我校参加成果申报2017年度陕西省科学技术进步奖的公示

     发布日期:2017-04-14 阅读次数:

       我单位参加的“轨道交通列车运行安全保障关键技术与应用”项目申报2017年度陕西省科学技术进步奖,特进行公示。公示期:2017年4月14日至2017年4月21日,公示内容见附件。

       公示期内如对公示内容有异议,请您向科技处反映。根据相关要求,为了便于核实、查证,确保实事求是、公正地处理异议,提出异议的单位或者个人,应当表明真实身份,凡匿名异议和超出期限的异议一般不予受理。联系人及联系电话:何笑冬,51688552

        特此公示。

北京交通大学科技处

2017年4月14

 

附件:

项目名称

轨道交通列车运行安全保障关键技术与应用

完成单位

黑新宏;曹源;谢国;孟海宁;马维纲;李鹏;王磊;尤刚;许永成;吕林涛;王晓帆

完成人

西安理工大学;北京交通大学;四川网达科技有限公司;北京大象科技有限公司

推荐单位

陕西省教育厅

 

项目简介:

该成果属于电子信息、轨道交通、计算机科学与技术学科、控制科学与工程等多学科交叉融合的科学与技术问题,围绕轨道交通列车运行的安全保障需求,在国家自然科学基金(61100173)、教育部留学回国人员科研启动基金、国家重点实验室开放课题(RCS2008K008)、陕西省自然科学基础研究计划(2009JQ8010)、陕西省教育厅科研计划(2010JK698、11JK1038)和企业委托项目的资助下,针对车站全分散式车站联锁、车载设备状态感知、列车通信、软件系统可靠性等方面展开了深入研究,主要内容如下

1. 构建了基于智能全分散式的铁路联锁系统构架与自动进路调节机制,并针对全分散式的铁路联锁系统,提出了基于FIT AP(无线控制器)的CBTC (Communication- based Train Control)系统架构,以及AP 快速切换方法,解决了现有电气集中联锁系统故障影响面大、故障难以排查、联锁表泛化能力若的问题。

2. 构建了分散式CBTC 系统的网络拓扑结构,设计了网络通信协议栈,并在此基础上,建立了网络实时虚拟层的通信调度机制,解决了基于以太网的高速列车通信网络技术;针对网络信息传输问题,提出了LTE-R 的车地信息实时、可靠传输方法,解决了多普勒频偏的估计与补偿技术以及高速条件下LTE-R 的多天线技术。

3. 开发了列车车轴设备的状态监测设备,建立HMM 的多维信息融合的车载状态监测与故障分析方法,并搭建了车辆损耗分析平台,解决了列车车辆维护维修成本高、依赖于人工经验的问题。

4. 提出了自然语言描述系统需求说明的形式化建模构架与实施步骤,解决了自然语言带来的定义模糊问题;建立了基于时间触发机制的多传感器融合系统模型和系统运行时用并发性、实时性和安全性关联模型;针对形式化模型,构建了形式化模型的自动化验证方法,消除了需求说明中的逻辑矛盾和需求冲突,提高了系统可靠性。

该项目已发表论文72 篇,其中SCI 收录18 篇,EI 收录46 篇,在此基础上申请国家发明专利11 项、其中授权发明专利4 项,获得软件著作权11 项。研究成果在四川网达科技有限公司、北京大象科技有限公司、北京交大创新科技中心等多家单位推广、应用于全国多个列车运行控制系统与铁路信号监测预警系统。

客观评价:

近年来,不论是高速列车还是地铁,轨道交通在我国得到了飞速发展,在技术上取得了一系列突破,但是统计数据表明,列车的系统故障依旧频发,特别是信号系统故障占所有故障的30%以上,而其他单个原因无一超过10%。在关于轨道交通信号系统的可靠性保障领域,已引起了国内外同行的广泛关注。鉴于以上针对国内外研究现状的分析,我们通过了近十年的不懈努力,在以下几方面取得了一些成绩,其中的部分工作在相应的研究方向上具有突破性的贡献。

(1)现有的电气集中式联锁系统将道岔、信号机和进路等设备用电气方式集中授权与监督,并实现设备间的联锁关系。然而,对于集中式联锁系统而言,现场设备间需要大量的线缆独立与联锁计算机连接,导致施工和维护工作量巨大、且故障难以排查;并且对联锁计算机的过度依赖,导致一旦发生计算机故障,极易整个系统瘫痪;现存信号系统在升级过程中,极易再次导致故障;此外,由于我国幅员辽阔、地域间发展不均衡,集中式联锁方式成本过大。虽然近年来,基于分散自律形态的控制系统的研究已引起国内外众多学者的注意,并取得了一些进展,如采用面向对象Petri 网对铁路联锁系统中各个模块进行建模,并添加容错功能,并给出了在分散形态下信号系统的调度全过程的建模和验证,但对于其中必然会涉及到的实时性和并发性特性及其发生机理和生命轨迹,没有能够表征。

针对现有集中式联锁系统的缺陷,基于现有研究基础,本项目提出了全分散式网络架构下的铁路联锁系统构架,以及分散式形态下各个终端对象的控制逻辑和列车的优先级的确定方法,并设计了各设备的消息约束机制、规范消息内容格式、发送方式及接受到信息后的处理方法,确保在系统的运行过程中不存在因操作顺序引发的一致性问题,使系统有序运转。

(2)目前,高速列车采用动力分散方式,各种机械、电气和控制设备众多,车内安装有大量的分布式传感器和信息输入点等节点,各节点之间的耦合关系也越来越复杂。在进行状态检测和故障诊断对列车网络的性能要求也很高,需要列车网络系统具有较高通信速率与容量,较高的实时性和数据可靠性,良好的扩展性和互操作性等。而目前高速列车上所采用基于国标IEC61375-1 制定的MVB 总线和WTB 总线,带宽只有1.5Mb/s 和1Mb/s,而且通信容量有限,扩展性差,使得当前列车所使用的通信网络系统(TCN)(以CRH3 型高速列车为参考,MVB 以及WTB 总线)通信速率底、通信容量小以及扩展能力有限,无法实现高速列车的高速通信网络的能力。

针对以上问题,根据既有TCN 的拓扑层次结构、通信协议栈和链路层的介质访问方式,以及结合高速列车实时通信需求,提出了基于以太网通信网络的设计方案,包括网络拓扑结构、通信协议栈以及分层通信;并针对以太网的不确定与随机延迟与列车监测数据传输的实时性的矛盾,通过建立满足高速列车诊断网络拓扑结构,构建了实时性的通信协议栈以及分层通信方案

(3)列车轴承磨损和产生缺陷时,不正常发热增大,轻则造成机损影响车辆的正常达行.轻则造成疲劳破坏重则直接等致火车发生故障翻车.造成巨大的生命和财产损失,严服影响到铁路运输安全。现有轴温检测主要采用模拟型温度传感器(热电偶、热敏电阻等)测温时精度较低,同时其抗干扰能力差难以适应列车运行时环境变化、同时多点测量时不便,不能很好地串行通讯等弱点限制了其应用,特别是针对货运动车组运行距离差、连续运行时间长等特点,现有设备往往难以满足实际需求。针对该问题,本项目开发了急轴温无线监测装置,并应用于中车集团,填补了在该领域的空白。

(4)在列控系统开发时,传统的开发方式是先基于领域知识的了解,用熟知自然语言(含义)描述出系统功能需求说明(Specification),然后再对需求说明进行检验合格后交由系统设计师进行后续流程。可以说系统规格说明是系统的根本,其质量的好坏直接关系到系统能否高效开发与顺利实施。调查研究表明,系统中约56%的错误来源于规格说明的模糊定义、需求矛盾等。传统地通过单体测试、模型测试、系统测试等测试来保障系统质量的方法,即使设计错误或者缺陷能在测试中被发现,系统的重建费用也异常高昂。更为关键的是,测试的不完全性使其已经不能完全满足新型列控系统对高安全性和高稳定性的需求。近年来,采用形式化方法明确的定义、严格的分析需求规格说明,以期从源头上降低系统的缺陷和错误,并已经成为国内和国际研究的热点问题,并有一些应用,例如B 方法用于巴黎地铁14 号线、巴黎地铁的1 号线、以及Roissy 机场各候机楼之间的全自动无人驾驶穿梭车控制系统,然而该应用仅限于部分关键子系统的描述,然而如何对系统功能间的逻辑错误证明,尚未见报道。本项目首次建立了形式化模型的自动验证构架,为形式化方法在列控等工业系统中的应用打开了新思路,能有效的提高系统可靠性。

推广应用情况:

本项目研发的关键技术和成果已经部分应用于四川网达科技有限公司、北京交大创新科技中心、北京大象科技有限公司、长沙市鹏扬教学设备有限公司等单位,2014年至2016 年三年间帮助企业累计增加营业收入16890 余万人民币,增加利润约2150万元,取得了良好的经济和社会效益。详细情况如下:

本项目研发轨道交通信号综合分析判断系统,是基于信号集中监测、通信监测、车载设备监测及其它监测系统,充分发挥各种监测系统在轨道交通信号监测与维护方面的作用,实现设备状态实时监测、异常报警、智能分析的集成化综合监测系统。使该公司自2014 年以来,实现了累计增加销售额12410 万。

本项目研发的“轨道交通车载状态监测系统以及设备” 应用于北京交大创新科技中心,使该公司自2014 年以来,实现了累计增加销售额576 万。同时,该项目为保证轨道交通列车运行安全,发挥了重要的作用,产生了很好的社会效益和社会效益。

本项目研发的“城市轨道交通安全保障与评估系统以及轨道交通车载状态监测设备”应用于北京大象科技有限公司,2014 年以来,累计增加销售额2245 万,新增利润457 万,本项目建立了全分散式铁路信号系统及其自适应优化调度模型,并应用于面向高速铁路和地铁列车培训的模拟驾驶仿真平台设计和开发,给操作人员以身临其境的驾驶感觉,并实现了对培训人员的智能化真实在线评价,为长沙市鹏扬教学设备有限公司累计增加销售额2265 万,新增利润395 万。

 

 主要知识产权证明目录

1 发明专利

一种基于AP 切换的列车通信系统及通信方法

中国201110024155.5 2013.8 1302909 西安理工大学

黑新宏,张志刚,王磊,高金梨,马维纲

2 发明专利

一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统及维护方法

中国ZL201110103673.6 2013.4 1178987 西安理工大学

黑新宏, 张鹏飞, 王晓帆, 金英珠,赵凯

3 发明专利

一种基于列车优先级的分散式列车并发调度方法

中国ZL201110111180.7 2013.7 1289183 西安理工大学

黑新宏,欧阳娜,高金梨

4 发明专利

地铁综合管线三维可视化方法

中国ZL201110091740.7 2011.4 1120983 西安理工大学

黑新宏,金英珠,王晓帆,张鹏飞,赵凯有效3-4

5 实用新型

基于超声波的车位状态检测及车位信息无线传输装置

中国201220729436.0 2013.4 3012201 西安理工大学

黒新宏,王彬,陈成,扬

子江,吴泽熙,刘志鹏,

朱雪松

6 计算机软件

著作权 地铁模拟驾驶系统中国2013SR070963 2013.7 0576725 西安理工大学

黑新宏,金英珠,刘洋,刘文娟,薛雪莉

7 计算机软件著作权

全分散式列车运行仿真软件平台v1.0 中国2010SR015609 2010.4 0203882 西安理工大学

黑新宏,程志峰,马维纲