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.     

基于增强型BN的CTCS-1级ATP可靠性研究

结合CTCS-2级与CTCS-3级列控系统设计和运用经验,铁路总公司提出了CTCS-1级列控系统的研制需求,该系统车载ATP设备将取代LKJ与机车信号对既有线列车的控制.本文以CTCS-1级ATP为主要研究对象,对比分析模块级冗余与系统级冗余方案下CTCS-1级ATP系统可靠性.根据CTCS-1级列控系统总体技术方案,构建模块级冗余与系统级冗余ATP可靠性框图,建立对应增强型贝叶斯网络(BN)模型.借助增强型BN正向推理,求解两种设计方案下ATP可靠性定量指标,评估两种设计方案的优劣.利用增强型BN模型逆向推理,求解列车超速防护(ATP)设备故障下基本单元条件失效概率,查找两种冗余设计方案的潜在薄弱环节.评估结果表明:两种方案下CTCS-1级ATP RAM指标均满足需求规范要求,但采用模块级冗余设计的CTCS-1级ATP RAM指标更优;外围冷备模块条件失效率明显高于其他模块,为CTCS-1级ATP的薄弱环节.     

车车通信系统中车地控制机理分析及验证

车车通信系统是一种以列车为中心的控制系统,取消了轨旁联锁系统,列车直接与地面对象控制器通信进而控制道岔。这种车地直接控制方式提高了系统效率的同时,也成为系统的关键安全因素。为了实现车车通信系统中的车地设备安全控制,提出唯一秘钥实现控制流程,为了验证其安全性,使用基于标签转移系统的形式化方法进行验证。基于车车通信系统的控制机理和车地控制场景,建立唯一秘钥的车地控制流程的形式化模型,并LTSA软件对模型进行安全检测,最后通过实例验证了车地控制流程的可行性和有效性。     

CTCS-1级列控系统无线广播通信场景建模与验证

在高铁线路故障情况下,为了支持高铁动车组在普速线路上运行,国铁集团组织研究了高铁动车组利用普速线迂回运行系统.该系统车地间无线通信拟采用的无线单向广播方案,在现有的列控系统中从未使用过,对其进行建模与验证研究具有重要意义.通过分析CTCS-1级列控系统的总体技术规范,对无线广播通信场景进行详细设计和完善,采用SysML语言对场景建模,通过设计SysML-PRISM模型的转换规则将场景的SysML模型转换为概率模型,得到由信道模块、车站数据服务器（Station Data Server, SDS）模块、列车模块构成的无线广播通信场景概率模型,采用概率模型检验工具PRISM对场景的概率模型进行描述和验证.结果表明：场景设计合理、无线单向广播通信方式可行、SDS规定的优先发送报文的次数应该为2次或3次.本文中对无线广播通信场景的研究能提早发现系统技术方案中可能存在的问题,为相关研究提供参考.     

CTCS-3级列控车载设备的形式化建模与验证

CTCS-3级列控系统安全苛求性较高,而列控车载设备是CTCS-3级列控系统的主体,主要功能是对列车进行操纵和控制,保证列车安全运行的关键。通过分析CTCS-3级列控车载设备之间的信息交互以及车载安全计算机中工作模式的转换规则,采用有色Petri网(CPN)建立车载设备的信息交互模型以及工作模式转换模型,使用ASK-CTL分支时序逻辑公式验证了模型的死标识、死锁以及分析工作模式下的系统行为等特性,验证构建的CPN模型符合系统规范要求的流程及规则,可为相关安全苛求系统的设计提供一定参考。     

基于“撞硬墙”和“撞软墙”相结合的高速铁路列控系统控车方法研究

压缩列车追踪间隔可以显著提升行车密度，优化列控系统的控车方法是压缩追踪间隔的重要手段。目前常见的“撞硬墙”控车模式在效率上存在很大冗余，“撞软墙”控车模式又无法保证行车的绝对安全。因此提出“撞硬墙”和“撞软墙”相结合的控车模式，在保证列车绝对安全的前提下压缩列车追踪距离。给出了对该控车模式优化的基本原则，并针对该模式下前车速度无法获取、控车曲线无法满足约束的问题，探讨了基于轨道电路信息的列车速度估算方法和满足相关约束的控车曲线生成技术。以CRH380BL列车为例，编制求解程序获取了优化后的列控减速度建议取值，新控车模式下平直道上列车追踪距离可压缩3 035 m,区间追踪间隔时间可压缩31 s。这对提升高铁运营效率和线路通过能力有重要意义。     

超高速列车车地无线通信系统性能分析

为了解现有通信系统在超高速移动场景下的性能,利用系统级仿真平台分析在超高速(600 km/h)磁悬浮列车场景下的LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)、5G两种网络系统性能.研究两种通信系统下基于位置的车地通信误码率(Block Error Ratio,BLER)、频谱效率(Spectral Efficiency,SE)以及吞吐量仿真结果,并对网络性能进一步分析.仿真结果表明,LTE-A与5G系统在频谱效率和吞吐量方面可以较好地支持超高速磁悬浮列车列控业务通信,但随着磁悬浮列车远离基站,BLER逐渐上升,最终达到10-1以上,无法有效保障车地通信质量.     

CTCS-3列控系统中RBC的功能需求及切换

无线闭塞中心（RBC）是CTCS-3级列控系统中的核心设备,负责根据地面设备提供的信息及与车载设备的交互生成行车许可,使列车在RBC的管辖范围内的线路上安全运行,RBC与车载设备之间通过专用无线通信系统即GSM-R网络进行信息的互换。该文对CTCS-3列控系统中RBC的功能需要进行了分析；采用配备2部通信电台的车载设备进行了RBC切换过程分析,并在此基础上运用状态分析法对RBC切换过程进行了形式化建模和验证。     

CTCS-2级列控系统中应答器设置的探讨

由于轨道电路传输信息的局限性（18信息）,CTCS-2级列控系统增加了应答器作为车-地信息传输的补充设备,以确保列车能够获得足够的地面信息生成目标-距离模式曲线监控列车运行。因此,应答器设置的正确性与合理性将直接影响铁路行车的安全和运输的效率。     

基于强化学习的新型列控系统区间行车间隔控制方法

列车间隔控制是保证列车运行安全和提高列车行车密度的关键.基于车-车通信的新型列控系统能够感知更多的列车运行环境信息,缩小列车行车间隔,提升列车运行效率.本文将列车速度控制视为一个决策过程,采用强化学习算法来实现新型列控系统中列车区间速度的实时控制.首先,结合车-车通信获得所处环境的列车状态信息,采用蒙特卡洛树搜索算法实时生成列车动态速度调整序列;然后,通过动态规划算法对序列进行分析处理,并在此基础上,确定列车当前时刻所应采取的速度控制策略;最后,仿真模拟了多车在不同初始条件下的列车间隔控制运行场景.仿真结果表明,在相同场景下强化学习算法对比模糊控制算法在行车间隔控制的响应速度、调节时间、总体波动以及超调量上具有一定的优势.     

基于异质链路联动切换的V2I/V2V协作传输策略

随着新一代无线通信技术的发展和交通业务需求的不断增长，车联网（Internet of Vehicle,IoV）作为智能交通领域的重要组成部分得到了快速发展.车辆在高速行驶过程中位置分布的随机性导致IoV网络拓扑结构变化频繁，对用户的信息传输造成极大的影响，针对基础设施稀疏部署的高速公路场景，提出一种基于异质链路联动切换的车与基础设施之间（Vehicle-to-Infrastructure,V2I）、车与车之间（Vehicle-to-Vehicle,V2V）的协作传输策略.根据车辆之间的分布距离对V2V的通信链路质量进行分析，并在动态场景下对链路进行联动切换；研究车辆密度对于车辆分布的影响，推导出IoV网络吞吐量的封闭表达式；为了进一步了解数据交付的情况，将V2I过程和V2V过程进行分离讨论，获得了数据交付时延的封闭表达式.仿真结果表明，在基础设施稀疏部署的高速公路场景中，提出的策略能提高系统的网络吞吐量，降低交付时延.     

采用有色Petri网的等级转换场景概念建模

为了使系统与模型达到一致性,在C2级向C3级转换的过程中,采用有色Petri网对其进行建模.采用自动验证工具(CPN Tools)对模型性能、系统等级转换功能及相关动态属性进行验证,完成对所建模型的确认.对提取到的模型运行数据进行MATLAB仿真,结果表明:搭建的C2级转换到C3级模型能够达到规定的要求;列车以不同速度进行等级转换时,行车速度越高,列车转化时间越短;在C2级控车模式下,以其顶棚速度250km·h-1进行转换,相比Petri网建模,转换成功率可提高0.1%.     

室内可见光通信遮挡场景下的可靠性评估

针对室内可见光通信应用场景,采用光线追踪方法分析了无遮挡、半遮挡和全遮挡三种模型下信号传输特性,研究了接收机探测器视场角与三种模型下通信性能之间的对应关系.研究结果表明:探测器所处状态由全遮挡模型切换至半遮挡模型时,平均接收信噪比仅降低1.51d B.切换至全遮挡状态时,平均信噪比降至11.96d B,室内中心接收点仍能满足通信基本要求.当视场角为50°时,可满足室内不同遮挡模型切换时信号不中断的通信需求.     

基于随机价格时间博弈理论的车-车通信列控系统控制策略稳定性建模与验证

基于车-车通信的新型列控系统，通过等距离间隔、等时间间隔和变时距3种控制策略实现高效率的列车追踪控制。由于在车队控制中，领航车的控制具有随机性，如何保证不同控制策略中车队的稳定性至关重要。提出了一种基于随机价格时间博弈理论（stochastic priced timed game,SPTG）的车-车通信控制策略建模与验证方法。首先，针对不同控制策略要求，利用随机价格时间自动机，建立包含领航车和跟随车的车队控制模型，并进行稳定性验证；然后，以时间为成本函数，通过对建立车队随机价格时间博弈自动机模型，利用Q-learning强化学习方法得到车队的最优驾驶策略；最后，结合多车运行追踪场景，进行车队的稳定性仿真优化。结果表明：相比于车队的随机运行策略，该方法使得车队的稳定误差更小。     

浅析客运专线轨道电路长度对列控系统的影响及应对措施

轨道电路不仅是铁路信号系统的基础设备．也是检查列车占用和出清的重要设备及构成闭塞分区的最小单元。在我国列车控制系统CTCS-2级列控系统中,车载设备根据应答器发送的轨道电路区段长度,结合轨道电路码序计算行车许可长度。因此,轨道电路区段长度的准确性直接影响客运专线工程开通后列车运行的安全。在施工中,轨道电路长度发生变化需同时修改地面应答器数据和列控软件,必须保证设计、施工和设备数据一致,并做好复测。     

LTE-M用于轨道交通CBTC的时延分析

基于通信的列车自动控制(communication based train control, CBTC)系统采用地铁长期演进系统(long term evolution-metro, LTE-M)完成车地之间的数据通信,并限定数据在较低的时延内完成传输.将CBTC系统中列车终端接入基站的通信模型化为排队论体系中的M/M/1/m/m模型,推导LTE-M应用于CBTC时数据传输时延的概率预测方法,并给出满足CBTC需求的相关条件,为LTE-M系统的可靠性设计提供参考.     

CTCS-3级列控系统中列车追踪间隔的研究

介绍了CTCS-3级列控系统中列车追踪的计算方法,建立了多列车追踪运行仿真模型,并进行了算例的设计,算例中,在相同的线路及列车参数条件下,设定两车的追踪间隔,得出在不同追踪间隔条件下,前车对后车运行的影响大小,并最终确定两车的最小追踪间隔。     

基于PROFINET IRT的列车通信网络调度算法

提出了一种基于实时以太网PROFINET的列车通信网络模型,采用时分复用的方式将传输周期分为IRT时段、RT时段和NRT时段,传输3种实时性要求不同的列车数据.在此基础上,重点设计了基于资源受限项目调度问题的实时周期数据IRT通信调度算法,通过时态约束得出多个任务的调度时刻表.采用OPNET仿真软件建立了时分复用的PROFINET通信模型,仿真结果表明:采用本文调度算法的IRT时段交付时间,相比单调速率调度后的IRT交付时间减小,且任务量越大,该算法越有优势.     

客运专线车站到发线运用多目标优化模型

为给客运专线车站接发的列车合理安排到发线,构建了客运专线车站到发线运用多目标优化模型.优化目标为列车站内走行时间之和最小及到发线使用最均衡;约束条件主要有到发线作业间隔时间约束、进路冲突约束.基于目标协调优化思想,提出了该多目标优化模型的求解方法.以济南西站为例,对7:00:00～13:00:00时段的到发线运用方案进行求解.结果表明,所求优化方案与图定方案相比,下行、上行列车的站内走行时间之和分别减少7.37%、1.88%;对于各到发线占用时间与到发线平均占用时间之差的平方和,下行、上行列车分别减少62.93%、74.75%.模型能准确地描述列车占用各条到发线的不同,适用于求解客运专线运行图编制阶段的到发线运用问题.     

真空管道高速飞行列车业务复用研究

高速飞行列车的平稳、安全的运行离不开车地无线通信技术的支持,需要包括安全类与非安全类等多类别车地通信业务的有效支撑.研究了高速飞行列车车地通信中突发性运行业务与乘客互联网业务复用传输优化问题,并对其进行求解.将该优化问题分解为两个子问题:乘客传输资源分配问题与突发性运行业务与乘客业务调度问题.首先,通过二维Hopfield网络对乘客传输资源分配问题建模,利用能量函数收敛的性质解决乘客资源分配问题.然后将突发性运行业务与乘客业务调度问题归结为一个机会约束优化问题,通过研究突发性运行业务的累积分布函数将机会约束放宽为线性约束,可利用凸求解器得到最优解.仿真结果表明该复用机制可以实现业务高效复用传输.