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| 內容簡介： |
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随着我国铁路事业的快速发展，对列车运行控制系统安全性的研究已成为目前铁路运输系统的重要研究问题。形式化方法为设计高可信系统提供了重要途径。本书采用形式化理论、复杂系统建模等理论对列车运行过程中安全关键因素，如无线通信网络性能、计算机联锁控制系统、多列车安全追踪等问题进行了深入研究。本书取材新颖，深入浅出地介绍了列车安全运行高可信形式化理论体系，体现了列控系统形式化研究方面的新理论和进展。通过大量的案例，配以实现过程，使读者能够快速掌握形式化理论和实现方法。本书适合作为交通运输、计算机科学、自动控制、系统工程等专业高年级本科生教材、也可作为研究生及相关学科领域工程技术研究人员的参考用书。
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| 目錄：
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第 1 章
绪 论
.................1
1.1 列车运行安全背景及意义 ...... 1
1.2 基于无线通信的列车运行控制系统
................. 5
1.2.1 列车运行控制系统构成与分类
........... 5
1.2.2 CTCS列控系统 .......... 7
1.2.3 GSM-R铁路无线通信系统
................ 10
1.3 列车控制形式化研究现状 .....11
1.4 本书内容与结构安排
............ 14
第 2 章
形式化建模理论与复杂系统理论 ........................17
2.1 建模基本理论
........................ 17
2.1.1 系统、模型、仿真的基本概念
......... 17
2.1.2 系统模型的分类 ...... 18
2.1.3 建模方法的分类 ...... 19
2.1.4 建模的一般原则 ...... 19
2.1.5 建模步骤的划分 ...... 19
2.2 形式化理论 . 21
2.2.1 形式化概念 ..............
21
2.2.2 形式化分类 ..............
22
2.2.3 形式化验证方法 ...... 23
2.2.4 常见的形式化建模方法
..................... 24
2.3 复杂系统建模理论
................ 25
2.3.1 复杂系统
.................. 25
2.3.2 复杂适应系统理论 .. 26
2.3.3 分布式人工智能 ...... 28
2.3.4 多智能体基础理论 .. 28
2.4 Event-B方法及Rodin平台 ..... 30
2.4.1 Event-B基本结构 ..... 30
2.4.2 Event-B数学体系 ..... 32
2.4.3 Event-B模型精化和证明义务
............ 35
2.4.4 RODIN平台 ............. 37
本章小结 .............. 38
第 3 章
交通系统建模 ......39
3.1 交通系统仿真
........................ 39
3.1.1 交通系统仿真基本概念
..................... 39
3.1.2 系统分类与系统模型
......................... 40
3.2 交通流理论 . 40
3.2.1 交通流理论分类 ...... 41
3.2.2 交通流理论参数 ...... 41
3.2.3 交通流主要研究内容
......................... 44
3.3 交通多分辨率建模方法 ........
45
3.3.1 宏观交通建模仿真 .. 45
3.3.2 微观交通建模仿真 .. 45
3.3.3 中观交通建模仿真 .. 45
本章小结 .............. 46
第 4 章 CTCS-4级车地通信机制的形式化研究........... 47
4.1 通信顺序进程形式化理论基础
....................... 47
4.1.1 通信与递归 ..............
48
4.1.2 CSP的运算符 ........... 49
4.1.3 过程行为
.................. 49
4.1.4 进程的迹
.................. 49
4.1.5 CSP模型检测工具 .. 50
4.1.6 故障发散检测器FDR
......................... 50
4.2 基于MAS的RBC切换场景描述及车地通信信息交互流的实现 ......................... 52
4.2.1 列控系统多Agent系统抽象
............... 53
4.2.2 基于CPN的混合Agent模型................
54
4.2.3 MAS模型形式化定义
........................ 55
4.2.4 基于CORBA的发布订阅模式的车地通信
.................. 56
4.3 基于CSP的车地实时通信协议形式化建模与验证 ................... 58
4.3.1 MAS系统通信协议形式化验证框架 58
4.3.2 列控系统实时通信协议的形式化建模
........................ 59
4.3.3 CSP语言对车地实时通信协议建模 .. 60
4.3.4 Casper FDR对实时通信协议验证
.... 64
4.4 注入故障的Agent通信模型 ... 65
4.4.1 故障导向安全性功能分析与验证 .....
67
4.4.2 列控系统消息处理实时性分析
......... 68
4.4.3 通信时效性分析 ...... 69
本章小结 .............. 70
第 5 章
基于SPN的高可信无线通信形式化建模与分析 .......................71
5.1 Petri网形式化方法
................. 72
5.1.1 Petri网的数学定义... 73
5.1.2 SPN基本概念 ........... 74
5.1.3 SPN变迁激活规则 ... 75
5.1.4 Petri网建模事件类型..........................
76
5.1.5 Petri网基本性质....... 78
5.2 无线通信系统 ........................
79
5.2.1 GSM-R描述 ............. 79
5.2.2 列车控制数据传输业务QoS指标 ...... 80
5.3 高可信无线通信SPN模型 ..... 82
5.4 通信机制SPN模型
................. 83
5.5 通信故障恢复SPN模型 .........
84
5.6 仿真实验 ..... 88
5.6.1 软件仿真工具TimeNET
..................... 88
5.6.2 扩展确定性随机Petri网理论..............
89
5.6.3 MOSEL编程语法..... 90
5.6.4 仿真分析
.................. 91
本章小结 .............. 94
第 6 章
基于细胞膜计算的无线通信并行形式化建模 95
6.1 细胞膜的化学组成和结构 .... 96
6.1.1 细胞膜组成结构 ...... 96
6.1.2 物质的跨膜运输 ...... 97
6.2 膜计算基本概念与基础知识 99
6.2.1 细胞膜计算方法 ...... 99
6.2.2 马尔科夫过程 ........ 101
6.3 基于生化反应速率的膜计算方法
................. 101
6.4 细胞膜计算方法在无线通信系统中的仿真应用
.................... 102
6.4.1 ETCS无线通信系统
......................... 102
6.4.2 ETCS无线通信系统膜计算模型建立
........................ 103
6.4.3 仿真分析 ................
105
本章小结 ............ 108
第 7 章
车站进路联锁控制逻辑的形式化研究 .......... 109
7.1 联锁的安全规范
.................. 109
7.1.1 进路控制安全规范 .111
7.1.2 信号控制安全规范 .116
7.1.3 道岔控制安全规范 .118
7.2 基于Event-B的联锁安全规范的描述和验证
.118
7.2.1 联锁规范形式化描述及精化策略
....118
7.2.2 车站进路联锁逻辑的Event-B初始模型
.................... 122
7.2.3 车站进路控制的Event-B建模分析 . 125
7.2.4 车站进路联锁控制的Event-B模型精化
.................... 127
7.2.5 车站进路联锁Event-B验证
............. 129
7.3 基于MAS和Event-B的分布式联锁安全的描述
...................... 132
7.3.1 联锁系统MAS结构
.......................... 132
7.3.2 Multi-Agent联锁层的安全规范描述
......................... 133
7.3.3 Event-B的模型规范
......................... 134
7.3.4 精化
........................ 136
本章小结 ............ 137
第 8 章
列车安全距离控制形式化建模与验证 ...........138
8.1 列车自动防护原理
.............. 139
8.1.1 列车自动防护系统的基本概念 .......
139
8.1.2 列车自动防护系统的分类
............... 139
8.2 多列车安全距离控制模型 .. 140
8.3 Event-B描述的列车安全距离模型
............... 141
8.4 模型的验证
.......................... 143
8.4.1 MTCS_0引入反应阶段
.................... 143
8.4.2 MTCS_1细化反应阶段
.................... 144
8.4.3 MTCS_2实现反应阶段 ....................
145
8.4.4 MTCS_3引入决策阶段
.................... 146
8.4.5 MTCS_4实现决策法则
.................... 147
本章小结 ........... 148
第 9 章
高可信无线通信下平直线路多列车追踪特性研究 ............... 149
9.1 平直线路列车追踪运行交通流仿真
............. 150
9.1.1 平直线路下列车追踪MAS交通流模型结构
............. 150
9.1.2 列车追踪运行MAS形式化定义 ......
151
9.1.3 数值仿真与模拟 .... 153
9.2 列车追踪交通流能耗分析 .. 157
9.2.1 铁路能耗基本构成 157
9.2.2 单列车受力与能耗构成
................... 157
9.2.3 快照系统概念及定义
....................... 160
9.2.4 模型建立 ................
162
9.2.5 数值模拟与仿真分析
....................... 165
本章小结 ............ 166
第 10 章
线路弯道环境下多列车追踪交通流特性形式化建模 ....... 167
10.1 元胞自动机理论基础 ........
168
10.1.1 自动机简介 .......... 168
10.1.2 元胞自动机的定义
......................... 169
10.1.3 元胞自动机的构成
......................... 170
10.1.4 元胞自动机的特征
......................... 173
10.1.5 经典元胞自动机模型
..................... 174
10.2 弯道线路模型
.................... 178
10.3 线路弯道安全速度 ............
178
10.4 模型建立 . 180
10.4.1 模型结构 ..............
182
10.4.2 演化规则 ..............
183
10.5 数值模拟与仿真分析 ........
185
10.5.1 线路曲线半径对交通流的影响 .....
185
10.5.2 线路曲线外轨超高对交通流的影响
........................ 189
10.5.3 线路弯道长度对交通流的影响 .....
190
本章小结 ............ 191
第 11 章
列控系统等级转换运营场景形式化研究 ....192
11.1 CTCS-3级列控系统运营场景
...................... 192
11.2 列控系统等级转换场景 ..... 193
11.2.1 地面设备 ..............
194
11.2.2 列控系统等级转换过程
................ 195
11.3 基于MAS的场景分析
........ 196
11.3.1 列控系统等级转换场景MAS抽象模型
.................... 196
11.3.2 车-地主体Agent设计
..................... 197
11.4 列控系统等级转换运营场景CPN建模 ........
199
11.4.1 场景顶层模型设计
......................... 199
11.4.2 列车Agent内部模型设计
............... 201
11.4.3 RBC Agent内部模型设计
............... 210
11.5 仿真分析 .. 217
本章小结 ............ 219
第 12 章
列控系统降级场景建模与仿真 ......................220
12.1 正常运行时列控系统降级情况的建模与仿真
...................... 220
12.1.1 正常运行时列控系统降级场景介绍 ........................
221
12.1.2 正常运行时列控系统降级情况场景的建模
............ 222
12.1.3 正常运行时列控系统降级情况场景仿真分析
........ 225
12.2 车载设备故障导致降级运行建模与仿真 ...
227
12.2.1 车载设备故障导致降级场景的介绍
........................ 227
12.2.2 控车设备故障分析
......................... 228
12.2.3 车载设备故障导致降级场景分析 . 228
12.2.4 车载设备故障导致降级模型设计 . 229
12.2.5 仿真分析 ..............
231
12.3 应答器故障导致降级列控系统的建模与仿真
...................... 234
12.3.1 应答器故障导致列控系统降级场景介绍
................ 234
12.3.2 应答器故障因素分析
..................... 234
12.3.3 应答器故障导致的等级转换场景分析 ....................
234
12.3.4 应答设备故障降级模型设计
......... 236
12.3.5 仿真分析 ..............
238
本章小结 ............ 240
附录 A IEC 61508安全标准介绍 .......242
附录 B 高速铁路设计术语和符号 ....... 247
附录 C 《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）有关线路、桥梁及
隧道部分摘录....252
附录 D 《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）有关车站及枢纽部分摘录 ........257
参考文献 ....259
|
| 內容試閱：
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铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在我国经济社会发展中起着举足轻重的作用。发展高速铁路，建成快速铁路网，满足大流量、高密度、快速便捷的客运需求，是我国铁路建设的基本任务。随着列车速度的不断提高以及铁路区间上列车车次的不断增多，建立高可信的列车控制系统和高效低能耗的行车组织调度优化控制系统的必要性和迫切性越来越突出。列车运行控制系统是一个具有安全苛求性的复杂系统，其每一个环节都需要精确的安全分析和验证。形式化方法提供了设计高可信系统的一条重要途径，它用数学方法表达系统的规范或需求，并根据数学理论实现对系统性质的定量与定性分析。采用形式化的方法可以在很大程度上减少由于高速铁路控制系统开发人员造成的设计故障，是消除规范的歧义性、非协调性的关键手段，对保证列车安全运行具有重要的意义。
本书针对列车运行过程中安全行为进行建模与分析，以列车安全运行行为为研究对象，对无线通信GSM-R网络的高可信网络性能分析、计算机联锁系统可靠性验证、列车安全距离控制、多列车追踪运行交通流特性、故障降级列车运行场景等问题进行了阐述。在研究的过程中，重点论述了面向未来CTCS-4级列控苛求系统形式化验证技术及方法，包括多智能体理论、着色Petri网、随机Petri网、元胞自动机、细胞膜计算、Event-B、CSP等方法在列车控制苛求系统设计中的应用。研究成果对于保障高速铁路规范建设及安全运行控制, 为高速铁路提供基础理论研究, 都具有十分重要的意义。
本书涉及列车运行安全行为的关键因素，全书分为12章，内容新颖，案例翔实，不仅能体现列车控制系统形式化理论的知识性，还能体现实践性、前瞻性。本书以理论、设计、验证分析为主线，做到理论和设计实现相结合，同时注重各专业、学科间知识的融合交叉性，对列车控制安全因素的主要影响因素进行分析研究。第1章概述了列车安全运行研究的背景及研究意义。第2章主要对形式化理论与复杂系统理论进行了介绍。第3章讲解了交通系统建模的一般方法和流程及微观交通流理论。第4章介绍了CTCS-4级车地通信机制的形式化研究，包括基于CSP的车地实时通信协议形式化建模与验证及通信协议故障注入分析。第5章介绍了基于SPN的高可信无线通信形式化建模与分析，对GSM-R实现了QoS定量与定性分析。第6章介绍了基于细胞膜计算的无线通信并行形式化建模。第7章利用Event-B方法对车站联锁控制系统安全性和控制功能进行建模和验证。第8章介绍了基于Event-B方法的高速列车安全距离控制形式化验证。第9章介绍了平直线路上高密度列车追踪交通流特性。第10章详细介绍了线路弯道环境下列车交通流特性形式化建模。第11章介绍了采用MAS理论和着色Petri网混合建模方法的列车控制系统等级转换运营场景分析。第12章对等级转换的场景、车载设备故障导致降级运行、应答器发生故障降级场景采用随机Petri建模工具分别建模并进行了验证。高密度列车追踪安全运行是未来CTCS-4下行车控制的重点和难点问题。本书通过总结作者的科研成果，尝试为中国列车控制系统安全行车过程中所面临的难点问题提供一种新的解决途径。本书概念清晰、层次分明、结构清晰，内容讲解以建模验证分析为特色，同时注重理论联系实际，力求通俗易懂，并对读者富有启发性，进而使读者能够快速掌握列车控制系统安全形式化分析中大量基础知识和相关形式化设计方法。
本书对从事智能交通、系统仿真、复杂系统、自动控制等领域理论及应用研究的科技人员有较强的参考价值。本书适合作为高等学校交通运输、计算机科学、自动控制、系统工程等专业高年级本科生教材，也可作为研究生及相关学科领域工程技术研究人员的参考用书。
本书由陈永、胡晓辉著。其中，第7、8、12章由胡晓辉撰写；其余章节由陈永撰写。张甜甜、贺红参与了本书的撰写工作。
作者及其团队多年来致力于从事智能交通、智能计算、系统仿真等形式化理论的研究及应用工作，本书的编写得到了国家自然科学基金（61163009）、兰州交通大学青年科学基金项目（2011001）的支持。本书是国家自然科学基金项目高速行车条件下智能分布式实时监控形式化理论研究科研成果的集中体现。项目执行期内，培养的硕士研究生孙苗强、郑峰、何晓庆、田淇元、权庆乐、雷洋、寻璐、马俊、王振强、肖知屹、韩佳芮、刘全、王元鹏、Philavanh Phonviphone等为本书的撰写工作给与了大力支持，本书涉及的研究工作是在作者及其团队共同努力下完成的。
此外，在本书的撰写过程中，作者参考了大量的文献资料，在此向相关作者致以谢意。本书撰写过程中得到了中国铁道出版社、兰州交通大学有关部门的帮助和支持，在此一并表示感谢。
鉴于编者的水平有限，书中疏漏及不妥之处在所难免，欢迎读者指正。
作
者
2016年9月
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