基于着色Petri网的列控系统等级转换建模分析与半实物仿真

摘要

随着我国高速铁路里程和运行速度的提升，列车运行控制系统的稳定性和可靠性要求也越发严苛。目前客运专线和高速铁路使用的CTCS-3级列控系统，采用了将GSM-R信息传输与轨道电路相结合的设计方案。等级转换作为CTCS-3级列控系统的主要运营场景，转换过程所用时长和转换成功概率，直接影响到列车运行安全和行车效率。
　　本文以列控系统等级转换作为研究对象，采用层次化建模思想，以着色Petri网为形式化建模工具，模拟了等级转换过程中无线闭塞中心(Radio Block Center，RBC)、车载设备和应答器组之间的信息交互过程，分析了列车速度对等级转换实时性的要求和对转换成功概率的影响，并以此为理论基础完成了等级转换仿真软件的开发。
　　本文主要包括以下工作。首先，概述了CTCS-3级列控系统组成和等级转换过程，分析了利用着色Petri网进行铁路方向研究的现状，对着色Petri网理论和开发工具CPN Tools做了简要说明，并阐述了后文要用到的模型分析方法。其次，分析了等级转换的详细过程及车-地通信的数据交互，并针对等级转换的两种情况，采用自上而下的建模方式，分别建立了CTCS-2至CTCS-3级转换模型和CTCS-3至CTCS-2级转换模型;分析典型设备故障导致降级的场景，分别建立故障降级时车载设备行为和RBC行为模型。之后，利用状态空间法分析所搭建模型的可达性、有界性、家态性、活性和公平性，验证了模型结构和逻辑的正确性;分析了正常情况下等级转换模型的性能，得到了列车运行速度与转换时间和成功概率的关系，并讨论了影响等级转换稳定性的因素。最后，根据前文模型，对等级转换仿真软件进行了功能性需求分析和模块化划分，设计了各个子模块功能，基于Visual Studio2012平台和MySQL数据库完成RBC仿真系统开发，与CTCS-3真平台其他仿子系统联调，实现了等级转换的半实物仿真。模型和系统仿真为列控系统等级转换的研究和工程设计提供了参考。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 背景和意义

1．2．1 系统介绍

1．2．2 列控系统等级转换概述

1．3 Petri网建模应用于铁路的研究现状

1．4 论文主要工作

2．1 Petri网理论

2．1．1 Petri网概述

2．1．2 Petri网基本定义

2．2 着色Petri网理论及建模与分析

2．2．1 着色Petri网理论

2．2．2 CPN tools介绍

2．2．3 着色Petri网模型构造方法

2．2．4 着色Petri网模型的属性和分析方法

2．3 本章小结

3 列控系统CTCS-2／CTCS-3等级转换CPN建模

3．1 RBC系统模型

3．1．1 RBC仿真子系统数据流分析

3．1．2 RBC系统模型

3．2．1 CTCS-2级转换到CTCS-3级场景描述

3．2．2 CTCS-2至CTCS-3级列控系统等级转换CPN顶层模型

3．2．3 顶层模型的细化

3．3 CTCS-3至CTCS-2级列控系统等级转换CPN模型

3．3．1 CTCS-3级转换到CTCS-2级场景描述

3．3．2 CTCS-3至CTCS-2级列控系统等级转换CPN顶层模型

3．3．3 顶层模型的细化

3．4 列控系统故障降级CPN模型

3．4．1 故障引发降级车载设备行为的CPN模型

3．4．2 故障引发降级RBC行为的CPN模型

3．5 本章小结

4 列控系统等级转换CPN模型性能分析

4．1．1 CTCS-2至CTCS-3等级转换模型动态属性分析

4．1．2 CTCS-2至CTCS-3等级转换模型性能分析

4．2 CTCS-3至CTCS-2等级转换模型性能分析

4．2．2 CTCS-3至CTCS-2等级转换模型性能分析

4．3 故障引发降级模型性能分析

4．3．1 故障引发降级车载设备行为CPN模型的动态属性分析

4．3．2 故障引发降级RBC行为的CPN模型

4．4 本章小结

5 列控系统CTCS-2／CTCS-3等级转换仿真实现

5．1 平台整体结构介绍

5．2 等级转换软件功能需求分析

5．2．1 等级转换软件安全性需求

5．2．2 等级转换软件功能需求

5．3 等级转换软件设计

5．3．1 RBC仿真系统软件模块划分

5．3．2 等级转换功能划分

5．4 等级转换仿真软件设计

5．4．1 线路数据管理模块设计

5．4．2 应答器布置设计

5．4．3 RBC仿真软件设计

5．5 仿真软件测试

5．5．1 CTCS-2至CTCS-3级控车仿真

5．5．2 CTCS-3至CTCS-2级控车仿真

5．6 本章小结

6 结论与展望

参考文献

附录

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