CTCS2+ATO列控系统通信控制服务器建模与应用问题研究

摘要

珠江三角洲城际客运专线由于其地理位置的特殊性而在线路规划和列车运营方面面临了一系列的要求和挑战，具体表现为区域网络化、服务公交化以及客流量大，因此铁路总公司与广东省为珠三角城际铁路确定了基于CTCS-2级列控系统扩展ATO功能的列控系统。通信控制服务器（Communication Control Server，CCS）是珠三角城际铁路CTCS2+ATO级列控系统的一个重要安全子系统，是以计算机为主要技术手段，实现安全门防护及控制、运行计划转发等功能，从而满足城际铁路线路规模和运输作业的需要。本文以通信控制服务器中的关键技术为主要对象，对其逻辑处理单元和ISDN服务器子系统进行了深入的分析和讨论。
　　本文首先对通信控制服务器应用场景进行讨论，使用分层着色Petri网的形式化方法对通信控制服务器逻辑处理单元的关键场景进行建模，模型包括周期和非周期消息机制模型、GSM-R故障子模型、列车注册与启动模型、列车注销模型、车门与屏蔽门的防护和联动控制模型、列车自动运行调整模型等。在实验室仿真实验中，利用CPN-TOOLS的分析功能对分层着色Petri网模型进行验证分析，得到随着重发时间间隔的增加，模型消息包丢失概率减小，但传输延时的时间会增加的规律，最终得到消息重发的时间间隔值为3.0s-3.5s。
　　通信控制器应用场景大多需要司机的配合，然而司机身份的识别仅仅依靠的是司机在驾驶台人机交互界面中输入ID号，具有一定的安全隐患。因此本文提出了一种利用将身份信息嵌入语音信号中的信息隐藏方法来保证司机身份有效的设计思路，并且描述了信息隐藏算法中的编码和解码过程。在上述信息隐藏算法的实现中，语音信号的数据量较大，远大于车地通信消息的数据量，因此本文在保证传输可靠性的基础上提出了基于基音周期的带宽节省方法，在人类听觉能够分辨的前提下，利用基音周期将语音信号进行压缩后传输，降低了语音信号的带宽占用。
　　参照《欧洲无线电系统功能接口规范》中制定的通信功能方案，使用分层化和模块化的方法设计了通信控制服务器中的ISDN服务器子系统的物理层、数据链路层和网络层，其中数据链路层和网络层采用纯软件的方式，对硬件要求仅有支持透明传输，设计上具有较低的耦合性。根据ISDN服务器的单生产者单消费者模型，针对研发中出现的吞吐率低的问题，设计了无锁队列，并对无锁队列进行了优化，仿真实验结果表明，无锁队列是阻塞队列性能的2倍。以《欧洲无线电系统功能接口规范》中描述的时序为基础扩展出更详细的ISDN服务器时序图。然后是仿真测试环境的搭建和测试序列的介绍和分析，尤其针对通信控制服务器的列车注册与启动、列车的注销、车门与屏蔽门的防护及联动控制，以及列车运行自动调整等功能测试用例进行详细阐述。

目录

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致谢

摘要

图索引

表索引

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外列控技术发展现状

1．3 CTCS2+ATO列控系统简介

1．4 问题提出及研究的思路、目标和方法

1．5 技术路线及论文结构

2 通信控制服务器运营场景的分析

2．1 通信控制服务器简介

2．2 通信控制服务器系统结构

2．3 通信控制服务器场景描述

3 通信控制服务器运营场景建模

3．1 形式化建模方法及工具

3．2 通信控制服务器运营场景仿真设计及建模

3．3 通信控制服务器逻辑处理子系统模型的验证与分析

3．4 本章小结

4 通信控制服务器运营场景的应用问题研究

4．1 问题提出及研究意义

4．2 信息隐藏技术研究现状

4．3 语音编码技术介绍

4．4 列车司机身份信息隐藏方案介绍

4．5 基于线谱频率参数的语音编码信息隐藏算法

4．6 基于线谱频率参数的语音编码信息隐藏算法实验结果

4．7 基于基音周期的语音带宽节省算法

4．8 基于基音周期的带宽节省算法分析及实验结果

4．9 本章小结

5 通信控制服务器ISDN子系统的设计、实现和仿真测试

5．1 ISDN子系统简介

5．2 ISDN服务器物理层

5．3 数据链路层和网络层

5．4 基于无锁队列的ISDN服务器通信模型研究

5．5 ISDN服务器通信时序

5．6 通信控制服务器实验室仿真测试

5．7 本章小结

6 全文总结与未来工作展望

6．1 本文主要工作

6．2 本文创新点

6．3 下一步研究展望

参考文献

作者简历及科研成果清单表格样式

附录