（交通信息工程及控制专业论文）采用有色Petri网对基于通信的列车控制系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，基于通信的列车控制 ( c o m m u n i c a t i o n b a s e d l r a i n c o n t f o l ，c b t c ) 技术已成为当前铁路信号技术 发展的一个必然趋势。目前世界上其他国家已有几个比较成熟的c b t c 系 统，中国铁路也已制定了中国列车控制系统( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ， c t c s ) 的发展战略，目前正在逐步实施。c t c s 共分为5 个应用级别( 从0 级到4 级) ，其中第3 级和第4 级将采用c b t c 技术。由于我国当前没有制 定完整的c t c s 技术规范，并且没有投入实际运营的c b t c 线路，因此采用 仿真的方法对c b t c 系统进行研究是比较合适的方法。在众多的系统建模的 方法中，有色p e 缸网是其中非常有效的一种，它在铁路运输系统中的建模 的应用也越来越多。 p e t f i 网以图形的形式研究系统组织结构和动态特性，特别适合对离散事 件动态系统进行建模与分析。有色p e m 网在p e t r i 网的基础上增加了颜色集 和层次性特性，使得系统建模更加简便。因此，我们采用有色p e t r i 网对c b t c 系统进行建模和分析。 本文在分析和总结国内外的研究现状，并深入研究了p e m 网的理论知 识和应用的基础上，首先，根据c b l c 系统结构的特点，分三部分来建立 c b t c 系统c p n 模型，分别是：整体层、处理层和功能层，反映出系统的 不同层次的特性。然后，对部分关键功能进行了分析与建模，分别建立了无 线闭塞工作方式切换、无线闭塞中心 a d i ob 1 0 c kc 蹦l r a l ，r b c ) 区域交接 等功能层子模型，并在c p n l b o l s 工具软件中完成系统的建模、仿真与状态 空间分析。本文的研究将很好地展示c b t c 系统的结构和功能，验证列车运 彳亍控制算法和参数选择的合理性，为实际系统的开发提供理论依据。 关键词：列车运行控制，有色p e 缸网，仿真，c b t c ，层次性 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 y ， c o n t r o l t e c h n o l o g ya 1 1 dc o m m u i l i c a t i o nt e c l l l l o l o g y ，t l l ec o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i n c o n t 】0 l ( c b t c ) s y s t 锄h a sb e c o m et l l ed e v e l o p m e n tt r e n do fr a i l w a ys i g n a i i n g a tp r e s e n t ，t h e r eh a v eb e e ns e v e r a lr e l a t i v e l ym a t u r ec b t cs y s t 锄si nm ew o r l d c h i n e s em i n i s t r yo fr a i l w a y s ( m o r ) i sn o wa d v o c a t i n gc b t ct e c h n i q u e s ，a 1 1 d h a sm a d eas t m t e g yt od e v c l o pc h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m ( c t c s ) w h i c hi s n o wu n d e rs t e p 晰s ei m p l e m e n t a t i o n c t c sc o n s i s t so ff i v e 印p l i c a t i o nl e v e l s ， 在o ml e v e lot ol e v e l4 i nw h i c hl e v e l3a n dl e v e l4w i l lb eb a s e do nc b t c t e c h n i q u e s f o rt h e r ea r en o tac o m p l e t ec t c ss p c c i f i c a t i o na n dac b t cr a i l w a y p u n i n gi 1 1 t ou s e i nc h i n a ，m o d e l i n gm e c b t cs y s t e mi sap e r f e c tw a yt os t u d yi t a m o n ga l lt h em o d e l i n gm c t h o d s ，t h ec o l o r e dp e t r in e t s ( c p n ) i sav e r y e m c i e n tw a y ，w h i c hh a sb e e nm o r ea n dm o r eu s e di nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m p “n e t su s e sag r a p h i cf b n nt os t u d y 也ec o n s t n l c l i o na n dt h ed y n 锄i c c h 盯a c t e r i s t i co fas y s t e m ，e s p e c i a l l yf o rt l l em o d e l i n ga i l d 锄a l y z i n go fa d i s c r e t ee v e md y l l 锄i cs y s t e m s ( d e d s ) c o m p a r i n gw i mo r d i n 哪p e 城n e t s ， t h ec o l o r e dp e 砸n e t si 黼a s e s 也es p e c i a l t i e s 西t h ec 0 1 0 r e ds e t sa n db i e r a r c h y ， w l l i c hm a k e st h em o d c l i n go fas y s t e mm o r ee a s i l y a sar e s u l t ，、v cm o d e la n d s i m u l a t ec o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc 0 n t r o ls y s t e mb a s e do nc o l o r e dp e t r i n e t s 1 1 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do n 柚a l y z i n ga n ds 蚴a r i z i n gt h es t a t u so fc b t ct e c h n o l o 鼢a 1 1 d d e e p l ys t u d y i n gt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fp e t r in e t s ，a tf i r s tw es e tu p 协e s t n l c t u r eo fc b t cs y s t e m b a s e do nt 1 1 a t ，t h ec p nm o d e lo fc b t cs y s t e mc a l l b ed i v i d e di n t ot h l ep a n s ，w l l i c ha r et h ec o n t e x tl e v e l ，t 1 1 ep r o c e s sl e v e la n dt h e 如n c t i o nl e v e l t h em r e ei e v e l ss h o wi n d i v i d u a l l yt l ed i 伍玎e n tc h a r a c t e f i s t i co f m es y s t e m t h e nw eb u i l daf e ws u b m o d e l so ft h em n c t i o nl e v e l ，w h i c hs h o w s o m ei m p o r t a n tf i l r l c t i o n so fc b t cs y s t e m t h es u b - m o d e l si n c l u d et h e s 谢t c h i n go ft l l er a d i ob l o c k i n go p e r a t i o nm o d e ，t h er b c a r e ac h a n g e c t i o n f o rt l l e r ca r et o om a n y 胁c t i o n si nc b t cs y s t e m ，m es u b - m o d e l so ft h eo t h e r 如n c t i o n sh a v en o tb e e ns t u d i e dh e r e a l lt l l em o d e l j n ga i l ds i m u l a t i n gw o r kc a i l b ed o n ei nc p nt 0 0 l ss o n 呲t h i sp 印e rg i v e sag o o ds h o wo f 也ec o n s t n l c t i o n a n df u n c t i o no fc b t cs y s t e m ，p r o v i d e sa 1 1e f f i c i e n t 、张yt os e l e c ta n do p l i m i z c t h ep a r 锄e t e r sa n da r i t l l m e t i co ft h et r a i nn m n i n gc o n t m ls y s t e m ，w h i c hw i l lb e u s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to f t l l ea c t u a lc b t cs y s t e m k e y w o r d s ：c 0 1 0 r e d p e mn e t s ，s i m u l a t i o n ，c o m m n j c a t i o nb a s e dt r a i nc o m r 0 1 ， c b t c ；h i e r 盯c h y 】i l 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基于通信的列车控制( c b t c ) 系统的国内外研究现状 基于通信的列车控制( c b t c ) 系统是随着计算机技术、控制技术 和通信技术的发展而出现的一种新型列车运行控制系统，它在很多方面 将取代传统的基于轨道电路的列车控制方式，更好地满足铁路运输的安 全性、高速化和高效性要求，是未来铁路信号技术发展的主要方向。 传统的基于轨道电路的列车控制技术在铁路运输中发挥了重要 的作用，它通过轨道电路作为介质将地面信息传输到列车上，并且可以 方便地进行轨道占用检查和列车完整性检测。然而，随着铁路运输的高 速化发展，轨道电路的不足之处也日益显现出来，主要表现如下i l 】： ( 1 ) 首先，现代铁路运输越来越要求列车与地面控制中心之间进 行双向信息交流，这是保障列车运行安全和提高铁路运输效率的需要， 而轨道电路很难做到列车向地面控制中心传输信息： ( 2 ) 其次，采用轨道电路传输方式，地面向列车传输的信息量是 非常有限的，无法满足列车在不同速度下实现列车超速防护( a t p ) 或 列车自动驾驶( a 1 o ) 等功能的需要； ( 3 )用轨道电路构成的自动闭塞系统造价比较高，信号传输质量 容易受气候、道渣电阻等因素影响，可靠性不高； ( 4 ) 轨道电路需要大量电缆，其投资费用几乎占整个自动闭塞系 统的一半，同时维护费用也很大。 因此，新的基于通信的列车控制技术应运而生。 基于通信的列车控制系统( c b t ) 这一思想的萌芽出现在2 0 世纪6 0 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 年代，2 0 世纪8 0 年代初国外开始系统地展开研究并进行阶段性测试， 9 0 年代进入试验段测试阶段。1 9 9 9 年9 月，i e e e 将c b t c 定义为：“利 用高精度的列车定位( 不依赖于轨道电路) ，双向连续、大容量的车一地 数据通信，车载、地面的安全功能处理器等来实现的一种连续自动列车 控制系统”【2 l 。 基于通信的列车控制系统主要有以下应用特点： ( 1 ) c b t c 系统可以实现闭环控制，进一步提高列车控制系统的安 全性： ( 2 ) 可以充分提高区间的列车通过能力； ( 3 ) 从调度到车站可以直接提取线运行列车参数，便于掌握信息， 合理调度列车； ( 4 ) 调度控制中心易于应用智能技术来实现调度自动化； ( 5 ) 减少信号设备的维护量，节约成本等。 目前世界上已有多个比较成熟的c b t c 系统，并得到越来越广泛的 应用1 3 j 。在北美地区，美国铁路协会( 从r ) 于1 9 9 4 年提出了可靠列车 间隔p t s ( p o s i t i v et r a i ns ep a ：r a t i o n ) 和可靠列车控制p t c ( p o s i t i v et r a i n c o n t r 0 1 ) 【4 】；德国铁路早在6 0 年代就开始研究用于最高行车速度 2 0 0 k m l 的连续式列车运行控制系统( l z b ) ，1 9 9 3 年，西门子公司推 出无线列车控制系统( f z b ) 5 | 6 】；法国国营铁路公司( s n c f ) 于1 9 8 6 年开始了实时追踪自控化系统f a s t r e e ) 的研究工作f7 】日本于1 9 8 7 年 综合应用计算机和无线通信技术开发出新型的计算机和无线电辅助列车 控制系统c a r a t ( c o m p u t e ra n dr 且d i oa i d c d t r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 。并且 目前正在研制开发的新一代列车控制系统觚a c s ( a d v 眦c e dt r a i n 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 a d m i i l i s a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 引。 此外还有已在欧盟国家得到，“泛认可和使用的欧洲铁路运输管理系 统欧洲列车控制系统( e i u m s ，e t c s ) ，以及目前中国正在加紧制定和逐 步实旋的中国列车控制系统( c h i n at r a i nc o n 仃o ls y s t e mc t c s ) 。欧洲 的e r t m s e t c s 系统从1 9 9 0 年开始制定基本规范到目前在全球范围内 得到日益广泛的商业推广，经历了十多年的发展与完善，它的完整的技 术规范和高度的标准化为c b t c 技术的发展奠定了坚实的基础，并且对 中国的c t c s 系统技术规范的制定有很好的借鉴作用。中国的c t c s 系 统研究才刚刚起步，目前仅完成了c t c s 技术规范总则和部分规范的制 定，但是它对中国铁路运输的未来发展有着非凡的意义。本课题对c b t c 系统的研究主要参考了e r l r m s e t c s 系统和c t c s 系统中的基于通信的 列车控制部分的技术规范和需求，因此在下面将比较详细的介绍一下欧 洲的e t c s ，e r r m s 系统和中国的c t c s 系统。 1 2 欧洲e r t m s ，e t c s 系统介绍 1 2 1e r t m s 总体情况 e r t m s 是欧洲铁路运输管理系统( e u r 叩e a nr a i l n a 币c m a l l a g e m e n ts y s t e m ) 的简写，它是由欧盟委员会和国际铁路联盟组织开 发的，采用了基于通信的列车控制技术的新型管理和信号系统。其主要 目的是为了改善全欧洲范围内信号制式互不兼容的状况，建立一个既可 以兼容现有信号体制，又可以在各国统一推广使用的铁路信号标准，保 证各国的列车在欧洲铁路网内的互通运营，提高运输效率。同时，它还 能保证系统的可互操作性，增强系统的性能，增加系统实现的灵活性， 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 并降低信号系统的成本p 4 1 1 。 e r t m s 包括三个组成部分：欧洲铁路控制系统e t c s 、无线通信系 统g s mr 和欧洲运输管理系统e 1 m s 。 e r t m s 中的e t c s 部分涉及列车控制与信号方面，包含了所有 的信号技术，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 n p 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。e t c s 部分是我 们研究和借鉴的主要对象。 g s m r 是基于成熟的公共网络g s m 的技术，为铁路专用的通 信网络。g s m r 可以覆盖地面设备和车载设备，为它们提供连续、双 向的信息传输通道。 e t m s 是一个最优化的铁路运输系统，通过e t c s 接收列车的实 时信息，向旅客报告列车的实时位置，根据列车的实时信息和运行计划 优化列车的调度，并管理列车( 特别是国际列车) 的运行路径，从而提 高欧洲铁路的客货运输能力。 1 2 2e r t m s e t c s 系统的结构与应用等级 e r t m s e t c s 系统的结构分为地面子系统和车载子系统两大部分。 e r t m s 厄t c s 地面子系统的设备包括： ( 1 ) e u r o b a l i s e ( 欧洲应答器) ：按是否有源分成有源应答器 和无源应答器；按传输的信息是否可变分成固定型应答器和可变型应答 器。应答器为点式、地对车单向传输设备。 在应用等级1 中，欧洲应答器为可变型，与轨旁电子单元( l e u ) 相 连，用于向列车传送运行指令、速度曲线、线路坡度和位置信息； 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 在应用等级2 和等级3 中，欧洲应答器为固定型，只传输位置信息， 用于列车的定位参考。 ( 2 ) e u r o l o o p ( 欧洲环线) ：基于通信系统的定位感应环路。 在e r t m s e t c s 被用于半连续模式的线路时，欧洲环线用来传送注入信 息，强迫与轨旁信号一致。欧洲环线子系统主要用于等级l 的线路上，提 供列车运行方向上的下一个主要信号的预告信息。欧洲环线在传输信息 过程中具有比应答器更好的特性。 ( 3 ) 无线注入单元( r a d i oi 娟uu n i t ) ：执行与欧洲环线相同的 功能，也是提供列车运行方向上的下一个主要信号的预告信息，但是信 息传输通道利用g s m r 无线通信链路。 ( 4 ) e u r o r a d i o ( 欧洲无线) ：数据和语音双向的、连续的无 线传输系统，它使用一种特殊的、改进为铁路专用的g s m ( 即g s m - r ) 。 欧洲无线只在第2 、3 等级中使用，用于传输列车运行指令、列车状态和 列车位置等数字信息、以及司机和调度指挥人员等的语音信号。 ( 5 ) r b c ：它是联锁接口和运行权限的管理子系统。r b c 只在第 2 、3 等级中使用，完成列车运行的管理、发布列车运行指令( 运行权限) 等功能。在r b c 的控制区域里，r b c 通过欧洲无线与列车进行双向连续 通信。 ( 6 ) l e u ( l i n ee l e c 仃d n i cu n i t ，轨旁电子单元) ：用于连接铺设在 轨道中的欧洲应答器和欧洲环线。l e u 根据来自地面系统( 如联锁中心 和轨道电路) 的消息进行编码，产生由欧洲应答器欧洲环线向车载设备 发送的报文。 e r t m s e t c s 地面子系统各模块间传输的信息及流向如图1 1 所示 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 车载设备 ；报文环爿i 匣空 无k 文无爿报文无笥r 文无m 文 应菩 ill ；7 ： ll 鬻蓦4 镒攀纛臻j 鬻陵 镰j4 “盼。 黧 “ f 欧洲无线、 u ：鬻 、 i j 搿。! 。一。 ；。到n 洲应答s 匿辫i 欧洲环线匿。， ￥二二 j 。慝薹粪l 掰。潮 壤 无线k 文无硅报文 m k “、j 鬻 *蕊、l 囊骥鬻t 翳。簿醒 鬃囊麓辨 蹲。r 。 鍪 鬻慧 鬻黎罄厂棱心单元、 囊 、 一7 蠹 c 戮。一鞭 嚣“ “_ 豢嚣麟鬻囊鐾 无线填充单元 盲息鞋铮 言喜 联十息联十息l 嚣 碰铮 眭馈中心轨旁电子单元 e r t m s e t c s 车载设备是一个基于欧洲安全计算机的系统，它基于 与地面子系统的交换信息来控制列车运行。车载子系统的设备包括如下： ( 1 )e u r o c a b ( 欧洲车载设备) ：包括车载计算机( 欧洲安全 计算机e v c e u r o p e a i lv i t a lc o m p u t e r ) 、人机接口( m m i m a nm a c h i n e i n t e r 丘l c e ) 和里程计( 0 d o m e t e r ) 。 欧洲安全计算机e v c 是车载设备的核心，采用三取二冗余结构。e v c 处理列车通过欧洲点式应答器、g s m r 无线电、欧洲环线等模块接收信 息，并控制列车运行。 m m l 提供司机与车载设备的接口，向司机显示提示信息；司机通过 m m i 输入部分参数。 里程计用于测量列车的速度和列车的走行距离( 测速、测距) 。 ( 2 )s r i m ( s d e c i n c t r a l l s m i s s i o n m o d u l e 一专用传输模块) ：用 6 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 于与现有的列车控皋和监视系统的互通运营，使装备了e r t m s 系统的列 车可阻在未装备e r t m s 的线路上行驶。 ( 3 )b t m ( b a l i s et r a l l s m i s s i o nm o d u l p 应答器传输模块) ：与 欧洲应答器接口的车载设备，为无源应答器提供能量、同时接收应答器 发送的信息。 ( 4 ) l t m ( l o o pt r 黜m i s s i o n m o d u l e 一环线传输模块) ：与欧洲 环线接口的车载设备，用于接收欧洲环线发送的信息。 ( 5 ) t 1 m ( t e l e c o 眦m i c a t i o nt f a i l s m i s s i o nm o d u l e 一无线通信传 输模块) ；与无线通信( e u r o i 认d i o ) 接口的车载设备，通过欧洲无 线实现车地之间的双向连续信息传输。 e r t m s e t c s 车载子系统各模块之问传输信息及流向如图1 2 所 示： j ：纂蠢鳞麓蕊戴j i l | j 萋蓍簇黍篱篱蘸蒸j - ? r 曩i 鼍“；i f 一。、7 7 i r 一? - - 圈1 2 车载子系统各模块之间传输的信息 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 由于欧洲各个国家在线路速度、运行模式和线路复杂度等方面存在 着差异，造成了这些国家的铁路在信号上的需求也是不相同的。因此， 在e r t m s 厄t c s 技术规范中定义了不同的应用等级，允许每个独立的铁 路管理部门根据各自的策略、地面基础设施以及所要求的系统性能来选 择合适的e r t m 蛐t c s 应用设备。丽且，不同的应用等级允许各自的信 号系统和列车控制系统与e r i m s e t c s 系统进行接口。 定义不同的应用等级主要与所用的地面设备、地面信息传输到车载 单元的方式、以及地面和车载设备分别处理何种功能有关。e r t m s e t c s 中定义了5 个应用等级，每个应用等级都有套不同的特征和功能，具 体描述如下： 应用等级o 是为了使装备了e r t m s e t c s 的列车能够在未装备 e r t m s ，e t c s 地面子系统或者没有国有( 本地) 信号系统的线路上运行， 或者在试运行中的e i h m s 】盯c s 线路中运行。司机依据运行线路上的 地面信号行驶。 应用等级s t m 是为了使装备了e i h m s e t c s 的列车能够在装备了 本国信号系统( 非e r t m s 压t s 地面子系统) 的线路上运行，它们之 间通过s 1 m ( 专用传输模块) 进行接口。 应用等级1 分为两种情况：有注入功能和无注入功能。无注入功能的 应用等级1 是在现有信号系统的基础上增加不需注入的欧洲应答器，车载 设备装备e r t m s e t c s 的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 ) a t w ( a u t o m a t i c1 r a i nw 枷i n g ) ；具有注入功能的应用等级1 除了具有与无 注入功能的等级l 相同的特点外，还具有以下特点： 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 驾驶室有机车信号，但可以保留地面信号； 采用欧洲环线传输操作列车时所需的注入信息，这些信息显示在 司机控制台的显示器上； 由于欧洲环线和欧洲无线注入允许不需要缓解速度的运行，从而 提高了等级l 系统的安全性。 应用等级2 是基于无线通信( g s m r ) 的列车控制系统，实现地面一 列车的连续的、双向的信息传输。它是装备了e r l m s e t c s 的列车，在 由r b c 控制的、并且装备了欧洲查询应答器( e u f o b a l i s e ) 和欧洲无线 ( e u r om d i o ) 的线路上运行，由地面设备提供列车定位功能和列车完整 性检测。 应用等级2 的主要特点是： 运行权限由r b c 产生，通过欧洲无线( e 1 1 r o m d i o ) 传到列车上。 其它与列车运行安全有关的信息，如列车状态和列车位置等信息也通过 欧洲无线传输； 提供了一个连续的速度监控系统( a t p 系统) ，可防止列车超越 运行权限； 欧洲查询应答器作为点式固定信息传输设备，为列车提供定位参 考信息； 列车按固定闭塞方式运行，采用速度一距离模式曲线控制方式； 列车操作信息显示在司机控制台的显示器上： 应用等级3 采用欧洲查询应答器( e u r o _ b a i i s e ) 、欧洲无线( g s m - r ) 、 车载的列车完整性检测和定位设备。它是基予无线通信实施连续速度监 9 北京交通大学硕士学位论文第章绪论 督的列车控制系统，以移动闭塞的方式运营。e r t m s ，e t c s 应用等级3 的特点是： 以g s m r 作为地面对列车的通信手段，而查询应答器作为 点式传输设备，主要提供地点参考信息： r b c 向列车提供信息，并通过唯一的识别手段了解列车信 息； 列车位置和列车完整性检查由列车和地面r b c 联合完成； 列车自动报告自身的位置； 无轨道电路设备和计轴设备： 列车操作信息显示在司机控制台的显示器上； 1 2 3e r t m s e t c s 的特点及优势 e r t m s e t c s 技术的核心思想是：以欧洲车载设备e u r o c a b 为核 心：以欧洲应答器( e u r o b a l i s e ) 作为列车定位修正基准；以欧洲应 答器e u r o b a l i s e ( 应用等级1 ) 、欧洲环线e u r o l o o p ( 应用等级1 ) 及欧洲无线e u r o 黜山i o ( 应用等级2 、应用等级3 ) 作为车一地信息 传输的通道；以c b t c 作为欧洲铁路列车运行控制系统今后的发展方向。 e r t m s ，e t c s 在结构上具有以下特点： ( 1 ) 模块化结构。系统采用模块化，一方面便于维护管理，另一 方面便于不同厂家设备的互换使用。 ( 2 ) 接口标准化。在欧洲共同体和国际铁路联盟u i c 的支持下， 欧洲所有信号公司共同组建了u n i s i g 工作组，共同制定了统的 0 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 e r t m s 标准，即e r t m s 技术规范。该规范对设备的功能、设备闯连接 的接口、数据通信协议与格式等制定了统一的标准。 ( 3 ) 不同的应用等级。针对欧洲各国铁路信号制式的差异和运输 需要的不同，定义了5 个应用等级。5 个等级的系统按模块方式构成非常 方便，为删s e t c s 的用户提供了极大的灵活性。低等级系统升级方便、 不同等级可以互通运营。 ( 4 )显示界面一致性。不但不同厂家设备的显示界面一致，而且 在不同的应用等级中，显示界面的布局相同，只是显示内容有所差别。 ( 5 ) 设备的操作方法相同。不同厂家设备的操作方式相同，只要 熟悉一个厂家的设备，就会使用其它厂家的设备。 ( 6 )设备的维护方法相同。 e r t m s e t c s 在技术上具有以下特点： ( 1 ) 系统的开放性 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准 的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同 标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之 间可实现信息交换。 e r l m s 技术规范是得到欧洲共同体和国际铁路联盟承认的标准，而 且该标准是公开的。所有e r t m s 的设备供应商都可以按照标准设计生产 e r t m s 设备。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而 互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 由于所有的e r t m s 的设备供应商均按照统一的e r t m s 技术规范来 设计生产，所以不同厂家的e r t m s 设备可以任意组合、任意互换使用。 ( 3 ) 兼容性 e r t m s e t c s 的5 个应用等级的机车尽管其装备的车载设备不同， 但机车可以在不同等级的线路互通运营。 ( 4 ) 可升级 e r t m s e t c s 的低等级系统在原有设备的基础上，增加一些新的设 备( 模块) 就能方便升级到更高的等级，原有的列控车载设备在高等级 的系统中继续使用。 1 3 中国列车运行控制系统( c t c s ) 介绍 为提高中国铁路运输的安全性，满足互通运营，规范系统设计，适 应发展需求，中国铁路提出了中国列车运行控制系统( c t c s ) 发展战略。 1 3 1c t c s 的体系结构 c t c s 的体系结构按铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层 和车载设备层配置，层次结构图l - 3 所示： 铁路运输管理层 网络传输层 地面设备层车载设备层 图1 3c 1 s 体系结构 铁路运输管理系统是行车指挥中心，以c t c s 为行车安全保障基础， 通过通信网络实现对列车运行的控制和管理。 1 2 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 网络传输层分布在系统的各个层面，通过有线和无线通信方式实现 数据传输。 地面设备层主要包括列控中心、轨道电路、查询应答器、接口单元、 无线通信模块等。列控中心是地面设备的核心，根据行车命令、列车进 路、列车运行状况和设备状况，通过安全逻辑运算，产生控车命令，实 现对运行列车的控制。 车载设备层是对列车进行操纵和控制的主体，具有多种控制模式， 并能够适应轨道电路、查询应答器和无线传输方式。车载设备层主要包 括车载安全计算机、连续信息接收模块、点式信息接收模块、无线通信 模块、测速模块、人机界面和记录单元等。 c t c s 为了保证列车安全运行，以分解形式满足不同的线路运输需 求。根据系统配置按功能划分为5 级。i ”j c t c s0 级为即有线路的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置 构成； c t c s1 级由主体机车信号+ 加强型运行监控记录装置组成。它主要 面向1 6 0 k 耐h 以下的区段，在即有设备基础上强化改造，达到机车信号 主体化要求，并增加查询应答器，实现列车运行安全监控功能。 c t c s2 级是基于轨道传输信息的列车运行控制系统，主要面向提速 干线和高速新线，采用车一地一体化设计。它适用于各种提速区段，地 面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。c t c s3 级是基于无 线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 主要面向提速干线和高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或 虚拟自动闭塞。它适用于各种提速区段，地面可不设通过信号机，机车 乘务员凭车载信号行车。第3 级在第2 级的基础上，地面设备中采用r b c 通过无线通信手段对地面列车进行间隔控制，根据列车占用情况及进路 状态向所管辖的列车发出行车许可和列车控制信息；点式信息设备只提 供列车定位信息。 c t c s4 级是基于无线传输信息的列车运行控制系统。主要面向高速 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。 它由r b c 和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，地面可 不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 c t c s 各级之间存在以下关系：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；系统车载设备向下兼容； 系统级间转换应自动完成；系统地面、车载配置如具备条件，在系统故 障条件下应允许降级使用；系统级问转换应不影响列车正常运行。系统 各级状态应有清晰的表示。 c t c s 的研究才刚刚起步，目前只制订了c t c s 技术规范总则，还 有相当一部分的规范，如：功能需求规范、系统需求规范、查询应答嚣 规范、列控中心技术规范以及各种接口的规范正在研究和制订当中。一 方面需要积极学习国外先进的列车控制技术，特别是参考欧洲 e r t m s 愿t c s 系统的技术规范研究和制订的有效经验，另外还需广泛进 行相关理论的研究和在实际线路中的推广与应用。c t c s 技术的完善和 实施对中国铁路未来发展有着深远的意义，需要广大铁路工作者和研究 者长期不懈的投入和努力。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 4p e t r i 网方法在铁路运输领域的应用 p e t r i 网方法已经在计算机软硬件的建模与分析、分布式数据库、生 产管理、通信网络、柔性制造系统等方面得到了广泛的应用，其在铁路 运输方面的应用是一个比较新的研究领域。目前，国内外的一些铁路专 家正在进行这方面的探索。 在国外，已经出现了采用p e 伍网分别对车站、区间、以及交叉路口 的建模与分析3 5 1 口们，还要用有色p e t r i 网建立乘客流模型的研究。这些 研究主要针对铁路运输的某个具体方面，相对来说模型比较简单些，在 对列车运行控制系统的建模就复杂多了。值得一提的是德国 b r a m l s c h w e i g 技术大学的m m e y e rz uh a r s t e 等人采用有色p e t r i 网对德 国d e u t s c h e b a l l n a g 铁路的列车控制系统的建模，他们用了1 6 8 个层次 性网络，2 5 8 3 个网络元素建立一个由车载、r b c 和环境三部分组成的完 整的系统模型，取得了丰富的研究成果。 国内用p e t r i 网对铁路系统的建模研究起步比较晚，最近几年才出现 对编组站作业系统口玎、行车指挥系统3 4 1 的建模研究。这些模型虽然能 较好地反映系统的工作特点，但模型的规模都比较小，一般由一个或几 个层次网页组成，并且采用人工分析，工作量比较大，不能很好地获得 系统模型的性能特征。 1 5 论文的目的和意义 c b t c 技术已成为列车控制技术发展的一个重要方向，通过对c b t c 系统的仿真研究，可以为中国铁路未来的发展提供丰富的理论基础。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 p e t r i 网是对动态系统离散事件建模的非常有效的方法，在多个领域 得到了广泛的应用，有着丰富的理论基础和实际应用的经验积累。但是 p e t r i 网在铁路运输上的应用还不太多，特别是在国内，才刚刚起步。本 文采用有色p e m 网对c b t c 系统的建模和分析，是一个积极的尝试和探 索。 用有色p e 仃i 网建立c b t c 系统的仿真模型对实际c b t c 系统的开 发和实施提供理论支持，对技术规范的制定、系统的结构和功能的分析、 重要参数的选择以及列车运行控制算法的比较都很有帮助。 1 6 论文的主要内容 ( 1 )研究和分析国内外c b t c 技术的发展现状，重点分析了 e r l m s e t c s 系统和c t c s 系统的结构和特点； ( 2 ) 研究了p e 嫡网的相关理论知识和有色p e 伍网的特点，熟悉 了c p nt o o l s 工具软件的使用，采用其来对c b t c 系统进行建模； ( 3 )分三部分建立c b t c 系统的c p n 层次性模型，分别为：整 体层、处理层和功能层； ( 4 ) 对c t b c 部分重要功能，如无线闭塞通信方式、r b c 边界 控制交接、以及速度曲线计算进行建模和仿真分析； ( 5 ) 总结和展望。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章p e t r i 网基本理论及应用 p e m 网的概念最早是由德国科学家c a da d a mp e t r i 于1 9 6 2 年在他 的博士论文中提出。p e 喇网是一种以图形形式研究系统组织结构和动态 特性的理论，尤其对以异步、并发、分布、并行、不确定或随机为特征 的信息处理系统的描述和研究非常有效【2 0 】。p c 仃i 网作为一种图形工具， 可以通过网图中标记的流动来模拟系统的动态和并发活动；同时，p e 衄 网具有丰富的理论基础，通过分析它的各种性质可以评价并完善系统的 性能；此外，p e 埘网作为一种数学工具，还可以通过建立状态方程、代 数方程以及其它数学模型来把握系统的行为。随着计算机技术的发展， 出现了不少新的p e m 网工具软件，使得采用p e t r i 网对复杂系统的建模 与分析的能力得到了大大的增强。 2 。1p e t r _ 网的基本概念 2 1 1p e t r i 网的描述 【腿r i 网定义】从抽象和一般的角度，一个p e 打i 网可以表示为一个 六元组，即： p n = ( p ，t ，f ，k ，w ，m ) ，其中各个符号的含义为： p = ( p l ，p 2 ，p n ) 为有限位置( p l a c e ) 集 n o ： t = t 1 ，t 2 ，t m 为有限变迁( 缸锄s i t i o n ) 集，m o ，且p n t 2 中八 p u t 中： 7 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 f c ( p t ) u ( t p ) 。是网的流关系，x 是笛卡儿乘积。若f = ( p ，t ) f ，则称库所p 是变迁t 的输入库所，t 是p 的输出变迁； 若f = ( t ，p ) f ，称变迁t 是库所p 的输入变迁，p 是t 的输出库所。 k ：p 一 l ，2 ，3 ， 是库所容量函数，对于p i p ，k ( p i ) = 一表示库 所p i 的容量无穷： w ：f 一 1 ，2 ，3 ) 是权( w 萌g h t ) 函数； m ：p 一 1 ，2 ，3 ，) 是p n 的标识函数( m a r k i n g ) ，对于p i p ， m ( p i ) = k 表示库所p i 里有k 个标记( t o k c n ) 。标识m 可用一个 m 维向量来表示，把这个向量仍记为m ，即m ( p i ) = m ( i ) 。初始标 识用m o 表示【1 4 】。 p e t r i 网图是对p c t r i 网的六元组的一种图形化表示。在p e t r i 网图中， p 表示“库所”节点集，用圆( 或椭圆) 表示；t 代表“变迁”节点集， 通常用短线表示( 有时也用小方框表示) 。f 代表节点间的有向弧集，可 以决定图中所有库所节点和变迁节点之间存在的有向弧。有向弧( p ，t ) 表示从库所节点p 指向变迁节点t 的连接弧，在图上用单向箭头从p 连 接到t ；有向弧( t ，p ) 表示从变迁节点t 指向库所节点p 的连接弧，在 图上用单向箭头从t 连接到p ；w 表示以有向弧的“权”为元素所构成 的向量。在图上如果有多重输入或多重输出的有向弧，可以表示为加权 有向弧，即只画出一条有向弧并在其旁边注“权”以表示输入或输出重 数。当权重为1 时，标注常予以省略。 图2 1 为这样一个典型的p e 啊网图示例。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 图2 1 一个典型的p e t n 网图 2 1 2p e t r i 网的相关特性 p e t r i 网主要具有以下一些特征： 可达性( r e 雏h a b i