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原文传递高速铁路列车控制系统可靠性关键问题研究

论文题名：	高速铁路列车控制系统可靠性关键问题研究
关键词：	高速铁路;列车控制系统;可靠性体系;状态监测;安全运行
摘要：	列车控制系统根据机车在运行过程中的时间、天气、环境、线路、信号指示等状况和其他条件完成对机车的运行状态进行监督、启停进行控制、速度进行调整等操作，用以提高铁路运输效率、保证机车运行安全，是铁路运输系统中保证列车安全可靠运营的重要技术装备。可靠性是列车控制系统的主要指标。随着计算机、通信以及控制技术不断发展以及在列车控制系统中广泛应用，列车控制系统的可用性、安全性、可靠性有极大提高。相对于普速铁路而言，首先高速铁路在运行速度上有了极大的提高，列车在高速运行过程中环境、信号等方面的变化和处理更加复杂，响应速度不断提高，对高速列车运行状态监督、速度控制、运行的安全性和可靠性等方面对列车控制系统提出了更高的要求；其次高速铁路相对于普速铁路来说，列车控制系统硬件系统集成度更高、软件复杂度更高、软硬件耦合性更强，在描述和验证列车控制系统可靠性方面出现新的问题和困难；因此需要对高速铁路列车控制系统可靠性问题进行深入研究。　　本文在综述了高速铁路列车控制系统可靠性体系的基础上，围绕高速铁路列车控制系统中的关键问题展开研究。针对车站分散式连锁系统的可靠性建模与验证、多传感器数据融合的测速定位系统的可调度性、安全计算机的工作状态监测与故障诊断等可靠性关键问题进行了研究与分析，所取得的主要研究成果为：　　1、针对分散式连锁系统的特点，提出了一种基于系统建模与模型检验的可靠性验证方法与基本流程，并通过实验分析检测表明了所提出的方法的有效性；　　分散式联锁系统采用现场设备自主决策、本地自律、协同工作的运行机制，能有效克服集中控制的缺陷，成为联锁系统的重要研究方向和高速铁路列车控制系统的重要应用方向。现场联锁设备具有独立的逻辑判断、执行规则和严格时序同步性等可靠性要求。针对现场联锁设备逻辑判断和执行规则的协同性、一致性、时序性、无死锁等可靠性属性难以判定的问题。　　采用UML状态图对联锁设备的判断逻辑和执行规则建模；针对UML状态图无法描述时间属性，对UML状态图进行扩展，增加描述时间属性；通过设备运行的事态区间图分析了他们的时序同步性；设计了将UML状态图转化为时间Petri网的转换规则并开发了自动转化工具；通过对时间Petri网进行系统的活性、有界性、可逆性等属性的验证，分析了分散式连锁系统具有无死锁等可靠属性。研究表明所提出的方法对分散式联锁系统的可靠性属性能进行准确描述和有效验证。　　2、针对时间触发的多任务实时调度系统进行了建模，证明了针对实时周期任务、软实时周期任务、任务超期检测等是可调度的；通过现场测试验证了采用时间触发的多数据融合列车测速定位系统是可调度的；　　列车测速定位系统使用多种测速定位设备，具有各自的优缺点和适用环境。多测速定位设备数据融合可以降低测速定位误差，有助于实现列车精确控制，能有效提高列车运行安全性和可靠性。多传感器数据融合测速定位系统的调度属于多任务实时系统的调度问题。对时间触发的多传感器数据融合测速定位系统的调度进行建模和论证，得出了对实时周期任务、软实时非周期任务、任务超期检测任务等系统都是可调度的；经现场测试验证采用时间触发的多传感器数据融合的列车测速定位系统是可调度的。通过现场测试对系统的功能进行了验证，试验表明采用多数据融合列车测速定位系统是可调度的，并满足列车控制系统的可靠性要求。　　3、基于HMM建立车载安全计算机平台的依据系统特征推理、系统状态变化的故障监测方法，给出了状态转化模式和故障转化模式，并经试验检测验证了方法的有效性。　　HMM可以有效的描述电子系统状态变化和故障发生情况，设计了车载安全计算机仿真平台，根据车载安全计算机工作机制提取系统运行过程中输入微周期、应用微周期、输出微周期运行时长表征系统运行特征；通过观测数据的提取与降维，正常态模型训练与改进，故障态模型训练等一系列措施，实现了两模冗余安全计算机的状态监测，对正常态与时钟偏离1％～10％等7种不同条件进行监测。试验显示监测方法能够准确指示系统运行状态和故障发生位置，有效实现安全计算机健康状态的管理。
作者：	马维纲
专业：	计算机科学与技术
导师：	马建峰
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安电子科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文