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.     

基于TSSM的城市轨道交通CBTC区域控制器建模与验证

针对安全状态机缺乏时间描述能力的缺点,利用反应式系统的同步设计方法,提出了时间安全状态机TSSM (timed safe state machine)建模方法,定义了弱变迁和同步变迁语法,建立了城市轨道交通ZC (zone controller)系统模型.首先,分析了ZC系统的运行环境、工作原理和功能需求,根据ZC反应式系统的特点,利用TSSM在SCADE (safety critical application development environment)中建立了ZC系统列车管理、ZC控制、MA计算和队列管理子模型;其次,通过ZC系统的TSSM网络模型,分析了子模型间的交互信息;最后,采用Lustre语言对ZC系统的安全特性进行了形式化描述,并利用Design Verifier模型检测工具,结合数据流验证了ZC系统的功能和性能需要.研究结果表明,ZC系统TSSM模型的安全性和受限活性均为有效,ZC系统完全满足预期的安全需求.      

基于元胞自动机模型的地铁列车折返间隔分析

科学、合理的仿真模型是研究地铁列车折返间隔的关键.本文建立的连续型元胞自动机模型,在参数设置上具有更好的适配性,且能有效缩短步长,以提高仿真精度从而更精确地模拟列车实际运行.该仿真基于列车运行状态,对移动闭塞地铁列车追踪运行及站后折返场景进行了仿真,得到的时间-距离图、距离-速度图及现场实测数据验证了模型的可用性及仿真...     

高速公路瓶颈区域可变限速阶梯控制方法

针对高流量条件下高速公路主线瓶颈路段交通流运行态势恶劣导致通行效率降低的问题,从高速公路瓶颈路段交通流时空特性出发,对元胞传输模型进行扩展,使其能够对瓶颈路段和可变限速条件下交通流运行情况进行描述;在此基础上,构建可变限速控制模型,并采用阶梯限速控制方法对主线交通流进行控制,防止限速路段车辆排队上溯影响上游匝道车辆的正常通行.算例仿真结果表明:本文提出的瓶颈区域可变限速阶梯控制方法能够有效缩短车辆行程时间,在可变限速条件下,与无控制和仅单路段主线控制相比,车均延误分别减少了13.78%和1.60%.      

快速路可变限速与匝道控制协同优化策略

可变限速控制和匝道控制是快速路交通控制的主要手段,本文对两者的协同优化策略进行了研究.借助智能车路协同系统强大的信息感知能力,通过引入微观交通流信息,对经典METANET模型进行了改造,构建了可变限速控制影响下的微观METANET模型,实现了一种新的可变限速控制策略,同时,采用ALINEA算法,对入口匝道进行了优化控制,实现了两者的协同优化.最后,基于实际道路和交通流数据搭建了仿真平台,对微观METANET模型和协同优化策略的有效性进行了验证.仿真结果表明,微观METANET模型具有良好的交通流预测效果,协同优化策略能有效地改善快速路交通流状态.     

铁路信号系统软件测试建模方法

针对铁路信号系统软件测试模型不能系统地描述测试需求的问题,提出风险时间状态机建模方法. 首先,分析铁路信号系统软件测试建模的特点,并提出建模需求;然后,以有限状态机理论为研究基础,在有限状态机的变迁和状态中分别扩展出时钟和风险等级元素,提出风险时间状态机建模方法,满足功能逻辑、时间约束和风险等级3个方面的建模需求,采用Z规格说明语言给出风险时间状态机的形式化定义和格局转移机制;最后,以计算机联锁系统中的道岔转换功能为例,建立风险时间状态机测试模型,并与时间自动机建模方法进行了对比,结果表明,建模方法上,所建立风险时间状态机比时间自动机节省62%的变迁数,描述能力更强,能够满足铁路信号系统软件测试的建模需求.      

基于六边形元胞自动机的船舶追越过程模拟研究

在分析、比较现有基于元胞自动机的船舶交通流模型的基础上,参考基于正六边形元胞自动机的行人疏散模型和道路交通流模型,提出一种基于正六边形元胞自动机的船舶追越模型.该模型中船舶运动空间根据实际情况分成大小合适的正六边形元胞,每艘船舶有包括静止在内的7个运动方向.取船舶速度的近似整数比作为元胞移动速度,基于船舶危险领域、船舶领域、动界制定更新规则,使用MATLAB仿真了开阔水域和受限水域2种情景下的船舶追越过程.研究结果表明:相较于受限水域,开阔水域船舶追越距离和横距更大、所用时间更长;该模型可较真实地反映实际的船舶追越过程,可为真实的船舶追越和评估航路规划起到一定的参考作用.     

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.      

考虑速度限制的连续交通网络设计问题

本文提出了一个考虑车速限制的双目标连续交通网络设计问题,旨在通过合理的路段拓展与限速策略提高网络交通运行效率和减少交通系统的环境污染.构建了一个双目标双层规划模型来描述提出的交通网络设计问题.其中,上层问题从交通管理者的角度出发,以系统总阻抗与总投资额之和最小及网络总的车辆尾气排放最小为目标,制定最优的网络设计方案和不同时段最优的限速方案;下层问题基于用户平衡准则,描述不同时段出行者的路径选择行为.设计了基于非支配排序的遗传算法对提出的双层规划模型进行求解,并采用数值算例验证了提出的模型与算法的有效性.     

基于模型的CTCS-3级列控系统测试案例自动生成方法

为了提高CTCS-3级列控系统测试案例生成效率,提出了基于混合通信顺序进程(hybrid communication sequential process, HCSP)形式化模型和时间自动机(timed automaton, TA)形式化模型的列控系统测试案例自动生成方法;建立了列控系统运营场景的时序模型,分析了列控系统运营场景规范中时序功能的正确性;在时序模型的基础上,设计了满足全状态、全变迁和自定义-使用3种领域无关覆盖准则的列控系统测试案例自动生成算法,并以RBC(radio block center, RBC)切换场景为例,生成了100%全状态、全变迁和自定义-使用覆盖准则的测试案例套.从测试套数量、测试时间和内存消耗3个方面分析测试案例的生成效率表明:自定义-使用覆盖准则的测试案例套测试时间和内存消耗最小,分别为0.02 s和9.4 MB,本文方法提高列控系统测试案例生成效率最大达30%.      

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.      

高铁CTCS-3级列车运行控制系统轨道电路建模与仿真

CTCS-3级列车运行控制系统是我国高速铁路的核心系统之一,是铁路安全运输的重要保障。构建列车运行控制系统仿真测试平台,对于分析列控系统性能,验证列控系统功能具有重要意义。本文分析了CTCS-3级列控仿真测试平台中轨道电路模块的设计与实现,完成了轨道电路占用检查功能和轨道电路码序编制功能,并进行了轨道电路分路不良情况的识别与防护。     

基于HCPN的列车运行调度模型分析

结合已有的列车运行调度模型,采用Petri网分析方法对列车运行调度模型在理论上进行了分析和证明,指出模型具有结构有界性、部分守恒性、活性等离散性质以及调度库所的作用,保证了模型的正确性和有效性．通过对模型的分析,得出列车运行调度问题的本质是一个最优控制问题．     

铁路客运专线列控系统的设计

客运专线是国家“中长期铁路网规划”的重要组成部分。作为高速铁路运行安全保障的信号系统中的CTCS-3列控子系统国内尚未制定技术要求,可通过引进与CTCS--3列控系统技术标准相近的欧洲成熟运用的ETCS--2系统,再结合我国路情进行适应性修改,通过消化吸收再创新,最终形成具有自主知识产权的CTCS--3级列控系统。本文介绍了时速300km的客运专线列控系统的主要组成及其功能。