基于CPN的高速磁悬浮列车分区运行控制系统的层次化建模研究
摘要
摘要：高速磁浮列乍运行控制系统的中枢是分区运行控制系统。磁悬浮列车对安全防护的要求非常苛刻,对系统的可靠性和安全性有极高的要求。分区运行控制系统是实行该苛求的关键子系统之
论文首先分析了分区运行控制系统的结构和功能。然后在此基础上,本文使用有色Petri网对分区的运行控制系统进行了建模工作。论文的主要工作如下：
第一,研究了高速磁悬浮列车目前在国内的研究情况和有色Petri网在铁路系统建模中的应用情况；
第二,分析了分区运行控制系统中的分区故障诊断计算机、分区控制计算机、分区安全计算机、分区牵引切断和分区道岔模块的详细功能,总结出各个功能的主要步骤,绘制出各个功能的时序图,并在此基础上定义了各个子模块的不同状态,给出了状态切换图。利用CPN Tools工具和已给出的状态切换图,以每一个子模块为单元进行有色Petri网的层次建模；
第三,针对列车一次完整的运行过程,详细分析了分区运行控制系统在此过程中所需要执行的任务,任务执行的顺序；分析了分区运行控制系统与中央控制系统、车载控制系统和牵引控制系统之间交互的命令。在此基础上,总结出列车运行过程中的主要步骤,绘制出列车运行过程的时序图,并在时序图的基础上定义了分区运行控制系统、中央运行控制系统和车载运行控制系统的不同状态,给出了它们在列车运行过程中的状态图。利用CPN Tools工具和已给出的切换状态图,建立了列车一次完整运行的CPN层次模型,生成了测试路径和测试用例,并对生成的测试用例进行评价,对未来的研究工作打下基础。
ABSTRACT:The high-speed maglev train's Decentralized Control System is the backbone of the operation control system. It implements the operational command and train security protection. Decentralized Control System is one of the key subsystems. which has higher reliability and safety requirements.
In the dissertation, on the base of the analyzing in Decentralized Control System's functions and structure, the Decentralized Control System was modeled by CPN. Research is focus on the followings:
Firstly, the research of high-speed maglev train operation mechanism and the application of CPN modeling in the railway system were analyzed;
Secondly, the detailed functions of Decentralized Diagnosis Computer, Decentralized Control Computer, Decentralized Safety Computer, Decentralized Propulsion Shutoff and Decentralized Switch Model were analyzed。The main steps of each function are summarized and a sequence diagram is drawn, different states are defined based on the sequence diagram, and a state diagram is drawn. Using CPN Tools and the existed state diagram, the hierarchical CPN models are modeled;
Thirdly, in view of a complete train operation process, the tasks of Decentralized Control System which are to be executed and the sequence of those tasks in this process was analyzed; the communication between Decentralized Control System and Centralized Control System, Vehicle Control System and Propulsion Control System were analyzed.Based on this, the main steps of each function are summarized and a sequence diagram is drawn, different states are defined based on the sequence diagram, and a state diagram is drawn. Using CPN Tools and the existed state diagram. the hierarchical CPN models are modeled。Based on the behavior properties of the CPN models, a test path and a test case is generated. The valuation to the generated test path and test case is made and future research is reviewed in the end.
论文首先分析了分区运行控制系统的结构和功能。然后在此基础上,本文使用有色Petri网对分区的运行控制系统进行了建模工作。论文的主要工作如下：
第一,研究了高速磁悬浮列车目前在国内的研究情况和有色Petri网在铁路系统建模中的应用情况；
第二,分析了分区运行控制系统中的分区故障诊断计算机、分区控制计算机、分区安全计算机、分区牵引切断和分区道岔模块的详细功能,总结出各个功能的主要步骤,绘制出各个功能的时序图,并在此基础上定义了各个子模块的不同状态,给出了状态切换图。利用CPN Tools工具和已给出的状态切换图,以每一个子模块为单元进行有色Petri网的层次建模；
第三,针对列车一次完整的运行过程,详细分析了分区运行控制系统在此过程中所需要执行的任务,任务执行的顺序；分析了分区运行控制系统与中央控制系统、车载控制系统和牵引控制系统之间交互的命令。在此基础上,总结出列车运行过程中的主要步骤,绘制出列车运行过程的时序图,并在时序图的基础上定义了分区运行控制系统、中央运行控制系统和车载运行控制系统的不同状态,给出了它们在列车运行过程中的状态图。利用CPN Tools工具和已给出的切换状态图,建立了列车一次完整运行的CPN层次模型,生成了测试路径和测试用例,并对生成的测试用例进行评价,对未来的研究工作打下基础。
ABSTRACT:The high-speed maglev train's Decentralized Control System is the backbone of the operation control system. It implements the operational command and train security protection. Decentralized Control System is one of the key subsystems. which has higher reliability and safety requirements.
In the dissertation, on the base of the analyzing in Decentralized Control System's functions and structure, the Decentralized Control System was modeled by CPN. Research is focus on the followings:
Firstly, the research of high-speed maglev train operation mechanism and the application of CPN modeling in the railway system were analyzed;
Secondly, the detailed functions of Decentralized Diagnosis Computer, Decentralized Control Computer, Decentralized Safety Computer, Decentralized Propulsion Shutoff and Decentralized Switch Model were analyzed。The main steps of each function are summarized and a sequence diagram is drawn, different states are defined based on the sequence diagram, and a state diagram is drawn. Using CPN Tools and the existed state diagram, the hierarchical CPN models are modeled;
Thirdly, in view of a complete train operation process, the tasks of Decentralized Control System which are to be executed and the sequence of those tasks in this process was analyzed; the communication between Decentralized Control System and Centralized Control System, Vehicle Control System and Propulsion Control System were analyzed.Based on this, the main steps of each function are summarized and a sequence diagram is drawn, different states are defined based on the sequence diagram, and a state diagram is drawn. Using CPN Tools and the existed state diagram. the hierarchical CPN models are modeled。Based on the behavior properties of the CPN models, a test path and a test case is generated. The valuation to the generated test path and test case is made and future research is reviewed in the end.
引文
[1]吴丹.高速磁悬浮列车运行控制系统的研究与仿真[硕士学位论文].北京交通大学2004.03：1-6,15-25
[2]张明.基于UML的高速磁悬浮列车分区运行控制系统[硕士学位论文].北京交通大学.2007.12：16-40,60-80
[3]吴道华.基于着色Petri网的测试用例生成及其在列控系统中的作用[硕士学位论文].北京交通大学.2010.5：37-51
[4]赵斌.磁悬浮车载安全防护及控制仿真系统的设计与实现[硕士学位论文].北京交通大学.2009.05：1-20
[5]郭保稳.(5VS5)足球机器人系统的Petri网建模与分析[硕士学位论文].西安电子科技大学.2007.01：17-36
[6]陆启进.基于有色Petri网的CBTC车载设备应用软件的建模与分析[硕士学位论文].北京交通大学.2007.12：44-60
[7]刘静.磁浮列车牵引控制系统建模和仿真分析及与运行控制系统通信的研究[硕士学位论文].浙江大学.2006.5：1-20
[8]刘皓伟,黄康,王振一.用Petri网对轨道区段和列车的建模研究,铁路计算机应用,2000(3)：31-33
[9]王雪松.移动通讯中的基于CPN的Web服务建模与分析[硕士学位论文].北京交通大学.2009.06：33-43
[10]K. Jensen:Coloured Petri Nets, Volume 1, Monographs in Theoretical ComputerScience. Springer, Berlin u.a.,1992.
[11]Design/CPN:Occurrence Graph Analyser-Manual. Version 3.0, Aarhus,1996.
[12]梁炯达.着色Petri网及其仿真工具Design/CPN在通信网络和建模分析中的应用[硕士学位论文].上海交通大学.2000.01：45-67
[13]袁崇义.Petri网原理与应用.北京：电子工业出版社.2005：23-45
[14]王艳.基于UML的有色Petri网建模及其在CTCS-3中的应用[硕士学位论文].吉林大学.2008.03：28-35
[15]曾庆锋.基于自适应模糊Petri网和有色Petri网的电网故障诊断方法研究[硕士学位论文].西南交通大学.2008.05：43-53
[16]T. Chiang, A. Huang, L. Fu.Modeling, Scheduling and Performance Evaluation for WaferFabrication:A Queueing Colored Petri-Net and GA-Based Approach.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering.2006(3):330-337
[17]S. Kurkovsky, R. Loganantharaj.Extension of Petri Nets for Representing and Reasoning with Tasks with Imprecise Durations.Applied Intelligence.2005(2):97-108
[18]Zheng Shubin, LinJianhui and Lin Guobing.Long-wave Irregularity Detection of High-speed Maglev Track.ICEMI.2007.277-281
[19]B.Joachim.Safety of High Speed Maglev Trains of the Transrapid Type[中文 版]2007.Vo17.No1.14-18
[20]蒋昌俊.Petri网理论与方法研究综述.控制与决策.1997.12(6)：631-636
[21]王寿光,颜钢锋.针对一般线性约束Petri网控制器设计方法.软件学报.2005(3)：419-426
[22]李莉.基于CPN的Multi-Agent调度系统建模与仿真[硕士学位论文].北京工业大学.2008.05：36-47
[23]林闯.随机Petri网和系统性能评价(第一版).北京：清华大学出版社.2005：42-65
[24]伍宏伟,杨东.基于赋时层次有色Petri网的医疗服务流程建模与优化.系统仿真学报.2007(8)：1657-1699
[25]肖志娇,常会友.基于有色Petri网的工作流阶段性调度.计算机科学.2007(10)：162-165
[26]曹杰,史金飞,戴敏.使用着色Petrii网实现调度仿真系统中的启发式算法.中国机械工程.2006(15)：1604-1608
[27]吴希.基于Petri网的层次型入侵检测系统[硕士学位论文].东南大学.2005.04：19-34
[28]吴瑞龙.一种基于有色Petri网模型的安全协议检测技术的研究[硕士学位论文].广西大学.2005.05：33-47
[29]胡瑜.基于有色Petri网理论的并行自动测试系统建模研究[博士论文].成都：电子科技大学.2003(7)：21-43
[30]王钊,白晓颖,戴桂兰.基于有色Petri网模型的GUI测试用例自动生成技术.清华大学学报(自然科学版).2008(4)：21-33
[31]吴晓华,雷航.基于随机Petri网测试的序列生成系统.微电子学与计算机.2006(11)：24-31
[32]王建元,纪延超,常群等.Petri网络理论在电网故障诊断中的应用.哈尔滨理工大学学报.2002(4)：77-80
[33]叶阳东,杜彦华,贾利民.面向对象Petri子网的列车群运行系统模型.中国铁道科学.2002(4)：81-88
[34]栗然,仇晓龙.基于模糊Petri网的输电网故障诊断改进方法.中国电力.2008(5)：50—54
[35]徐洪泽,郑伟等.高速磁浮列车分区运行控制系统的设计与实现.高技术通信2007.Vol17.No.9.958-961
[36]杨光,唐祯敏.高速磁浮列车的安全速度防护问题研究.北京交通大学学报.2007.Vol31 No2.38--42
[2]张明.基于UML的高速磁悬浮列车分区运行控制系统[硕士学位论文].北京交通大学.2007.12：16-40,60-80
[3]吴道华.基于着色Petri网的测试用例生成及其在列控系统中的作用[硕士学位论文].北京交通大学.2010.5：37-51
[4]赵斌.磁悬浮车载安全防护及控制仿真系统的设计与实现[硕士学位论文].北京交通大学.2009.05：1-20
[5]郭保稳.(5VS5)足球机器人系统的Petri网建模与分析[硕士学位论文].西安电子科技大学.2007.01：17-36
[6]陆启进.基于有色Petri网的CBTC车载设备应用软件的建模与分析[硕士学位论文].北京交通大学.2007.12：44-60
[7]刘静.磁浮列车牵引控制系统建模和仿真分析及与运行控制系统通信的研究[硕士学位论文].浙江大学.2006.5：1-20
[8]刘皓伟,黄康,王振一.用Petri网对轨道区段和列车的建模研究,铁路计算机应用,2000(3)：31-33
[9]王雪松.移动通讯中的基于CPN的Web服务建模与分析[硕士学位论文].北京交通大学.2009.06：33-43
[10]K. Jensen:Coloured Petri Nets, Volume 1, Monographs in Theoretical ComputerScience. Springer, Berlin u.a.,1992.
[11]Design/CPN:Occurrence Graph Analyser-Manual. Version 3.0, Aarhus,1996.
[12]梁炯达.着色Petri网及其仿真工具Design/CPN在通信网络和建模分析中的应用[硕士学位论文].上海交通大学.2000.01：45-67
[13]袁崇义.Petri网原理与应用.北京：电子工业出版社.2005：23-45
[14]王艳.基于UML的有色Petri网建模及其在CTCS-3中的应用[硕士学位论文].吉林大学.2008.03：28-35
[15]曾庆锋.基于自适应模糊Petri网和有色Petri网的电网故障诊断方法研究[硕士学位论文].西南交通大学.2008.05：43-53
[16]T. Chiang, A. Huang, L. Fu.Modeling, Scheduling and Performance Evaluation for WaferFabrication:A Queueing Colored Petri-Net and GA-Based Approach.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering.2006(3):330-337
[17]S. Kurkovsky, R. Loganantharaj.Extension of Petri Nets for Representing and Reasoning with Tasks with Imprecise Durations.Applied Intelligence.2005(2):97-108
[18]Zheng Shubin, LinJianhui and Lin Guobing.Long-wave Irregularity Detection of High-speed Maglev Track.ICEMI.2007.277-281
[19]B.Joachim.Safety of High Speed Maglev Trains of the Transrapid Type[中文 版]2007.Vo17.No1.14-18
[20]蒋昌俊.Petri网理论与方法研究综述.控制与决策.1997.12(6)：631-636
[21]王寿光,颜钢锋.针对一般线性约束Petri网控制器设计方法.软件学报.2005(3)：419-426
[22]李莉.基于CPN的Multi-Agent调度系统建模与仿真[硕士学位论文].北京工业大学.2008.05：36-47
[23]林闯.随机Petri网和系统性能评价(第一版).北京：清华大学出版社.2005：42-65
[24]伍宏伟,杨东.基于赋时层次有色Petri网的医疗服务流程建模与优化.系统仿真学报.2007(8)：1657-1699
[25]肖志娇,常会友.基于有色Petri网的工作流阶段性调度.计算机科学.2007(10)：162-165
[26]曹杰,史金飞,戴敏.使用着色Petrii网实现调度仿真系统中的启发式算法.中国机械工程.2006(15)：1604-1608
[27]吴希.基于Petri网的层次型入侵检测系统[硕士学位论文].东南大学.2005.04：19-34
[28]吴瑞龙.一种基于有色Petri网模型的安全协议检测技术的研究[硕士学位论文].广西大学.2005.05：33-47
[29]胡瑜.基于有色Petri网理论的并行自动测试系统建模研究[博士论文].成都：电子科技大学.2003(7)：21-43
[30]王钊,白晓颖,戴桂兰.基于有色Petri网模型的GUI测试用例自动生成技术.清华大学学报(自然科学版).2008(4)：21-33
[31]吴晓华,雷航.基于随机Petri网测试的序列生成系统.微电子学与计算机.2006(11)：24-31
[32]王建元,纪延超,常群等.Petri网络理论在电网故障诊断中的应用.哈尔滨理工大学学报.2002(4)：77-80
[33]叶阳东,杜彦华,贾利民.面向对象Petri子网的列车群运行系统模型.中国铁道科学.2002(4)：81-88
[34]栗然,仇晓龙.基于模糊Petri网的输电网故障诊断改进方法.中国电力.2008(5)：50—54
[35]徐洪泽,郑伟等.高速磁浮列车分区运行控制系统的设计与实现.高技术通信2007.Vol17.No.9.958-961
[36]杨光,唐祯敏.高速磁浮列车的安全速度防护问题研究.北京交通大学学报.2007.Vol31 No2.38--42