CTCS-3级列控系统避撞协议的建模、设计和实现
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Ｃ Ｃ － 列 控 系 统 避 撞 协 议 原 理 如 图 １所 Ｔ Ｓ３级 示 ，其 中图 １ （ ）为 ２ 车追踪 运行 的 Ｃ Ｃ － 级 ａ 列 Ｔ Ｓ３
统一 建 模 语 言 （ ＵＭＩ）作 为 面 向对 象分 析 和 设计 的标 准建模 语 言［ 具 有 以下 优势 ：①统 一 了静 】 ］ 态结 构和 动态行 为 等不 同方 面的描 述 ；② 以不 同视 角构 建 模 型 ，克 服 了 传 统 建 模 方 法 的 单 视 图 弱 点 ［ ；③ 良好 的可扩展 机制 。但在 安 全苛求 系统 开 ２ 发领 域 ，传 统 的 ＵＭＬ难 以体 现 安 全属 性 的约 束 ，
为 ＳＬ Ｉ４的 系统 ，强 烈推 荐 形 式 化 方法 ，即基 于严
格数学基础的安全特性推理和证明。因此 ，建立在
严 格数 学基 础上 的安 全 ＵＭＬ设计 方 法成 为 安全 系 统设计 的选 择 。本文 以 Ｃ Ｃ － Ｔ Ｓ３级列 控 系统 的避撞
可 （ ｖｍ ｎ ｔｏｉ ， Ｍｏ ｅ ｅ ｔ ｈ ｒ ｙ ＭＡ） Ａｕ ｔ ，就向车载设备发 送新的 ＭＡ 和线路描述信息 ，否则 只发送 确认信
列 车 的运 行 距 离 ，Ｓ （ ｔｒ Ｂ ａ ｉｇ 为 车 载 设 Ｂ Ｓ ａｔ ｒｋｎ ） 备 实施 制 动 的起 始 位 置 ；图 １ （ ） 为 Ｃ Ｓ ３级 ｂ ＴＣ －
列 控 系统避 撞 协 议 阶段 转 移 图 。车 载设 备 和 Ｒ Ｃ Ｂ
之 间通 过避撞 协 议 的协 调控 制 ，实 现 Ｃ Ｓ３级列 ＴＣ －
为 了更 好地 满足 安 全 系统 设 计 的需 要 ，安全 ＵＭＩ 应运 而生 Ｉ 。安全 ＵＭＬ不 仅具 有 一般 ＵＭＩ 的优 ３ ｊ 势 ，而且 还将 系统 的安全 属性 融人 系统 的建模 和设
列 控系 统车 载设备 与无 线 闭塞 中心 （ Ｃ ＲＢ ）之 间信 息 交互 示 意 图 ，图 中 Ｓ （ ｔｒ Ｔａｋｎ ） 为车 载 Ｔ Ｓａｔ ｌｉｇ 设 备与 ＲＢ Ｃ通 信 的起 始 位 置 ，其距 离 等 于 ６Ｓ内
要 ：Ｃ Ｃ － 级列控 系统 中的车载设备和 Ｒ Ｃ之间通过 避撞协议 进行 协调控制 。根据 列车避撞 安全需 Ｔ Ｓ３ Ｂ
求 ，采用安全 ＵＭＬ中的安全用例 图和安全类 图表示避撞协议模型 ，实现在任意时间问隔内 ，列 车运行速度不超 过期望速度 ，并且列车位置永远不能越过行车许可 （ ）的安全功能 。避撞 协议 的安 全功能通过连续 避撞策略 ＾Ａ 和离散避撞策略 的形式化精化实现 。前 者给 出 了列 车速度 和位置 为连续 变量 的情况 下 ，避撞 协议 的静 态结构 、 动态交互和连续控制策略 ；后者利用离散逻辑实现了连续 避撞策 略的离散 化。通过对离 散避撞 策略 的进 一步精
化 ，生成避撞协议的实时程序代码 。严格 的形式逻辑 ＷＤＣ 的推 理保证 了连续避撞 策略 、离散避 撞策略 和最终
代码精化 的正确性和安全性 。 关键词 ：列车控制系统 ；避撞 协议 ；安 全 ＵＭＬ；避撞策略
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ４ ４ ２ ８ ． ８ 文 献 标 识 码 ：Ａ
（ ０ ３ ０１ ６ ７ ６ ４ ） ６ ６ ４ ０， ０ ３ ０ ７
作者简介 ：李开成 （ ９ ６ ） １ ６一 ，男 ，广西北流人 ，副教授。
第 ６期
Ｃ Ｃ－ Ｔ Ｓ３级列 控 系统 具 有 高度 分 布性 、实 时性 和 随机性 等特 征 ，其 安全 性不 仅需 要采用 测试 和仿 真手 段验 证 ，也 需要 采用 相应 的建模 语言 和设计 方
法进 行验证 。
统 建模 、验证 和 实现过 程 。
１ Ｃ Ｓ３ ＴＣ 一 级列控 系统避撞协议
第０ ０年 第 １月 １ ２ ３ ，１６ 卷 １ 期
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ Ａ Ｎ ＲＡ Ｉ ＬＷ Ａ Ｙ ＳＣＩ ＥＮ ＣＥ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ６ １３ ．
Ｎｏｖ ｍ ｂ ｒ ２ ０ ｅ ｅ ， ０１
文章编号 ：１ ０—６ ２ （０ ０ ６０ ８—６ ０ １４ ３ ２ １ ）０—０ ６０
息 ； 车 载 设 备 根 据 接 收 到 的ＭＡ和 线 路 描 述 信 ②
协议 为例 ，给 出集成 安全 ＵＭＬ和形 式化 语 言 的系
收稿 日期 ：２ １－５２ ；修订 日期 ：２ １—９０ ０ ００ —０ ０ ００ —９
基金项 目：国家 “ 八六 三 ”计 划项 目 （ Ｏ ９ Ａ ｌ ２ １ ； 国家 科技 支 撑计 划 项 目 （ ０ ９ Ａ １ Ａ ８ ；国家 自然 科 学基 金资 助项 目 ２ＯＡ ｌＺ２ ） ２０Ｂ Ｇ ２ ０ ）
计过程 之 中 。另 外 ，传统 的 ＵＭＬ建 模方 法 缺乏 严 格 的数 学 支持 ，难 以满足 ｃ ３ 列控 系 统 的要 ＴＣ 级
求 。根据 Ｉ Ｃ １ ０ 标 准 ＿ ，对 于安 全 完 善度 等 级 Ｅ ６５ ８ ４ ］
控 系统 的安 全 、高效运 行 。 根 据参 考 文 献 Ｅ ］ 可 知 Ｃ Ｓ３级 列 控 系统 ｓ ＴＣ － 避撞 协 议包括 如下 ２ 面 内容 ：① Ｃ Ｓ３级列控 方 ＴＣ － 系统车 载设 备 每 ６ｓ向 ＲＢ 报 告 １次 列 车 位 置 ， Ｃ ＲＢ Ｃ收 到 列 车 位 置 报 告 后 ，如 果 有 新 的 行 车 许
Ｃ Ｃ 一 列控 系统 避 撞 协 议 的建 模 、设计 和 实现 Ｔ Ｓ３级
李开成 ，徐 田华 。 ，唐 涛
（ ．北 京交通大学 电子信息工程学院 ，北京 １
２ ．北 京交通大 学 轨道交通控制 与安全 国家重点实验室 ，北京 摘
１０４ ； ０ ０ ４
Байду номын сангаас１ ０４ ） ０ ８ ４
１ ０ ４ ；３ ０ ０ ４ ．铁道部 Ｃ 技术攻关组 ，北京 ３
统一 建 模 语 言 （ ＵＭＩ）作 为 面 向对 象分 析 和 设计 的标 准建模 语 言［ 具 有 以下 优势 ：①统 一 了静 】 ］ 态结 构和 动态行 为 等不 同方 面的描 述 ；② 以不 同视 角构 建 模 型 ，克 服 了 传 统 建 模 方 法 的 单 视 图 弱 点 ［ ；③ 良好 的可扩展 机制 。但在 安 全苛求 系统 开 ２ 发领 域 ，传 统 的 ＵＭＬ难 以体 现 安 全属 性 的约 束 ，
为 ＳＬ Ｉ４的 系统 ，强 烈推 荐 形 式 化 方法 ，即基 于严
格数学基础的安全特性推理和证明。因此 ，建立在
严 格数 学基 础上 的安 全 ＵＭＬ设计 方 法成 为 安全 系 统设计 的选 择 。本文 以 Ｃ Ｃ － Ｔ Ｓ３级列 控 系统 的避撞
可 （ ｖｍ ｎ ｔｏｉ ， Ｍｏ ｅ ｅ ｔ ｈ ｒ ｙ ＭＡ） Ａｕ ｔ ，就向车载设备发 送新的 ＭＡ 和线路描述信息 ，否则 只发送 确认信
列 车 的运 行 距 离 ，Ｓ （ ｔｒ Ｂ ａ ｉｇ 为 车 载 设 Ｂ Ｓ ａｔ ｒｋｎ ） 备 实施 制 动 的起 始 位 置 ；图 １ （ ） 为 Ｃ Ｓ ３级 ｂ ＴＣ －
列 控 系统避 撞 协 议 阶段 转 移 图 。车 载设 备 和 Ｒ Ｃ Ｂ
之 间通 过避撞 协 议 的协 调控 制 ，实 现 Ｃ Ｓ３级列 ＴＣ －
为 了更 好地 满足 安 全 系统 设 计 的需 要 ，安全 ＵＭＩ 应运 而生 Ｉ 。安全 ＵＭＬ不 仅具 有 一般 ＵＭＩ 的优 ３ ｊ 势 ，而且 还将 系统 的安全 属性 融人 系统 的建模 和设
列 控系 统车 载设备 与无 线 闭塞 中心 （ Ｃ ＲＢ ）之 间信 息 交互 示 意 图 ，图 中 Ｓ （ ｔｒ Ｔａｋｎ ） 为车 载 Ｔ Ｓａｔ ｌｉｇ 设 备与 ＲＢ Ｃ通 信 的起 始 位 置 ，其距 离 等 于 ６Ｓ内
要 ：Ｃ Ｃ － 级列控 系统 中的车载设备和 Ｒ Ｃ之间通过 避撞协议 进行 协调控制 。根据 列车避撞 安全需 Ｔ Ｓ３ Ｂ
求 ，采用安全 ＵＭＬ中的安全用例 图和安全类 图表示避撞协议模型 ，实现在任意时间问隔内 ，列 车运行速度不超 过期望速度 ，并且列车位置永远不能越过行车许可 （ ）的安全功能 。避撞 协议 的安 全功能通过连续 避撞策略 ＾Ａ 和离散避撞策略 的形式化精化实现 。前 者给 出 了列 车速度 和位置 为连续 变量 的情况 下 ，避撞 协议 的静 态结构 、 动态交互和连续控制策略 ；后者利用离散逻辑实现了连续 避撞策 略的离散 化。通过对离 散避撞 策略 的进 一步精
化 ，生成避撞协议的实时程序代码 。严格 的形式逻辑 ＷＤＣ 的推 理保证 了连续避撞 策略 、离散避 撞策略 和最终
代码精化 的正确性和安全性 。 关键词 ：列车控制系统 ；避撞 协议 ；安 全 ＵＭＬ；避撞策略
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ４ ４ ２ ８ ． ８ 文 献 标 识 码 ：Ａ
（ ０ ３ ０１ ６ ７ ６ ４ ） ６ ６ ４ ０， ０ ３ ０ ７
作者简介 ：李开成 （ ９ ６ ） １ ６一 ，男 ，广西北流人 ，副教授。
第 ６期
Ｃ Ｃ－ Ｔ Ｓ３级列 控 系统 具 有 高度 分 布性 、实 时性 和 随机性 等特 征 ，其 安全 性不 仅需 要采用 测试 和仿 真手 段验 证 ，也 需要 采用 相应 的建模 语言 和设计 方
法进 行验证 。
统 建模 、验证 和 实现过 程 。
１ Ｃ Ｓ３ ＴＣ 一 级列控 系统避撞协议
第０ ０年 第 １月 １ ２ ３ ，１６ 卷 １ 期
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ Ａ Ｎ ＲＡ Ｉ ＬＷ Ａ Ｙ ＳＣＩ ＥＮ ＣＥ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ６ １３ ．
Ｎｏｖ ｍ ｂ ｒ ２ ０ ｅ ｅ ， ０１
文章编号 ：１ ０—６ ２ （０ ０ ６０ ８—６ ０ １４ ３ ２ １ ）０—０ ６０
息 ； 车 载 设 备 根 据 接 收 到 的ＭＡ和 线 路 描 述 信 ②
协议 为例 ，给 出集成 安全 ＵＭＬ和形 式化 语 言 的系
收稿 日期 ：２ １－５２ ；修订 日期 ：２ １—９０ ０ ００ —０ ０ ００ —９
基金项 目：国家 “ 八六 三 ”计 划项 目 （ Ｏ ９ Ａ ｌ ２ １ ； 国家 科技 支 撑计 划 项 目 （ ０ ９ Ａ １ Ａ ８ ；国家 自然 科 学基 金资 助项 目 ２ＯＡ ｌＺ２ ） ２０Ｂ Ｇ ２ ０ ）
计过程 之 中 。另 外 ，传统 的 ＵＭＬ建 模方 法 缺乏 严 格 的数 学 支持 ，难 以满足 ｃ ３ 列控 系 统 的要 ＴＣ 级
求 。根据 Ｉ Ｃ １ ０ 标 准 ＿ ，对 于安 全 完 善度 等 级 Ｅ ６５ ８ ４ ］
控 系统 的安 全 、高效运 行 。 根 据参 考 文 献 Ｅ ］ 可 知 Ｃ Ｓ３级 列 控 系统 ｓ ＴＣ － 避撞 协 议包括 如下 ２ 面 内容 ：① Ｃ Ｓ３级列控 方 ＴＣ － 系统车 载设 备 每 ６ｓ向 ＲＢ 报 告 １次 列 车 位 置 ， Ｃ ＲＢ Ｃ收 到 列 车 位 置 报 告 后 ，如 果 有 新 的 行 车 许
Ｃ Ｃ 一 列控 系统 避 撞 协 议 的建 模 、设计 和 实现 Ｔ Ｓ３级
李开成 ，徐 田华 。 ，唐 涛
（ ．北 京交通大学 电子信息工程学院 ，北京 １
２ ．北 京交通大 学 轨道交通控制 与安全 国家重点实验室 ，北京 摘
１０４ ； ０ ０ ４
Байду номын сангаас１ ０４ ） ０ ８ ４
１ ０ ４ ；３ ０ ０ ４ ．铁道部 Ｃ 技术攻关组 ，北京 ３