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列车运行安全行为建模与形式化技术研究 版权信息
- ISBN：9787113225797
- 条形码：9787113225797 ; 978-7-113-22579-7
- 装帧：60g胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
列车运行安全行为建模与形式化技术研究 本书特色
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。
列车运行安全行为建模与形式化技术研究 内容简介
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。
列车运行安全行为建模与形式化技术研究 目录
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
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