基于失效传播模型的CTCS-3级列控系统安全分析方法

摘要

日益蓬勃发展的高速铁路是国民经济的大动脉。为了满足高速铁路运行的高速度、高密度以及高安全性的需求，我国开发了CTCS-3级的列车运行控制系统，来实现列车速度和运行间隔的控制，以保证铁路运输的安全和运营效率。CTCS-3级列控系统的最大特点是基于GSM-R的无线通信系统来实现地面设备和车载设备之间的信息交互。然而，当列车在高速运行而越过相邻RBC边界时会引起车载设备与相邻RBC的通信切换，这涉及到了GSM-R无线消息传输以及局域网有线消息的传输等复杂过程，是CTCS-3级列控系统研究中的重点和难点问题。
　　本文在深入了解基于模型的系统安全分析方法思想系统的基础上，针对列控系统的RBC切换过程的分层特点以及消息交互的状态流特点，采用Simulink与Stateflow相结合的方法，对RBC切换过程进行建模，并结合基于模型的系统安全分析方法步骤，扩展系统模型，加入失效模型，加入消息状态跟踪变量，最终实现对失效消息传播路径的跟踪。验证结果表明，所建模型很好地模拟了系统的行为，基于模型的分析很好地满足了系统安全分析需求。论文的主要工作如下:
　　(1)介绍传统安全分析方法的步骤与概念，引入基于模型的系统安全分析方法思维体系，并详细介绍该方法的步骤、发展以及成果。
　　(2)综述CTCS-3级列控系统的组成，并着重介绍RBC切换场景的消息交互流程。针对系统的特点，选用Simulink与Stateflow相结合的方式对系统建模，并分析建模的可行性、框架与基本步骤方法。
　　(3)利用Simulink/Stateflow对RBC切换场景的消息交互过程进行建模，研究其实现的方式，清晰地模拟通信系统的消息交互流程，并对切换过程进行验证。
　　(4)根据基于模型的系统安全分析方法思路，建立系统失效模型。对系统的失效模式进行识别与分析，针对分析出的失效模型进行建模，并扩展系统原来模型进行扩展，添加失效状态标签以及失效触发条件。
　　(5)在系统模型与失效模型的基础上，利用Simulink模块对系统失效过程添加跟踪信号，实现失效传播过程的跟踪;并在Matlab工作空间中实现了对跟踪数据的处理。根据所得数据以及状态转移结果，生成了基于FMEA安全分析结果。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 基于模型的安全分析方法概述

1．3 国内外研究现状及分析

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．3．3 研究现状分析

1．4 选题意义

1．5 论文内容及结构安排

1．5．1 论文主要研究内容

1．5．2 论文结构安排

2 系统安全分析方法

2．1 专业术语

2．1．1 基本定义

2．1．2 故障、错误以及失效

2．1．3 故障、错误以及失效的关系

2．2 传统安全分析过程

2．2．1 功能隐患分析

2．2．2 初步系统安全分析

2．2．3 系统安全分析

2．2．4 传统安全分析问题

2．3 基于模型的安全分析过程

2．3．1 基于模型的开发

2．3．2 基于模型安全分析方法

2．3．3 相关研究工作

2．4 本章小结

3 Simulink／Stateflow与列控系统建模框架

3．1 Simulink／Stateflow建模概述

3．1．1 Simulink建模理论

3．1．2 Stateflow建模与应用

3．2 CTCS-3级列控系统建模概述

3．2．1 CTCS-3级列控系统概述

3．2．2 RBC切换场景概述

3．3 列控系统分层建模方法与框架

3．3．1 系统建模方法

3．3．2 系统分层建模概述

3．3．3 列控系统分层建模框架

3．3．4 故障建模与注入框架

3．4 本章小结

4 基于Simulink／Stateflow的RBC切换场景建模与验证

4．1 基于Simulink／Stateflow的RBC切换场景建模需求分析

4．2 基于Simulink／Staeflow的RBC切换场景模型总体设计

4．3 基于Simulink／Stateflow的RBC切换场景详细设计

4．3．1 移交RBC模型设计

4．3．2 GSM-R模型设计

4．3．3 车载模型设计

4．3．4 接收RBC模型设计

4．4 基于Simulink／Stateflow的RBC切换场景消息传输验证仿真

4．5 本章小结

5 故障建模与系统安全分析

5．1 RBC切换故障模式识别

5．2 故障建模与故障注入

5．2．1 故障模式建模

5．2．2 故障注入与验证

5．3 失效路径自动生成及自动化分析

5．3．1 失效传播路径自动生成

5．3．2 基于FMEA的安全分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要成果

6．2 不足与展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历

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