（交通信息工程及控制专业论文）基于UML的CTCS3级列控车载设备建模、仿真和测试研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着我国铁路的跨越式发展，运行速度高、行车密度大的高速客运专 线对列车运行控制系统的可靠性和可用性提出了更高的要求。c t c s - 3 级列车运行 控制系统作为中国新一代的列控系统标准，将要运用在多条高速客运专线中，因 此其仿真测试工作显得尤为重要。在列控系统中，车载设备更是由于控制对象众 多、逻辑结构复杂，较难进行全面分析，同时也为仿真研究和测试验证造成了困 难。针对这个问题，本文着眼于研究一种有效的建模分析方法，可以用于完整地 描述c t c s - 3 级列控系统车载设备的系统模型，并依据系统模型进行仿真和测试方 法的设计。 首先，本文根据c t c s - 3 级列控车载设备的系统特点，通过分析比较，采用了 具有定义良好、易于表达、描述直观等优点的u m l 统一建模语言，对c t c s 一3 级列 控车载设备进行建模分析，从系统需求、静态结构和动态行为三个方面描述了系 统的主要特性。 然后，本文基于u m l 分析模型，设计和实现了满足c t c s 一3 级列控系统运行仿 真、测试验证和故障分析等需求的车载设备仿真和测试平台。 最后，本文在u m l 分析模型的基础上，阐述了c t c s - 3 级列控系统车载设备测 试案例和测试序列的设计方法。 本文设计和实现的仿真和测试平台，生成的测试案例和测试序列都将运用于 实际线路的仿真测试工作。 关键词：c t c s 一3 级；列控车载设备；u m l ；建模；仿真和测试平台；测试案例； 测试序列 分类号：u 2 8 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l o n gw i t ht h el e a p - f o r w a r dd e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a y , t h e l l i g h s p e e dp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，w h i c ho p e r a t e si nh i 曲s p e e da n dd e n s i t y , r e q u e s t s h i g h l yr e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t ) ro nt h et r a i nc o n t r o ls y s t e m c h i n at r a i nc o n t r o l s y s t e mc l a s s3 ( c t c s 一3 ) i st h en e wg e n e r a t i o ns t a n d a r do ft h et r a i nc o n t r o ls y s t e mi n c h i n a , w h i c hw i l lb ea p p l i e di nm a n yh i g h s p e e dp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，t h e r e f o r ei t i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ti ns i m u l a t i o na n dt e s t i n g a m o n gt h et r a i nc o n t r o ls y s t e m ， o n - b o a r de q u i p m e n ti sd i f f i c u l tt oc o m p l e t e l ya n a l y z e do w n i n gt ot h ea m o u n to f c o n t r o l l e do b j e c ta n dt h ec o m p l e x i t yo fl o g i c a ls t r u c t u r e i tc a u s e si n c o n v e n i e n c eo nt h e s i m u l a t i o n ，t e s t i n ga n dv e r i f i c a t i o na tt h es a m et i m e d u et ot h i sq u e s t i o n ，i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h er e s e a r c ho fa ne f f i c i e n tm o d e l i n ga n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hc a nb eu s e dt o d e s c r i b et h es y s t e mm o d e lo ft h eo n - b o a r de q u i p m e n to fc t c s 一3t r a i no p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e mc o m p l e t e l y f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o na n dt e s t i n gm e t h o dh a sa l s o b e e nd e s i g n e db a s e do nt h es y s t e mm o d e li nt h i sp a p e r f i r s t l y , w i t ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gb a s e do nt h es y s t e mf e a t u r e so ft h e o n b o a r de q u i p m e n to fc t c s - 3 ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) h a sb e e n a d o p t e dt om o d e lt h eo n - b o a r de q u i p m e n tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ：w e l l d e f i n e d ，e a s y t oe x p r e s sa n d d e s c r i b i n gd i r e c t l y t h em o d e l i n ga n a l y s i sd e s c r i p t st h es y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h r e es e c t i o n s ：s y s t e mr e q u i r e m e n t s t a t i cs t r u c t u r ea n dd y n a m i c b e h a v i o r s e c o n d l y , a no n b o a r de q u i p m e n ts i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r m ，w h i c hm e e t t h ed e m a n do fo p e r a t i o ns i m u l a t i o n , v e r i f i c a t i o na n dv a l i d a t i o n , f a i l u r ea n a l y s i so f c t c s 一3t r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，h a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e db a s e do n u m l s y s t e ma n a l y s i sm o d e l f i n a l l y , am e t h o do nd e s i g n i n gt h e t e s tc a s ea n dt e s ts e q u e n c eo fo n - b o a r d e q m p m e n to fc t c s 一3t r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ne x p o u n d e db a s eo n u m l s y s t e ma n a l y s i sm o d e l t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e rw i l lb eu s e do nt h es i m u l a t i o na n dt e s t i n g o ft h ea c t u a lh i 曲- s p e e dp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e k e y w o r d s ：c t c s 一3 ；o n b o a r de q u i p m e n to ft r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ； u m l ；m o d e l ；s i m u l a t i o na n dt e s t i n gp l a t f o r m ；t e s tc a s e ；t e s ts e q u e n c e c i a s s n o ：l j 2 8 4 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 文作一：钙又坪黼期：卅年7 月7 日 7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 7 可支锋 签字日期：1 。7 年乡月 7 日 导师签名： 签字日期： 猡9 年7 月， 致谢 本论文的工作是在我的导师蒋大明副教授的悉心指导下完成的，蒋老师严谨 的治学态度、渊博的理论知识、科学的工作方法和乐观的生活态度给了我极大的 帮助和影响。在蒋老师的关心和指导下，两年的研究生学习不仅提高了我的科研 水平，同时也拓宽了我的人生视野，在此向蒋老师致以真挚的感谢。 同时两年来，我的班主任戴胜华副教授在学习和生活上给予了我巨大的关心 和帮助，在此向戴老师表示衷心的感谢。 在课题研究和论文撰写期间，本课题所在单位北京和利时系统工程有限 公司轨道交通事业部的何春明副总经理、王晓川部长、赵利斌工程师、方岳工程 师、张宇工程师、刘基全工程师对于我的科研工作和论文撰写都给予了许多指导， 帮助我顺利完成课题的研究，在此对他们致以诚挚的谢意。 此外，廖丽军、曹涛、叶敬贤等同学对我研究工作给予了热情的帮助和支持， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们两年来的关心和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 最后，衷心祝福我的母校北京交通大学事业蒸蒸日上，祝福我的老师和同学 们身体健康、工作顺利、生活幸福! 综述 1 综述 1 1论文的选题目的和意义 铁路是国家国民经济的大动脉，在交通运输系统中扮演着举足轻重的角色。 我国铁路正处于跨越式高速发展的重要时期，六次铁路大提速、青藏铁路建成通 车，近万公里的高速客运专线不断投入使用，我国铁路在近十年拥有了翻天覆地 的变化，取得了举世瞩目的成就。 在获得高速发展机遇的同时，我国铁路也面临许多挑战，例如高速运行条件 下，需要先进的列车运行控制系统( 以下简称“列控系统) 保证列车运行的安全 和高效。列控系统是将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与铁路信号技术 融为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统。我国列控系统经过几十年的发展， 已经具备了一定的基础，但是由于起步较晚，与国外的列车运行系统相比还存在 一定差距，尚不能满足高速客运专线的运行要求。鉴于现状，铁道部提出“以客 运专线和既有线提速等大型复杂技术系统为研究对象，立足国情，站在世界技术 发展的最前沿，以我为主，对世界范围的先进技术资源进行系统集成，又好又快 地实施大型工程，制定了参考国外先进技术，加快发展适合我国国情的列控系统 的战略目标。参考欧洲列车控制系统e t c s ，我国制定了中国列车控制系统( c h i n a t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，c t c s ) 技术规范，保证列车安全运行，并以分级形式满 足我国不同线路运输需求。 随着列控系统的高速发展，其计算机技术、自动控制技术的不断提高，列控 系统变得越来越复杂，规模也越来越庞大，不易于进行设计开发，通过仿真测试 来寻找错误和安全隐患也同样困难。因此通过建模来完成整个复杂系统的理解、 分析和设计，具有十分重要的意义。 同时，在列控系统的研究、开发、引进、集成过程中，有的工作限于工程条 件和工程成本，无法或难于在现场开展。通过对列控系统建立模型，采取计算机 仿真技术，构建仿真测试系统，能在实验室中完成列控系统的功能测试、子系统 互联互通验证、性能评价等工作，为列控系统的深入研究提供了一个准确、有效 且经济的解决方案。当前，国内c t c s 一3 级列控仿真测试系统的自主研究还比较少， 现在实际线路的c t c s - 3 仿真基本上靠引进国外适用于e t c s 的列控仿真测试系统， 由于此类列控仿真测试技术属于严格保密的范畴，仅靠从国外引进难于掌握技术 核心，所以c t c s 一3 级列控仿真测试系统的发展必须走自主研发的道路。 北京交通大学硕士学位论文 本文的研究对象是列控系统车载设备，主体思路是“建立系统模型一实现仿 真系统一设计测试方法”，即按照c t c s 列车运行控制系统技术规范，进行c t c s - 3 级列控车载设备的系统分析，探讨采用形式化建模语言建立车载设备系统模型的 方法，并根据模型设计和实现一个满足列控系统测试要求的车载设备仿真测试平 台，同时对车载设备的测试方法进行了初步研究。本文研究成果将运用于郑西线 和广深港线的c t c s 一3 级仿真测试系统中，并为将来建设c t c s - 3 级仿真实验室提 供了一定的理论基础。因此本课题的研究无论从近期还是远期看，都具有一定的 学术价值、广泛的应用前景和良好的社会经济意义。 1 2国内外列控系统简介 1 2 1国外列控系统发展情况简介 国外的列车控制系统起步较早，上世纪9 0 年代，世界上已经有很多国家根据 各自国情，发展了各自的列车运行控制系统。其中，在技术上比较成熟且已经投 入使用的有：欧洲e t c s 系统，日本新干线a t a c s 系统，北美精确列车控制系统n 1 和增强型列车控制系统，法国t v m 3 0 0 和t v m 4 3 0 系统，德国l z b 系统等乜1 。这些系 统的共同特点是：可以实现自动连续监督列车运行速度，可靠地防止人为错误操 作所造成的恶性事故的发生，保证列车的高速安全运行。它们之间的主要区别体 现在速度控制、车地信息传输采取的技术和方式上。 1 ) 日本先进列车管理和通信系统 在欧洲发展e t c s 列控系统的同时，日本也开始研究相当于欧洲e t c s - 3 级的 基于无线的移动闭塞信号系统先进列车管理和通信系统( a t a c s ) ，并在东日 本铁路( j re a s t ) 开展测试工作。在a t a c s 中，通过对每列车地移动授权限制、 限速和轨道坡度等信息进行计算得到的速度检测曲线来控制列车间隔，列车靠转 速传感器计算运行距离和靠检查设在地面上的i d 信标来确定其所处的位置，然后 将这些定位信息通过无线设备进行传输，系统保持9 9 9 的帧频，并提供错误检测。 系统也具备自动转换功能，保证列车在两个无线基站间转换时能够不问断的传输 信息。这样，列车在不需要轨道电路数据的情况下，不间断地更新自己的位置， 列车前端和后端位置靠生成“虚拟闭塞来表示列车所占用的空间。b 3 2 综述 2 ) 北美增强型列车控制系统( i t c s ) 美国通用电气公司( g e ) 的交通运输集团推出的增强型列车控制系统 ( i n c r e m e n t a lt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，i t c s ) ，作为一个独立的信号系统，不仅 能够提高列车速度，缩短列车间隔，而且极大地减少了道边设备。i t c s 是以“列 车为中心 的列车控制系统，也就是说主要由车载计算机实现列车的超速防护， 由车载设备通知司机前方速度限制。车载计算机存储着和线路有关的详细信息， 包括：股道数、曲线参数、速度限制、道岔、坡度变化、交叉道口、信号以及公 里标等。此外一些动态信息，比如信号灯指示、转辙器位置、交叉口情况等被安 装在轨道边的接口设备收集，然后通过g s m - r 网络，以无线的方式传递给i t c s 车 载设备。i t c s 是基于无线通信的列车控制系统，它采用无线网络和卫星定位技术， 可适用于所有的铁路：在有轨道电路的铁路，可将其添加到轨道电路上；在没有 轨道电路的铁路，它可以作为一个独立的系统单独使用。h ， i t c s 作为完全独立的信号系统己在青藏线i 0 0 0 多公里的线路上得到应用。青 藏线上的i t c s 工作在海拔5 0 0 0 多米的恶劣的自然条件下，列车和道边设备间的 无线通信采用的是g s b l r 网络。由于采用了i t c s 技术，极大地减少了现场设备数 量，从而降低了初始投资和维护费用，减轻了维护工作量。此外，i t c s 突出的适 应能力，可以让它在运输需求和运量增大时，通过调整参数而提高列车速度，从 而扩大线路能力。 3 ) 法国t 、，m 系列 t v m 系列是法国c s e e 公司研制的列控系统。目前先后发展了t v m 3 0 0 型、t v m 4 3 0 型列车速度监督设备。 t v m 3 0 0 系统速度监督采用人控为主的阶梯控制方式。地面信号传输设备采用 u m 7 1 无绝缘轨道电路。地面不设信号机，只在闭塞分区分界点处设停车标。机车 信号为主体信号，司机完全根据机车信号的速度显示驾驶列车。每一个闭塞分区 内只按照一个允许速度进行控制。列车的允许速度为本区段的入口速度，即上一 区段的目标速度。当列车速度超过规定的允许速度时，速度监督设备则自动实施 制动。1 9 9 2 年我国京广线郑武段引进了t v m 3 0 0 系统。 在t v m 3 0 0 基础上，法国c s e e 公司开发了一种先进的列车速度控制系统 - t v m 4 3 0 系统。t v m 4 3 0 系统采用了分段模式曲线控制方式，车载设备根据接收 到的前方分区入口目标速度和列车其它信息实时计算速度距离模式曲线获得列车 当前的允许速度。当列车超过当前允许速度时，设备自动实施常用制动或紧急制 动，保证列车速度降到允许速度之下或在安全停车地点前停车。该系统目前已在 北京交通大学硕士学位论文 法国北部的t g v 高速铁路、英吉利海峡的隧道线、韩国釜山至普松的高速铁路线 上应用，我国秦沈客运专线已引进了t v m 4 3 0 系统。1 1 2 2欧洲e t c s 系统概述 1 ) e t c s 制订背景 欧洲列车控制系统( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，e t c s ) 是欧洲铁路运 输管理系统( e u r o p e a nr a i lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，e r t m s ) 的组成部分之 一，e t c s 涉及列车控制和信号方面，包含了所有的信号技术，也就是欧洲信号一 体化技术。e r t m s 的信号技术表示为e r t m s e t c s 。 欧洲是世界轨道交通最为发达的地区，在欧洲铁路网上，各个国家的铁路部 门使用各自不同的信号制式管理列车的运营，列控系统多达1 0 余种，这些信号和 控制系统互不兼容。因此，跨国境运营的列车要么穿过边境抵达另一个国家后， 列车停下来更换机车，要么根据运行线路的不同装备多种不同的控制系统( 最多的 有6 种) ，当列车穿过边境抵达另一个国家后，切换运行控制系统的标准。为了克 服欧洲各国信号制式复杂、互不兼容，保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行， 在欧洲共同体的支持下，欧洲各信号厂商联合制订e r t m s e t c s 技术规范。e r t m s 中的e t c s 是一个先进的列车自动防护( a t p ，a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 系 统和机车信号( c a bs i g n a l i n g ) 技术规范，安装符合e r t m s e t c s 技术规范的列 控系统，不仅能提高列车的安全性，并且使列车能够在欧洲境内穿越国境时实现 互通运营。删 2 ) e t c s 技术特点 结合欧洲各国铁路现状，兼顾既有设备及今后列控系统发展趋势，e r t m s e t c s 技术规范确定了5 个应用等级：等级0 、等级s t m 、等级l 、等级2 、等级3 。这5 个应用等级车载设备的基本模块相同，在同一条线路可以并行叠加多个运行等级， 同时e t c s 支持等级混用，等级1 、2 、3 向下兼容，即高等级能运行在低等级线路 上。 e t c s 系统采用目标距离( d i s t a n c et og o ) 控制方式，地面向列车发送的信 息不再是固定闭塞下目标速度信息或轨道空闲信息，取而代之的是行车许可 ( m o v e m e n ta u t h o r i t y ) 。行车许可给车载设备指示了允许列车运行的目标位置， 即许可终点( e n do fa u t h o r i t y ，e o a ) 。在e o a 处的目标速度是指在e o a 处的允 许速度，当目标速度不为零时，e o a 被称为限制性许可( l i m i to fa u t h o r i t y ，l o a ) 。 4 综述 如果地面设备没有足够的信息确定距目标速度为零许可终点( e o a ) 的距离，行车 许可就会以l o a 形式给出，在l o a 处列车的目标速度是大于零的。地面设备有责 任保证e o a l o a 后安全距离的长度足以让列车从目标速度停下来而没有任何危险。 如果在列车通过许可终点时还没有接收到新的信息，车载装置负责实施制动。行 车许可可以只在有限时间内有效，列车前方的行车许可可以分为若干段，每一段 有一个有效时间。如果该段行车许可定时器溢出时列车仍未进人该区段，则相应 的行车许可自动失效，许可终点将缩回到该区段的入口。口1 3 ) e t c s 应用情况 1 9 9 6 年欧盟通过了高速铁路互联互通指令，要求各成员国的欧洲高速铁路通 道网中的高速铁路采用兼容的信号系统欧洲列车控制系统( e t c s ) 。欧盟各成 员国自2 0 世纪末新建的速度达3 0 0 k m h 的高速铁路均采用了e t c s - 2 级系统。在 系统设计时考虑到与既有线兼容及后备模式，各国铁路采用的系统方案也不完全 相同。西班牙铁路采用既有的a s f a 点式系统+ e t c s - 1 级+ e t c s - 2 级系统。法国东 部高速铁路( 连接巴黎至德国的高速铁路) ，采用u m 2 q o o s e i t v m 4 3 0 + e t c s 2 双标 系统。德国高速铁路，采用i n d u s i 点式系统+ l z b + e t c s - 2 级系统。瑞士铁路，采 用z u b 系统+ e t c s - 2 级系统模式。【8 】m 近年来，欧洲新建高速铁路的列控系统均采用e t c s 规范，2 0 0 6 年1 月欧洲第 l 条采用e t c s 一2 级的列车运行时速达3 0 0 k m 的高速铁路意大利罗马至那不勒 斯高速铁路开通试运行。同时，法国a v g 、德国i c e 3 5 0 e 、西班牙t a l g o - 3 5 0 等3 5 0 公里小时等级的高速列车，均安装了e t c s - 2 级装置。此外，瑞士等非欧盟成员 国已成功在其国内建设基于e t c s - 2 级的高速铁路，这为以e t c s 系统作为标准制 式的跨国境列车运营进一步扫清了障碍n 0 1 。在不久的将来，欧洲各国高速铁路将 实现e t c s - 3 级移动闭塞控制的目标。 1 2 3中国c t c s 系统概述 1 ) c t c s 制订背景和定义 国外先进列控系统的成功运用，为我国提供了良好的技术借鉴。我国抓住机 遇，在参考欧洲列车控制系统( e t c s ) 的基础上，制订了适合我国国情的中国列 车控制系统，我国铁路通信信号技术发展从此进入了一个崭新的阶段。中国列车 运行控制系统( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ，c t c s ，以下简称c t c s 系统) 是为 了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的强制性技术规范，在 5 北京交通大学硕士学位论文 不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下有效地保证列车运行安全，达到消除安全隐 患、满足互通运营、规范系统设计、适应发展需求的目标。 2 ) c t c s 基本功能、框架结构和系统构成 c t c s 系统的基本功能是在不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下有效地保证 列车安全运行，其中包含以下5 项内容：安全防护、人机界面、检测功能、运行 管理、可靠性和安全性等。根据中国铁路运输的运用、管理、维修体制，为满足 c t c s 系统体系结构标准化、模块化和发展的特点并实现全路列控系统的互联，c t c s 系统的体系结构按系统应用层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。参 照国际标准，结合国情，从需求出发，按系统条件和功能划分等级。c t c s 体系的 构建原则是以地面设备为基础，车载设备与地面设备统一设计。n 一砸w l j 卜吲惭丽研 。_ o l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ i - _ j 图卜1c t c s 系统参考结构1 f i g u r e2 - 1r e f e r e n c e ds t r u c t u r eo fc t c ss y s t e m 6 综述 3 ) c t c s 分级 c t c s 系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置并参照e t c s 规范，按功 能划分为5 级： l等级 j? _ j ”撼舞鞲最飞“、 帮? 。 ? 。 。” 强 c t c s 一0 级通用机车信号+ 运行监控记录装置。 由主体机车信号+ 安全型运行监控记录装置组成。面向1 6 0 k m h 以下的区段，在 c t c s l 级 既有地面设备基础上强化改造并增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。 面向提速干线和高速线，基于轨道传输信息的列控系统。c t c s2 级适用于各种 限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车，满足客运专线 c t c s 一2 级 和高速运输的需求。c t c s2 级系统为一体化设计，即车一地一体化、通信一信号 一体化以及信号一控制一体化。 基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列控系统。面向提速干线、高 速新线或特殊线路，基于无线通信的自动闭塞或虚拟自动闭塞，轨道电路完成列 c t c s 一3 级 车占用检查。适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载 信号行车。 基丁无线传输信息的列控系统。面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平 台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。由r b c 和车载验证系统共同完成列车定位和列 c t c s - 4 级 车完整性检查，使传统的信号设备减到最低。地面不设通过信号机，机车乘务员 凭车载信号行车。 t a b l el 一1g r a d a t i o no fc t c ss y s t e m c t c s 系统级间关系：符合c t c s 规范的列车超速防护系统应能满足一套车载 设备全程控制的运用要求；系统车载设备可向下兼容；系统级间转换应自动完成； 系统根据地面、车载配置采用相应等级和相应控制方式，在系统故障条件下应降 级使用；系统级间转换应无缝衔接，不影响列车正常运行；系统各级状态应有清， 晰的表示，人一机安全责任应有明确划分。n 妇 4 ) c t c s 应用现状 2 0 0 2 年，中国铁路从跨越式发展的高度在欧洲列车控制系统( e t c s ) 规范的 基础上提出了发展使用于我国的列车控制系统( c t c s ) ，研究并制定了c t c s 的总 体框架和技术规范。六年多来，我国铁路发展取得了骄人成绩，广深、秦沈、京 津、石太、合宁、合武等运行速度2 0 0 k m h 甚至3 0 0 k m h 以上，采用c t c s - 2 级系 统的高速客运专线相继落成通车。同时，武广、郑西、广深港等运行速度超过 3 0 0 k m h ，采用c t c s 一3 级系统的高速客运专线在加速建设。到目前为止，全国高 速客运专线项目已开工1 万公里，今明两年还将开工1 万公里，按照现在的建设 速度，预期在2 0 1 2 年将有1 3 万公里采用c t c s 列控系统的高速客运专线投入运 营。 7 北京交通大学硕士学位论文 1 3国内外列控系统形式化建模方法研究状况 形式化方法是一种具有检视数学基础的方法，用以描述和论证计算机系统的 特性，通常这种数学基础是通过形式化约束语言给出的，它提供了诸如一致性、 完备性、规约、实现、正确性等概念的精确定义，以便人们用系统方法来指明、 开发和验证系统。按照形式化方法的表达能力，可以将形式化方法划分为5 类： 基于模型的方法、代数方法、过程代数方法、基于逻辑的方法、基于网络的方法 等。 国内外大量实践证明，在计算机系统从上层规范至最终实现的过程中，采用 形式化的语言对系统进行建模，可以很大程度上减少由系统开发人员造成的设计 故障，保证了系统的安全性。目前在列车控制系统领域，无论是描述系统的设计 规范，还是验证系统设计的j 下确性，形式化语言建模都得到了广泛的使用。 当前国内外列控系统使用较多的形式化建模方法有p e t r i 网、z 语言、s d l 语 言、u m l 语言等。例如：a a r h u s 大学学者用着色p e t r i 网建立了e t c s 层次化模 型n 朝；s e i n e r 等学者采用着色p e t r i 网建立了铁路平交叉道口控制模型n 引；德 国联邦铁路公司和布伦瑞克技术大学控制与自动化工程学院采用p e t r i 网描述了 e t c s 规范的一种形式化模型n5 1 ；我国有学者应用p e t r i 网理论对轨道区段和列车 运行进行了建模n 刨；印度学者g k p a l s h i k a r 采用z 语言对a t o 进行了形式化 建模；b a c h e r n i 采用s d l 语言对铁路信号系统进行了描述和仿真；德国学者采 用混成u m l 对基于通信的列车控制进行建模和设计验证n8 1 。 1 4国内外列控仿真测试系统研究状况 由于列控系统对于保证列车行车安全具有举足轻重的作用，世界各国对于系 统的研究、开发和生产过程严格监控，十分重视列控系统仿真测试技术的研究。 在车载子系统的仿真测试方面，e r t m su n i s i g 工作组发布了关于e t c s 车载设 备的测试文档，所采用的基本测试方法是黑盒测试理论，内容主要涉及功能特征、 测试案例、测试子序列和测试序列的产生方法。其基本思路是：通过分析e t c s 系 统需求规范( s r s ) ，将若干彼此相关的可测试的系统需求组合成一个功能特征， 然后根据功能特征构造若干个对应的基本测试案例，进而把需要测试的测试案例 构造成一个测试子序列，再将若干测试子序列按有向图串接形成测试序列，这样 测试序列只针对提取出的功能特征进行测试，只需通过外部可见接口提取，而无 需考虑系统的内部状态，达到测试目的的同时降低了测试的难度。n 钔1 2 2 1 2 0 0 5 年1 1 月，u n s i g 建立了车载仿真平台，适用于测试e r t m s e t c s 各级车载系统，该测试 综述 平台包含了各级轨旁仿真器、速度传感仿真器、列车运行仿真平台、欧洲环线信 号发生器、应答器信号发生器等。另外，西班牙c e d e xl i f 实验室建立了e u r o c a b 测试平台，实现了测试序列定义，测试序列生成和查看、测试管理和测试结果分 析评估等功能。删 在地面子系统的仿真测试方面，意大利的p d it o m m a s o 研究了对e t c s 的地 面关键设备r b c 安全性进行测试的方法，主要是通过仿真方法提供列车与r b c 之 间数据通信异常情况下的测试案例，用于验证r b c 系统的安全性。研究发现只有 1 3 的测试规范适应正常的操作条件，其余的8 7 都是有关降级和异常测试( 分别是 5 2 和3 5 ) ，在如此分类的基础上，制定了一个称为“异常管理 的工具，它和正 常的仿真器是完全独立的。乜4 1 对于联锁设备的测试，德国、意大利、法国等都设 有计算机联锁系统的认证机构，拥有比较完善的测试平台，主要从系统认证、硬 件认证、故障一安全认证、应用软件检查认证等方面评估计算机联锁系统。晗卯另外， 我国同济大学软件测试评估研究室的“计算机联锁软件测试装置 和铁道科学研 究院的“t y j l i i 微机联锁p l c 模拟测试系统 等在业界也具有相当的代表性。啪3 在子系统间互联互通仿真测试以及系统自动化测试方面，国外发展的速度比 较快，比较具有代表性的例如：欧洲铁路研究中心开发的e t c s 仿真系统，可以仿 真e t c s 等级0 、l 、2 的功能田1 ；德国空间技术中心( d l r ) 的交通运输研究所建 立的仿真测试平台r a i l s i t e 系统，该系统可以仿真和测试车载系统、联锁系统、 轨旁系统以及列车控制台等多个设备啪1 ；法国的e a s a 的车载系统、无线闭塞中心 测试平台以及互联互通测试平台；英维斯集团下属西屋铁路系统公司和 d i m e t r o n i c 信号公司开发的e r t m s e t c s 测试仿真系统，可以实现r b c 、e v c 和联 锁等设备一体化仿真，以及提供轨道信号的验证功能汹1 。 由于起步较晚，我国在列控系统仿真测试技术的研究上相对落后，尤其是面 向c t c s 3 级仿真测试技术还处于起步阶段，近年来通过国内高等院校和科研机构 的不断努力，取得了可喜的成果。北京交通大学开展的国家重点实验室建设项目 叫t c s - 3 级列控系统仿真测试平台关键技术研究，经过几年的努力已取得初步 成果，实现仿真c t c s - 3 级列控设备控车运行的整个过程，并可以提供部分真实设 备测试功能。啷， 1 5 论文的主要工作 本论文根据c t c s 一3 级列控系统系统需求规范，通过对列控系统车载设备及其 主要运营场景的分析，采用统一建模语言u m l 描述车载设备系统用例、静态结构 和动态行为，根据建立的模型研究列车与地面交互通信的数据结构，设计和实现 9 北京交通大学硕士学位论文 满足c t c s - 3 级列控系统仿真测试要求的车载设备仿真和测试平台列车模拟 器，并通过该平台研究车载设备的测试方法及测试案例。 本论文的结构如下： 第一章：综述了本论文的选题背景、意义、国内外发展状况，概述了本论文 的主要工作和结构。 第二章：分析了c t c s 一3 级列控车载设备系统的体系结构、功能特征和主要运 营场景，针对其特点选取了统一建模语言u m l 作为建模方法，并简要介绍了u m l 面向对象建模方法。 第三章：采用u m l 建模方法对c t c s 一3 级列控车载设备系统进行建模分析，从 系统需求、静态结构和动态行为三个方面描述系统特征。 第四章：基于第三章中建立的u m l 分析模型，对c t c s - 3 级列控车载设备系统 进行仿真研究，阐述了其仿真和测试平台列车模拟器的设计和实现方法。 第五章：基于第三章中建立的u m l 分析模型，研究了c t c s - 3 级列控车载设备 系统的测试方法，简要讨论了如何生成测试案例和测试序列。 第六章：本论文的结论与展望。 1 6本章小结 本章简要了介绍本论文选题的目的和意义，介绍了国内外列控系统的发展情 况，概述了列控系统形式化建模方法以及仿真测试方法的研究现状，引申出本论 文的主要工作和框架结构。 1 0 c t c s 3 级列控系统车载设备介绍及其建模方法分析 2c t c s 3 级列控系统车载设备介绍及其建模方法分析 本章将介绍c t c s 一3 级列控车载设备的系统结构、系统功能和运营场景，同时 根据c t c s 一3 级列控车载设备的特点，分析应采用的建模方法。 2 1c t c s 3 级列控车载设备介绍 2 1 1c t c s 3 级列控系统概述 c t c s 一3 级列控系统是中国列车控制系统( c t c s ) 的重要组成等级，是在引进、 消化和吸收欧洲e t c s 一2 级列控系统技术体系、技术标准和成熟产品的基础上，通 过与我国铁路运输实际状况相结合的适应性改进，实现与c t c s - 2 级列控系统的集 成创新，是具有完全自主知识产权的列控系统。当前我国正在设计和建设的时速 达到3 5 0 k m h 的高速客运专线( 如武广线、郑西线、广深港线等) 均采用c t c s - 3 级列控系统。 c t c s 一3 级列控系统是基于无线通信( g s m r ) 的列车控制系统，通过无线网络实 现列车车载设备与地面无线闭塞中心( r b c ) 的双向信息传输，线路上安装固定应答 器组为列车提供定位信息，轨道电路仅用于列车的占用检查和列车完整性检测， 列车的运行控制由信号系统( c t c ，联锁设备、轨道电路等) 、无线闭塞中心等组成 的地面设备和车载设备共同完成。 c t c s 一3 级列控系统满足运营速度3 5 0 k m h 、最小追踪间隔3 分钟的要求，正 向按自动闭塞追踪运行，反向按自动站间闭塞运行，同时能够实现跨线运行。该 系统车载设备采用目标距离连续速度控制模式、设备制动优先的方式监控列车安 全运行。c t c s 一3 级列控系统采用c t c s 一2 级作为后备系统，当无线闭塞中心( r b c ) 或无线通信出现故障时，列车自动切换至c t c s - 2 级列控系统控制列车运行。 c t c s 一3 级列控系统由车载和地面两部分设备组成。系统包括以下子系统：无 线闭塞中心( r b c ) 、列控中心( t c c ) 、z p w 一2 0 0 0 ( u m ) 系列轨道电路、应答器( 含 l e u ) 、无线通信( g s m r ) 地面接口设备、车载子系统等。其中车载子系统包括以 下模块：车载安全计算机( e v c ) 、无线通信( g s m - r ) 车载接口设备( r t m ) 、轨道 电路信息接收单元( s t m ) 、应答器信息接收单元( b t m ) 、运行管理记录单元( j r u ) 、 人机界面( d m i ) 、列车接口单元( t i u ) 、测速模块等。系统组成结构如图2 - 1 所 示。 北京交通大学硕士学位论文 图2 - ic t c s - 3 级列控系统参考结构 f i g u r e2 1r e f e r e n c e ds t r u c t u r eo fc t c s 一3 各子系统主要功能如下： _ 无线闭塞中心( r b c ) ，通过g s m - r 无线通信系统接收车载设备发送的位置和列 车数据等信息，同时根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过 g s m - r 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给c t c s - 3 级系统 车载设备。 - 无线通信( g s m - r ) 地面接口设备，主要负责与地面g s m r 网络系统相连，实现 车地间大容量的信息交换。 1 2 c t c s 3 级列控系统车载设备介绍及其建模方法分析 一应答器，向车载设备传输定位、等级间转换、建立无线通信会晤等信息。同时， 向车载设备传送线路速度、线路坡度、临时限速等信息，满足后备c t c s 一2 级 列控系统控车需要。 轨道电路，主要用于列车占用检测及列车完整性检查。同时向列车发送轨道电 路编码，提供前方空闲间隔信息，满足后备c t c s - 2 级列控系统控车需要。 _ 列控中心( t c c ) ，主要用于接收轨道电路的轨道占用信息，并通过联锁系统传 送给无线闭塞中心，用于授权行车许可。同时，列控中心c t c s 一2 级列控系统 地面子系统的核心部分。当采用后备c t c s - 2 级列控系统时，列控中心根据轨 道区段占用信息、联锁进路信息、线路限速信息等，产生列车行车许可命令， 并通过轨道电路和有源应答器，传输给车载子系统，保证其管辖内的所有列车 的运行安全。 临时限速服务器 车载设备，控制列车运行，保证列车安全的主要载体。通过从无线闭塞中心获 取的行车许可、线路参数、临时限速等数据命令信息，生成速度模式曲线控制 列车运行速度。跚瑚1 2 1 2c t c s 3 级列控车载