轨道钢轨支点压力时程特性分析方法

采用Tekscan压力测量系统现场测试了遂宁—重庆客货共线无砟轨道钢轨支点压力, 提出了高斯函数型钢轨支点压力时程表达式, 并通过现场实测数据对其进行验证; 根据钢轨支点压力时程表达式, 采用时序式加载法对轨道结构模型施加荷载, 并将其动力响应结果分别与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型的计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明: 现场实测客货车对钢轨支点的最大压力分别为29.91和82.49 kN, 与中国铁道科学研究院测试结果的相对误差小于20%, 故Tekscan压力测量系统可精确测试钢轨支点压力; 高斯函数拟合所得客货车对钢轨支点压力的时程曲线与实测曲线的相关系数分别为0.962 7和0.966 7, 最大压力与现场实测值的相对差异分别为5.15%和0.46%, 最小压力与现场实测值的相对差异分别为7.23%和24.11%, 故采用高斯函数能较好地模拟客货车对钢轨支点压力的时程曲线, 且货车作用下钢轨支点压力时程的模拟精度略高于客车; 基于时序式加载法的荷载激励-轨道-路基模型计算结果与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型计算结果和现场测试结果相比, 轨道板最大位移相对差异分别为5.41%和2.70%, 底座板最大位移相对差异分别为2.86%和5.71%, 轨道板最大加速度相对差异分别为14.00%和23.20%, 底座板最大加速度相对差异分别为13.61%和8.73%。可见, 基于时序式加载法和高斯函数型钢轨支点压力时程表达式的荷载激励-轨道-路基模型可靠, 该方法无需建立车体模型, 既能保证计算效率, 又具有很高的精度。      

列控车载设备控制程序及参数远程实时更新方法

针对既有列车控制系统不具备对车载设备控制程序及参数进行远程在线实时更新功能的问题,提出一种基于无线传输和嵌入式的列控车载设备控制程序与参数实时更新方法,在无线机车信号实际应用测试中表明,所实现的程序更新机制具有较高的适应性和可靠性,可有效提高运营中的车载设备程序升级效率,提高了对列车控制的安全性,降低了系统维护成本.     

面向大客流的城轨备用车投放车站选择与优化模型

为快速疏解城轨线路上车站的大客流，减少乘客的等待时间，研究了备用车投放问题; 在考虑列车追踪关系、列车停站时间等约束的基础上，建立了综合备用车投放时机确定、投放最佳车站选择和时刻表动态调整的多目标优化模型; 界定了城轨备用车开行条件，提出了城轨备用车投放时机的定量化判定方法; 用0-1变量表征车站是否具备备用车投放条件，并将其作为模型输入，以减小大客流车站乘客等待时间和降低运行图偏离时间(延误时间)为优化目标，构建了备用车投放的混合整数非线性规划模型，该模型通过比较不同的备用车投放方案效率得到最佳的备用车投放车站和后续开行计划; 为同时求解0-1变量与连续变量，设计了带惩罚函数的改进粒子群优化算法求解模型。研究结果表明:该方法可对所有符合备用车开行条件的车站制定投放方案，并进一步筛选出最优的备用车投放车站，最多可减少1 318 209 s的乘客等待时间，优化效率为21.9%，且改进的粒子群优化算法对混合整数非线性规划模型的适用性较好; 相比于既有城轨线路列车运行调整和时刻表优化方法，本文提出的方法在应对突发大客流的备用车投放时机上做出了更加定量化的判断，优先考虑了大客流车站的疏解能力和效率，并优化了备用车与后续列车的开行方案，可以有效解决高峰时段车站大客流问题。      

城市轨道交通列车控制仿真模型研究

列车运行控制系统的应用,有效地提高了城市轨道交通的运行效率.由于缺乏相关的技术参数,应用传统牵引计算理论方法的列车运行控制仿真系统,若未充分考虑系统控车的特性,在工程应用中控制的精度将无法保证.本文着重考虑信号系统工程设计的限制条件,将列车的加减速性能和速度控制策略作为主要研究对象,构建基于能量守恒原理和信号控制条件的列车速度控制仿真模型.在此基础上设计仿真模型,实现所需要的系统功能结构和仿真流程,并开发形成软件系统.在实际运行线路案例研究中,与采用通用列车运行仿真系统获得的结果比较,验证本文所建仿真模型的精度和工程适用性.