高速铁路CTCS-3级系统功能测试必要性研究

高速铁路CTCS-3级列控系统测试包括软件白盒测试(含静态测试、单元测试、集成测试)、产品功能测试和系统功能测试等阶段。目前,软件白盒测试、产品功能测试等方法已经广泛应用,但实践中通过了这些测试方法的CTCS-3级列控系统设备仍然存在一些问题。系统功能测试采用基于C3半实物仿真测试平台,验证CTCS-3级列控系统中的核心设备满足技术条件、系统需求和总体技术方案的功能要求。通过分析系统功能测试的内容和测试平台,根据实践中发现的各种场景、问题,分析系统功能测试的特点,研究高速铁路CTCS-3级系统功能测试必要性。

基于CTCS-3/2级列控系统的高速铁路闭塞分区长度设计研究

根据CTCS-3级和CTCS-2级列控车载设备控车原理,提出高速铁路闭塞分区长度设计原则和约束条件。结合现行列控车载设备参数,当线路长大下坡道不大于24‰时,闭塞分区长度设计满足CTCS-3级列控车载顶棚速度350 km/h、CTCS-2级300 km/h正常运行。当线路长大下坡道大于24‰时,闭塞分区长度按照满足CTCS-3级列控车载顶棚速度350 km/h、CTCS-2级降速至250 km/h设计;或将CTCS-3级列控系统结合轨道电路信息定义的闭塞分区平均长度由3000 m调整为4400 m,以满足CTCS-3级列控车载顶棚速度350 km/h、CTCS-2级300 km/h运行要求。

基于GSM-R和5G-R的CTCS-3级列控系统无线通信协议设计及差异性分析

随着我国5G网络建设日趋成熟,CTCS-3级列控系统及下一代列控系统承载大容量数据业务的需求也愈发强烈。5G-R网络作为替代GSM-R网络的下一代铁路通信移动系统,提供面向字节流的传输服务,具有宽带宽、高速率、低时延的优势,GSM-R网络下的无线通信协议已不再适用。从总体结构、协议分层和协议分割重组等方面对5G-R网络下的无线通信协议进行设计,从协议功能、传输可靠性、传输速率等方面对GSM-R网络和5G-R网络下的两种无线通信协议的差异性进行比对分析。5G-R网络下设计的无线通信协议可靠性更高、传输速率更快,可充分利用和发挥5G-R网络的优势。研究成果可对CTCS-3级列控系统在5G-R网络下的无线通信协议建设提供思路和借鉴。

基于STPA与时序逻辑的CTCS-3级列控系统安全分析

中国列车控制系统(Chinese train control system,CTCS)作为一种安全苛求系统,使用前需要经过严格的安全分析和测试。对我国铁路客运干线主要采用的CTCS-3级列控系统而言,由于传统的安全分析方法主要关注单一场景,因而对其复合场景的安全性分析存在欠缺。此外,CTCS-3列控系统对控制时序有严格要求,现有安全分析方法难以有效解决该问题。为解决上述问题,采用基于系统理论的过程分析方法,以便更全面、更准确地分析CTCS-3级列控系统的安全性。首先,在分析CTCS-3级列控系统典型运营场景的基础上,提取由列控系统直接控车的运营场景,并建立分层控制结构模型;其次,结合时序逻辑辨识运营场景的不恰当控制行为,并将各场景中互不冲突的不恰当控制行为组合成复合场景;最后,对复合场景进行分析,辨识导致不恰当控制行为的控制缺陷。仿真结果表明:系统理论的过程分析方法可以实现对CTCS-3级列控系统复合场景功能的安全性分析。

CTCS-3级列控系统无线超时智能分析系统研究

研究CTCS-3级列控系统无线超时智能分析技术,并基于专家系统技术设计无线超时智能分析系统。一方面,通过将知识库分组保证对数据完整性不同的无线超时事件分析的准确性。另一方面,通过在推理机中采用优化的模式匹配算法保证分析效率。本系统能够满足无线超时分析对准确性和时效性的要求。

基于UML模型的CTCS-3级列控系统功能安全分析方法

本文利用UML支持的底层扩展机制对UML进行面向列控系统混成性的扩展,使用扩展后的UML对列控系统进行半形式化建模,并采用故障事件机制对系统的故障情况进行刻画。给出UML模型到PHAVer模型的转化规则以及故障监视器模型的建立方法,利用可达集计算原理验证列控系统的PHAVer模型并对其进行功能安全性分析。以CTCS-3级列控系统的RBC交接为例,使用UML结合可达集计算对系统进行功能安全分析。分析结果表明:UML与可达集计算相结合的方法适用于CTCS-3级列控系统的功能安全分析。

CTCS-3级列控系统无线超时分析关键技术探索

阐述CTCS-3级列控系统无线超时分析应具备的核心功能以及相应的实现技术。对如何降低无线超时分析中的人工分析的重复工作量、提升自动分析的准确率进行研究;同时,通过对GSM-R网络以及CTCS-3级列控设备的运用质量趋势分析,帮助维护人员及早发现故障隐患。

基于自主化电台的CTCS-3级列控系统无线通信超时分析

CTCS-3级列控系统车载设备中的电台是实现车地之间双向通信的核心模块,目前多为国外厂商产品,存在维护管理功能接口不开放、售后服务质量不高等问题。针对CTCS-3级列控系统中由干扰导致的单电台、网络单通等引起的无线通信超时问题,利用自主化电台强大的日志记录功能,精确定位故障原因,可为同类故障分析提供思路。

CTCS-3级列控系统等级转换失败原因分析及解决措施

装备CTCS-3级列控车载设备的列车从CTCS-2级线路向CTCS-3级线路运行时需进行CTCS-2/3等级转换,在转换过程中车地建立无线通信连接时的列控数据交互,需经过物理层、链路层、传输层、安全层和应用层等,任何一步失败,都会导致列车无法转换到CTCS-3等级运行。从CTCS-2/3级等级转换失败案例中选取车载未发送SABME帧、车载发送多条SABME帧、RBC收到多条M155消息包等典型问题进行分析,分别从车载、网络和地面3个方面提出针对性的解决措施,可为类似问题的处理提供借鉴。

基于动态故障树的CTCS-3级ATP系统可靠性分析

针对传统的可靠性分析方法分析CTCS-3级ATP系统动态失效问题的不足,提出采用动态故障树分析其可靠性.首先,分析系统的结构和功能建立动态故障树模型;其次,采用深度优先最左遍历算法搜索动态故障树模型,得到独立的子树;最后,在引入可修系统可靠性指标基础上,采用解析法和马尔科夫矩阵迭代法求解子树,结合分层迭代方法对动态故障树分析法改进,以减小运算量,使得上述可靠性指标能用于CTCS-3级ATP系统的可靠性评估.计算所得可靠性指标与可靠性框图分析得到的结果对比表明:动态故障树能够更好地描述系统的冗余性和容错性等特点,提高了可靠性指标的精度.

CTCS-3级列控系统RBC控车场景建模与验证

应用统一建模语言UML与模型检验工具PHAVer(Polyhedral Hybrid Automaton verifier)相结合的方法,研究CTCS-3级列控系统RBC控车场景:列车注册与启动、行车许可、等级转换、列车注销的混成性。首先通过UML支持的扩展机制,引入构造型(Stereotype)对UML进行面向混成性的扩展,建立RBC控车场景UML模型,实现对RBC控车场景混成性的描述。然后依据UML到PHAVer的转换规则,将UML模型转换成PHAVer模型。最后,依据CTCS-3级列控系统需求规范,总结RBC控车场景的功能需求,运用PHAVer进行验证,证明CTCS-3级列控系统需求规范的正确性。

CTCS-3级列控系统临时限速建模与验证

为了满足临时限速系统的实时性要求,采用时间自动机理论,对CTCS-3级列控系统临时限速工作流程分别建立了各设备的时间自动机子模型,进而构成临时限速系统的时间自动机网络模型,并基于临时限速系统技术规范的参数对模型进行赋值;采用BNF语法对临时限速系统待验证的属性进行了形式化描述,并应用UPPAAL验证工具对临时限速模型的安全性和受限活性进行仿真验证.验证结果表明:与现有临时限速系统的时间参数设置相比,修正后的时间参数设置避免了出现系统死锁现象;在不影响安全功能属性和受限活性的基础上,提高了临时限速系统的实时性,可在规范规定时间5 s内做出响应.

基于GPRS分组交换网络的CTCS-3级列控系统车地安全数据传输的可行性

基于高速铁路既有的通用分组无线业务(GPRS)分组交换网络以及CTCS-3级列控系统车地安全数据传输需求,提出GPRS承载CTCS-3级列控系统车地安全数据传输业务的服务质量(QoS)关键指标和协议栈;基于半实物仿真平台提出GPRS网络承载车地安全数据传输QoS测试方法,并对QoS关键指标进行测量和分析。结果表明:40字节和128字节用户数据报协议(UDP)数据帧端到端传输时延在改进网络临时块流(TBF)释放机制后,可以满足车地安全数据传输QoS的需求;GPRS网络的误帧/丢帧主要出现在小区重选时,下行链路误帧/丢帧率高于上行链路误帧/丢帧率;GPRS附着时延和分组数据协议(PDP)激活时延可以满足车地安全数据传输QoS的需求。优化GPRS网络数据传输时延、小区重选机制和重选时的数据缓存机制是利用GPRS网络承载CTCS-3级列控系统车地安全数据传输的关键。

CTCS-3级列控系统规范的建模与形式化验证方法研究

CTCS-3级列控系统规范是CTCS-3级列控系统设计与开发的基础,是实现互联互通以及确保系统高效率与安全性的关键环节。然而,依靠经验与直觉制定的规范不可避免地存在某些漏洞或者安全隐患,因此对CTCS-3级列控系统规范进行建模与形式化验证显得十分必要。本文提出CTCS-3级列控系统规范建模与形式化验证方法,此方法的特点是能够在系统规范、模型、验证工具以及验证结果之间建立一条跟踪链,从而始终保证系统规范、模型及程序代码之间的一致性。结合笔者运用此方法对CTCS-3级列控系统规范建模与形式化验证的实践,证明这种方法是可行的、高效的。

基于控制关系模型的CTCS-3级列控系统功能安全分析方法

本文给出CTCS-3级列控系统中组件控制行为的形式化定义,并针对控制行为的时序关系,提出控制行为时序逻辑。以此时序逻辑为基础,给出控制关系模型的形式化定义,使用控制关系模型对列控系统中的控制行为关系进行刻画。利用深度优先搜索的方式,对系统的控制关系模型进行分析,实现STPA(System-Theoretic Process Analysis)过程中不恰当控制行为的自动化辨识。以CTCS-3级列控系统的RBC交接场景为例,使用上述基于控制关系模型的STPA方法对列控系统的功能安全进行分析。分析过程表明利用形式化的控制关系模型扩展STPA的方法适用于CTCS-3级列控系统的功能安全分析。

基于动态贝叶斯网络的CTCS-3级ATP系统可靠性分析

针对传统可靠性分析方法在分析CTCS-3级ATP系统可靠性时存在的不足,采用动态贝叶斯网络模型对其进行可靠性分析。首先,根据CTCS-3级ATP系统的结构与功能建立其故障树模型,并将故障树模型转化为相应的动态贝叶斯网络模型。然后,综合考虑维修、共因失效等因素,对ATP系统进行可靠性分析。结果表明:利用动态贝叶斯网络双向推理的优势对ATP系统进行可靠性分析,不仅可以计算出系统的可靠度,而且可以有效地识别系统的薄弱环节;在可靠性分析过程中,如果忽略共因失效和维修因素对ATP系统可靠性的影响,将导致分析结果偏差过大。通过诊断推理得到,除双系冷备单元外,列车接口单元是ATP系统的薄弱环节,因此加强对其维护检查能够有效降低事故的发生概率。

基于云模型和组合赋权法的CTCS-3级列控系统可靠性评价

针对模糊综合评判法在进行列控系统可靠性评价时的不足,本文提出基于云模型和组合赋权法的CTCS-3级列控系统可靠性综合评价方法。首先,根据CTCS-3级列控系统的结构与功能,建立系统的综合能力模型和相应的功能层次结构模型,并采用组合赋权法确定底层设备的权重。然后,采用云模型表示各设备实际指标与额定指标的比值,并根据云运算规则采用加权模型求得CTCS-3级列控系统的可靠性综合指标云。最后,将CTCS-3级列控系统的可靠性综合指标云与可靠性评价集的云模型进行相似度度量,输出评价结果。结果表明:基于云模型和组合赋权法的CTCS-3级列控系统可靠性综合评价方法能够正确且客观地描述系统实现其规定功能的能力,为CTCS-3级列控系统的研发及评估提供借鉴。

基于AdmiTest的CTCS-3级列控系统自动测试平台

根据CTCS-3级列控系统的特点,结合欧洲列车运行控制系统(ETCS)测试经验,研发基于通用测试平台AdmiTest的CTCS-3级列控系统自动测试平台CARSTool。CARSTool采用激励-反馈机制实现单系统或多系统的闭环测试,包含测试对象、仿真系统、链路、消息、激励、响应和测试序列等基本元素,具有线路工程数据配置、通信链路配置、站场线路配置、PI Object、仿真系统、列车运行仿真和自动测试序列7个功能模块。以郑西客运专线列控数据为例,采用CARSTool对CTCS-3级列控系统进行仿真测试。测试结果表明:通过规范化语法严格卡控测试步骤,根据CTCS-3级列控系统测试案例库以及激励-反馈信息判断测试项目的执行状态,CARSTool实现了测试计划、执行过程和测试结果的闭环处理;说明CARSTool能够实现CTCS-3级列控系统的自动测试。

CTCS-3级列控系统地面应答器位置自动配置的方法

本文探讨了利用计算机技术实现应答器位置的自动配置的方法,并编制应用软件实现了应答器自动布置。

基于模糊评判和RCM的CTCS-3级车地通信子系统维修决策

CTCS-3级车地通信子系统是列控系统的重要组成部分之一,且列控系统需求的列车位置、行车许可、临时限速等安全信息都由其提供,因此,对其进行可靠性分析具有十分重要的意义。采用贝叶斯网络对系统进行可靠性分析,并对维修方式进行了讨论。首先,根据车地通信子系统的功能与结构构建其贝叶斯网络模型。然后,综合考虑维修性、共因失效等因素,对车地通信子系统进行可靠性分析。最后,在可靠性分析的基础上运用模糊综合评判法对其进行维修决策。结果表明:利用贝叶斯网络的双向推理,不仅可以计算出车地通信子系统的可靠度,还可以有效识别系统的薄弱环节;若不考虑车地通信系统冗余结构中的共因失效,则得到的可靠性指标会偏于乐观。地面GSM-R单元失效是引起车地通信子系统失效的关键事件,因此针对此薄弱环节进行状态维修检查能够有效降低事故的发生概率。