本书内容: 随着我国高速铁路事业的快速发展, 对高速列车运行控制系统的智能化和安全性的研究已成为目前高速铁路系统的重要研究方向和发展趋势。为了提高高速列车控制过程的自主性和智能性, 提出了基于应答器信息的高速列车智能定位算法, 基于专家经验和数据挖掘的高速列车智能驾驶算法, 一种多高速列车安全驾驶策略等。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、多高速列车安全追踪等问题进行了深入研究。

高速铁路作为当代高新技术的集成系统，具有输送能力大、速度快、性高、正点率高、占用土地资源少、能耗低、环境污染小、全天候运行的特点，是交通运输体系中具可持续性和环境友好性的运输模式。

随着现代轨道装备系统日益朝着深度感知、智慧决策、自动化执行的方向发展，高速铁路列车运行控制系统不再是列车调度、计算机联锁系统、闭塞控制电路、信号机等设备的简单组合，而是向着集系统监控、调度指挥与智能运行控制为一体的综合自动化系统方向发展。目前，高速磁浮列车的快速发展及高速飞车的战略布局对未来超高速列车控制的自主性及智能性、感知列车运行环境的能力、潜在设备故障及风险的预警能力提出了新的要求。

现代轨道交通设备组成单元种类繁多，结构更加复杂，某些关键设备一旦出现故障将会造成严重的济损失。随着我国高速铁路建设规模的迅速扩大、列车时速的大幅度提高，高速铁路列车运行控制系统的性和可靠性已成为亟待解决的重要科学问题。

本书共8章。第1章为概述，介绍了本书的研究背景与意义、国内外的研究现状及主要研究内容和篇章结构。第2章介绍基于系统建模语言（SysML）的列控系统形式化建模方法，该方法运用构造型扩展机制设计了面向系统需求和面向列控系统混成特性的统一建模语言（UML）概要文件。其中：面向需求的概要文件对SysML需求图中的需求约束以及模块定义图中的属性和操行扩展；面向混成特性的HUML概要文件对数据类型、类、约束、表达式和状态行扩展，以满足混成自动机模型的建模需要。第3章介绍基于PSL的列控系统需求规范形式化建模与验证方法，运用迭代的方式查找规范中潜在的缺陷，以提高需求规范的质量。第4章介绍基于混成自动机模型的系统分析方法、首先，针对含有未知控制参数的混成自动机模行分析，根据列车具需求和目标得到未知控制参数的可行解或约束范围。其次，为了解决非线性混成自动机模型的性验证问题，运用时间有界的可达性分析方法，研究时间有界情况下列车的在线验证算法，有效降低传统形式化方法验证的难度。第5章介绍基于概率混成自动机模型的列车运行监控方法，用于在线评估列车当前运行状态下的量化级别，达到对列车运行状态监控及对危险状态及时预警的目的。第6章介绍基于参数马尔可夫（Markov）模型的系统可靠性在线评估方法，运用分层迭代分析方法近似估算系统瞬态可靠性指标、以提高系统可靠性指标的计算速度。同时，在考虑不覆盖故障的情况下，研究运用马尔可夫（Markov）模型分析动态故障树可靠性的方法。第7章介绍基于稀疏小二乘支持向量机（LSSVM）及集成分类回归树的列车智能架中方法 运用稀疏优化算法对列车驾驶数据行预处理，然后运用集成分类回归树算法处理后的驾驶数据集。在保证驾驶曲线的节能、运行时间、模式切换次数等指标的条件下，稀疏算法将有效提高数据的稀疏度和乘坐舒适度。第8章介绍基于混成自动机(HA）及集成分类回归树算法的多列车智能驾驶方法，在单列车智能驾驶的基础上，通过混成自动机与智能学相结合的方式，实现一种多列车智能驾驶策略，以保证多列车之间的运行间隔。

本书是在“山西省回国留学人员科研资助项目（22-142）”、中北大学高层次人才科研启动项目以及国家自然科学面上项目“基于人机混合智能的地铁列车智能驾驶系统关键算法研究（61976055）”的资助下完成的。

后，对所有在本书的写作和出版过程中给予热情帮助和支持的朋友们表示感谢。由于作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请同仁和读者不吝赐教。

作者

22年6月

于中北大学电气与控制工程学院

程瑞军博士，硕导。年1月毕业于交通大学交通信息工程及控制专业，获工学博士学位。21年10月至今在中北大学电气与控制工程学院工作。主要从事列控系统及可靠性分析、列车智能控制等研究工作。主持及参与项目3项，荣获中国自动化学会自然科学1项，在智能交通领域期刊发表学术论文10余篇。

1概述\001

1.1研究背景与意义\001

1.2国内外研究现状\005

1.3研究内容和篇章结构\012

2基于SysML的列控系统形式化建模方法\023

2.1 系统建模语言SysML\ 023

2.2面向需求的概要文件设计\028

2.3面向混成行为的概要文件设计\030

2.4CTCS-3级列控系统规范建模\035

3基于PSL的列控系统需求规范形式化建模与验证\051

3.1系统形式化需求的定性分析方法\051

3.2“RBC切换”场景规范的建模与分析\054

3.3模式转换规范的建模与分析\069

4基于混成自动机模型的系统分析方法\078

4.1混成自动机概述\078

4.2基于混成自动机模型的不确定控制参数分析方法\082

4.3基于混成自动机模型的列车运行状态在线监控算法\085

4.4案例分析\092

5基于概率混成自动机模型的列车运行监控方法\104

5.1 概率混成自动机及自动机之间的复合规则\105

5.2列车运行状态的监控框架\106

5.3案例分析\109

6基于参数Markov模型的系统可靠性在线评估方法\133

6.1动态故障树建模方法\133

6.2基于动态故障树的可靠性及性在线评估方法\138

6.3案例分析\145

7基于稀疏LSSVM及集成回归树的智能驾驶方法\ 162

7.1智能驾驶算法的框架及评价指标\162

7.2单列车智能驾驶算法\165

7.3案例分析\174

8基于HA及集成分类回归树算法的多列车智能驾驶方法\190

8.1多列车的智能驾驶策略\190

8.2基于速度分级制动的列车追踪间隔控制\191

8.3基于IPEM稀疏优化算法\195

8.4案例分析\199

1.1研究背景与意义

随着计算机技术、嵌入式系统和网络通信技术的快速发展，高速铁路列车运行控制系统的自动化程度、控制精度以及响应速度都得到了大幅提升。列车控制系统属于典型的信息物理融合系.2](Cyber-Physical System，CPS），信息物理融合系统是通过计算（Computation）、通信（Communication）与控制（Control）技术的有机与深度融合，实现计算资源与物理资源的紧密结合与协调的下一代智能系统。同时，列车控制系统由地面设备、车载设备、无线通信设备等模块组成，属于典型的混成系统（Hybrid System）(s-7)。系统的车载设备和地面设备通过无线通信系统实现车-地双向通信，通过各组成部分共同参与和协调来保证列车的运行。地面设备主括：列控中心（TCC）、调度集中（CTC）、无线闭塞中心（RBC）、无线通信地面接口设备（BTS）、计算机联锁设备、应答器（Balise）等。车载设备主括：车载计算机（VC）、无线通信（GSM-R）车载接口设备、应答器接收模块（BTM）等。无线通信设备主括：GSM-R固定网络、综合业务数字网（IntegratedServices Digital Network,ISDN）、无线接口网络等。

计算、通信以及控制（简称3C）技术的广泛应用与融合是列控系统发展的趋势，新技术所占比重的增加虽然为满足更复杂的运营需求带来了便利，但也为系统的性带来了的挑战。系统需求完备性缺失、开发设计过程中系统错误客观存在、复杂多变的外界运行环境、软硬件的故障耦合和人员操作失误等因素，将导致列控系统发生错误的概率大为提高，也让因关键设备故障而引起的灾难性事故时有发生。例如：07年10月16日，瑞士弗鲁蒂根地区的勒奇山基底隧道附近发生列车脱轨事故，该事故是ETCS-2级列控系统无线闭塞中心（RBC）在接入时的一个与列车移动授权延伸的相关软件错误而引起的；11年7月23日，我国的甬温线发生动车组列车追尾事故，事故发生的主要原因之一是列控中心设备中的自检模块存在严重设计缺陷；19年3月18日凌晨3时左右，我国香港港铁中环站荃湾线行试车期间，两列列车突然发生碰撞，根据调查结果，事故的发生是阿尔斯通与泰雷兹联合提供的信号系统在修改软件时出错导致的8)。列控系统属于苛求系统（(9.10)，保证列车的运行是高速铁路发展目标。对于高速列车而言，软硬件高度集成，大量软件参与控制，系统内部的接互关系更加复杂，事故诱因更为多样，一旦出现事故，将导致灾难性的后果。随着我国高速铁路建设规模的迅速扩大和列车时速的大幅度提高，如何保证高速铁路列车运行控制系统的性和可靠性已成为亟待解决的重要科学问题。

现代列控系统是一括计算、网络和物理环境的复杂相关系统，通过3C技术与铁道信号技术有机融合与深度协作，实现列车、正点、高密度地运行。列控系统开发流括需求分析、系统分析、系统设计、系统实现和系统测试等关键环节，如图1-1所示。

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