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基于TCPN的CTCS-1级列控系统RDC形式化建模与分析

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摘要

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 既有线普速铁路列控系统研究现状

1.2.2 列控系统建模方法研究现状

1.3 CTCS-1级列控系统概述

1.4 论文研究目的及意义

1.5 论文的研究内容及结构

2 RDC需求分析与模块功能设计

2.1 RDC系统功能需求分析

2.1.2 CTCS-1级RDC系统交互功能分析

2.1.3 CTCS-1级RDC系统内部功能分析

2.2 基于需求的RDC功能模块设计

2.2.1 RDC总体功能设计

2.2.2 RDC通信管理功能设计

2.2.3 RDC行车数据计算与发送功能设计

2.2.4 RDC等级转换功能设计

2.2.5 RDC列车移交功能设计

2.3 本章小结

3 基于TCPN的RDC形式化建模与仿真

3.1 TCPN形式化建模与分析方法研究

3.1.1 基于ML语言的TCPN形式化建模方法

3.1.2 形式化仿真及验证工具CPN-Tools

3.2 RDC交互功能建模

3.3 RDC主体功能建模

3.3.1 RDC主体功能顶层模型

3.3.2 RDC主体功能子模型

3.4 RDC特殊场景建模

3.4.1 RDC级间切换场景模型

3.4.2 C1车与既有车站前追踪运行场景模型

3.4.3 RDC列车移交场景建模

3.5 本章小结

4 RDC形式化模型验证

4.1 RDC主体功能模型验证

4.1.1 RDC主体功能模型逻辑功能验证

4.1.2 RDC主体功能模型状态空间分析

4.2 RDC特殊场景模型验证

4.2.1 RDC级间切换模型验证

4.2.2 C1车与既有车站前追踪运行模型验证

4.2.3 RDC列车移交模型时间性能验证分析

4.3 本章小结

5 RDC仿真软件设计与实现

5.1 RDC仿真软件设计

5.2 功能实现

5.3 联调与仿真结果

5.4 本章小结

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

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摘要

新一代CTCS-1(Chinese Train Control System-Level1)级列控系统是为提升普速列车安全性、可靠性、运输效率和自动化水平而对既有线列控系统进行的一次技术升级,目的是实现车载线路数据下放到地面,由地面统一管理的现实需求,保证临时限速的即时更新,减少司机对控车数据的操作,提升既有线列控设备的自动化水平。区域列控数据中心(RDC)为CTCS-1级列控系统地面设备的核心,负责CTCS-1级列车的管理,以无线形式向列车提供行包含线路数据、链接应答器、进路与临时限速的行车数据。RDC系统的形式化建模与验证分析能保证RDC系统软件的完备性,安全性,可靠性,对于既有线列控设备技术升级具有促进意义。
  论文选择基于ML语言的时间有色Petri网(TCPN)对RDC系统进行功能设计、建模仿真和验证分析研究,论文完成的主要工作如下:
  首先,综合有色Petri网与时间Petri网二者特点,提出针对实时并发系统的TCPN形式化建模与分析方法,给出了基于ML语言的TCPN模型建模与分析一般流程,在此基础上,构建了CTCS-1级RDC建模与模型验证分析的整体框架,该框架涵盖了RDC需求分析、功能设计、建模、功能验证分析、软件架构设计、软件开发与仿真实现等内容。
  然后,通过分析RDC系统特点、内部功能需求、交互功能需求,对RDC系统总体功能与主要模块功能进行设计,其中模块功能设计涵盖CTCS-1级列车注册与启动、注销、等级转换、行车数据生成、列车移交等主要运营场景,并且对比分析了RDC与CTCS-3级无线闭塞中心(RBC)在主要运营场景中的功能差异。
  其次,根据设计的RDC系统功能,分别建立了RDC交互功能与主体功能的TCPN模型,并采用时间有色Petri网分层的思想降低模型复杂度与状态空间维度,将主体功能模型细化为车载设备自检子模型、RDC工作状态检查子模型、RDC与C1-ATP建链子模型、通信会晤建立子模型、列车数据确认子模型、行车数据交互子模型;同时建立列控等级切换、列车移交、C1车与既有车追踪运行特殊场景模型,利用仿真验证工具CPN-Tools对模型仿真运行,从功能逻辑正确性、完备性、与技术规范一致性的角度进行验证分析;此外,在逻辑功能验证成功基础上,以列车移交为例进行RDC时间性能分析。
  最后,根据所建RDC功能模型,对系统软件进行层级架构设计与功能编码实现,在列控实验室平台上进行系统联调测试,通过“五站四区间”场景测试验证了RDC形式化功能模型的正确性与用于RDC系统软件开发的可行性。

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