基于SCADE的测速定位系统模型设计

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2024年3月3日发(作者：)

基于SCADE的测速定位系统模型设计

刘欢;李耀

【摘 要】Focusing on the problem that the safety and efficiency of train

operation was affected directly by the accuracy and reliability of the Speed

Measurement and Positioning System, this article proposed a design

method for the model of Speed Measurement and Positioning System

based on SCADE, introduced the method of requirement modeling and

model verification, analyzed a model of speed measurement and

positioning. The model of Speed Measurement and Positioning System

was established by SCADE. Simulation and veriifcation proved that the

safety requirement of the System was completely satisifed.%针对列车测速定位系统的精度和可靠性直接影响着列车运行安全和效率的问题，提出了基于SCADE的测速定位系统模型设计，介绍SCADE需求建模以及模型验证方法，分析了一种测速定位模型；在SCADE平台上建立了测速定位系统的模型，通过仿真与验证，证明模型完全满足测速定位的系统需求与安全性。

【期刊名称】《铁路计算机应用》

【年(卷),期】2016(025)007

【总页数】5页(P8-12)

【关键词】SCADE;测速定位;安全软件;形式化验证

【作 者】刘欢;李耀

【作者单位】西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031;西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031

【正文语种】中 文

【中图分类】U284.482;TP39

列车自动控制系统（ATC，Automatic Train Control）由3个子系统组成：列车自动防护（ATP，Automatic Train Protection）、列车自动运行（ATO，Automatic Train Operation）、列车自动监控（ATS，Automatic Train

Supervision）。列车测速定位系统是ATP系统的重要组成部分。列车安全行驶离不开列车测速定位系统提供的速度及位置信息。列车通过实时检测自身位置信息以及速度信息，结合线路数据，临时限速信息，为列车运行计算行车许可，在保证列车安全运行的前提下，提高运输效率[1]。测速定位软件是典型的安全苛求系统（Safety Critical System），直接关系到列车的运行安全。

传统的软件开发方法存在周期长、投入高、风险大、效率低、可靠性低的缺点。高安全性应用开发环境（SCADE，Safety Critical Application Development

Environment）针对实时嵌入式系统，为高安全性系统和软件开发人员提供完整的基于模型的解决方案，具有开发成本低、开发风险小、效率高的诸多优势。本文使用SCADE对测速定位系统进行模型的建立，证明SCADE开发能够满足测速定位功能需求，且满足其安全性的要求。

SCADE采用同步编程理论，以Lustre语言为核心，意在创建无歧义的软件模型[2]。SCADE嵌入式软件模型设计如下图1所示。

1.1 需求建模

SCADE Suite以严格的数学模型作为基础，所建模型具有严格的数学语义，模型具有精确性、完整性、一致性、可验证性及无二义性[3]。SCADE拥有数据流图和

安全状态机两套建模机制，分别适合于连续系统和离散系统建模。两套机制通过SCADE融合，能对各种混合系统进行安全性建模。

1.2 模型验证

SCADE模型本身也是一种软件需求，其主要验证技术包括：

（1）Reviews，对SCADE模型进行走查，保证模型本身的正确，无歧义性；

（2）Traceability analysis，SCADE模型与系统需求之间的可追踪性分析；

（3）Check and Simulation，功能测试，验证模型与需求的一致性，尽可能地排除模型设计中错误；

（4）模型覆盖率测试（MTC,Model Test Coverage），根据覆盖率准则，实现仿真场景在模型中的覆盖率程度分析，仿真出模型未覆盖路径，找出模型设计错误以及需求错误，确保需求已经正确的实现，评估模型功能测试的完备程度，覆盖率分析步骤包括：模型插装（Model Instrumentation）、覆盖率获取（Acquisition）、覆盖率分析（Analysis）、生成报表（Reporting）[4]；

（5）形式化验证（Formal Verification）通过设计系统的安全性特性观察器，用数字验证的方式实现特性观察器，验证软件需求中的安全性特征是否满足，补充功能测试的不足，证明系统的安全性与可靠性，流程如图2所示；

（6）时间和堆栈分析，(Time and stack analysis)提前确定系统程序的最坏运行时间和堆栈使用情况是每一个严格的嵌入式系统开发人员必须考虑的问题。SCADE引入了时间与堆栈分析器，可以对建立好的模型进行时间堆栈分析，设计人员可以基于此对模型进行优化。

列车的测速定位是ATP系统的重要功能。精确的速度和位置参数，是列车实现超速防护、保证列车安全运行的前提。国内外对列车测速定位方法的研究中，诸多专家学者和研究人员提出了各具特色的方法。表1对常用的列车定位方法及其优缺点进行了总结[5]。

城市轨道交通中，各大信号设备厂商的定位技术各不相同，如有的公司采用的定位技术是：（1）基于脉冲速度传感器与雷达速度传感器，同时结合应答器信息进行位置确定；（2）程编码计；（3）基于脉冲速度传感器与加速度传感器，同时结合应答器信息进行位置确定。

本文提出基于脉冲速度传感器、雷达传感器和查询应答器的测速定位模型，并考虑了车轮轮径磨损对列车测速定位的影响，同时提出了空转和打滑场景下的误差修正算法。

2.1 轮轴脉冲速度传感器测速定位

轮轴测速定位的基本工作原理是先测得车轮的转速脉冲，再通过公式计算得出列车的走行速度[6]。轮轴速度传感器因为精度高，在国内列车测速定位中广泛被使用，将其作为基准速度信息，但是，车轮的空转、打滑和磨损，会导致轮轴测速定位误差的加大。

2.2 多普勒雷达测速定位

多普勒雷达测速的工作原理是通过测量发射电磁波与接收电磁波的频移计算得出列车的速度信息[7]。它的精度主要受到列车振动、雷达传感器自身误差以及传感器安装误差影响，但不受列车空滑状态的影响，所以雷达传感器通常配合其它定位方法使用。

2.3 查询应答器定位

有源、无源应答器安装在铁路线路上的固定地点，其存储了当前位置坐标信息与整条线路的数据信息，查询应答器通过列车上的查询器与线路上的应答器之间的数据交互，实现列车的定位功能。

根据脉冲速度传感器、雷达传感器和查询应答器的工作原理，本文设计测速定位系统模型原理：列车运行过程中，ATP同时检测速度传感器速度信息与雷达传感器速度信息，当速度传感器的速度信息与雷达传感器的速度信息差值在容许范围（考

虑测量误差）内，速度传感器信息作为基准速度信息；当差值超出容许范围，车载ATP进行空滑报警，采用雷达传感器的速度信息进行速度补偿。同时，当列车经过地面应答器，通过车地信息的传输，实现列车位置的绝对修正。另外，考虑列车车轮的轮径对脉冲速度传感器速度测量的影响，设计列车轮径校正模型，在列车运行前，对列车车轮轮径进行校正。

本文测速定位模型原理框图如图3所示。

3.1 轮轴脉冲速度传感器测速定位模型

速度传感器安装于车轴之上，为保证系统可靠性，配置主备两套速度传感器。随着列车的运行，轮轴每转动一周，脉冲速度传感器就会输出一定的脉冲数。在已知车轮直径D、车轮转动一周产生固定脉冲数n的情况下，求得列车在每个脉冲内的走行距离d，公式如下：

在求得d后，根据列车在周期内的脉冲数就可获得列车的运行速度。

式（2）中：CYCLE—单位时间，N—单位时间内测得的脉冲数。

脉冲速度测量SCADE模型如图4所示。

图4中，Train_WheelOnePluse为1脉冲速度传感器的输入信息，NORMALPLUSE_ONECYCLE为车轮旋转一周所产生的脉冲个数，本文以上海地铁A型车为例，NORMALPLUSE_ONECYCLE取值为104。CYCLETIME为模型采样周期，取值0.1 s。SPEEDERRRATE为速度脉冲传感器的采样误差率，根据工程数据，本文取值为0.02。模型输出Train_WheelOne_Vel、Train_WheelOne_Dis、Train_ WheelOne_TolErr分别为由1脉冲速度传感器数据所测列车的速度信息、当前位置以及位置误差。2脉冲速度传感器测量方式类似。

3.2 多普勒雷达测速定位模型

当雷达传感器与速度传感器速度判断后，列车处于空转或滑行状态时，需要使用雷达传感器的速度信息进行速度补偿。在单位时间CYCLE内，可认为雷达传感器速

度信息即为列车速度。

雷达传感器与速度传感器速度比较SCADE模块如图5所示。

图5中，Train_RadarInfo为雷达速度传感器所测列车信息，RADAR_SPEED_ERRCAPACITY为雷达误差容许范围。输出SliSpi_Sig为列车空转信号。当列车脉冲速度传感器所测速度与雷达传感器所测速度的差值小于雷达误差容许范围时，输出列车滑行信号。

3.3 应答器校正模型

列车速度测量误差会随着列车运行里程的增加而不断累积，所以，使用应答器对列车的位置进行修正十分必要。应答器的位置修正使用电磁耦合、感应。当列车经过线路上的应答器时，车载查询器接收地面应答器的固定位置信息，实现列车位置的绝对修正。应答器校正模型如图6所示。

当应答器信号Balise_Action为真，列车位置进行绝对校正，列车位置信息即为所接收应答器位置信息Balise_LocationInfo，位置误差修正为0。

3.4 车轮轮径校正模型

由速度传感器计算列车运行位移方法可以看出，车轮的轮径精确度影响着列车测速定位的精确度，随着列车运行里程的增加，车轮轮径的影响也是累积的，所以，对列车进行车轮轮径校正是不可或缺的。校正方法如下，在固定线路位置上设置轮径校正应答器，当列车越过第1个校正应答器时，列车保持匀速直线运行，防止空滑现象的发生，同时开始计数脉冲。当列车经过第2个校正应答器时，脉冲计数结束，轮径校正结束。轮径校正后直径为：

式（3）中：L—校正应答器的间距；n—正常车轮旋转一周的脉冲数；N—校正路段内，车轮的脉冲数。

车轮校正SCADE模型如图7所示。

列车开始处于初始化Diaadj_Init状态，当车轮校正开始应答器信号为真，列车进

入TrainDia_Cal脉冲计数模块，当车轮校正结束应答器信号Balise_

AdjustEnd_Sig为真，列车进入Dia_Cal轮径计算状态，轮径计算模型如图8所示。以上海地铁A型车为例，列车车轮直径正常范围为770～840 mm之间，超出此范围，应给出轮径报废信号Train_ WheelScrap_Sig。

为保证列车运行安全，模型设计完成后需要对模型进行安全验证。本文采用形式化验证方法，对系统进行安全验证。IEEE1474标准中规定，在城市轨道交通中，当定位误差大于10 m，则定义为列车丢失，列车将实施紧急制动。本文以此作为安全需求，对所设计的测速定位模型进行验证，安全属性模型如图9所示，当定位模型中列车当前位置误差CurLoc_ TolErr超过10 m时，列车必须进入失效状态，输出紧急制动。

利用SCADE的模型检测工具Design Verifier验证安全属性，结果为Valid，表明模型满足安全属性，如图10所示。

本文采用高安全性实时嵌入软件SCADE对ATP的关键子系统，测速定位子系统进行了建模。采用基于速度传感器、雷达传感器和加速度传感器相结合的测速思想，综合考虑了列车运行过程中列车轮径磨损、列车空转、列车打滑状态对测速定位的影响，采取速度修正方式，同时结合地面应答器，对列车的位置进行绝对的校正，模型提高了测速定位系统的精度，同时，采用SCADE的形式化安全验证，证明了模型符合系统安全属性，具备高安全性与可靠性。

【相关文献】

[1]周钰威.ATP车载安全计算平台及测速定位功能的研究 [D].北京：北京交通大学，2012.

[2]张 路.基于SCADE的CBTC区域控制器软件开发[D].北京：北京交通大学，2010.

[3]CHO C B,CHOI D H,QUAN zhong-hua,et ng of CBTC Carborne ATO functions

using SCADE[C].Proc of the 11th International Conference on Control,Automation and

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[4]李 雷.基于SCADE的CBTC区域控制器软件测试方法研究 [D].北京：北京交通大学，2010.

[5]崔 超,张亚东,郭 进.改进的灰度预测在列车轮径校正中的研究 [J].铁道标准设计，2016（1）：139-143.

[6]李 耀，陈荣武，谢 刚.基于SCADE与QNX平台的列车测速定位安全软件[J].计算机应用研究，2013（10）：3044-3047.

[7]王灵丽.基于CBTC的地铁列车组合定位技术研究 [D].成都：西南交通大学，2014.

[8]张 源，张洪宇.现代铁路列车跟踪与定位技术的研究[J].铁路计算机应用，2011，20（4）.

本文标签： 列车模型速度传感器测速