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        基于MSC與UPPAAL的區(qū)域控制器切換場景建模與驗(yàn)證

        2018-05-30 09:55:33陳永剛
        關(guān)鍵詞:自動(dòng)機(jī)消息子系統(tǒng)

        楊 璐,陳永剛

        (蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070)

        基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control, CBTC)用于控制城市軌道交通列車的運(yùn)行,是保證列車安全、高效運(yùn)行的系統(tǒng),區(qū)域控制子系統(tǒng)作為其關(guān)鍵的軌旁設(shè)備,主要實(shí)現(xiàn)為轄區(qū)內(nèi)的列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)(Moving Authorization, MA)、完成邊界切換等功能[1-2]。如果ZC子系統(tǒng)控制邏輯存在潛在缺陷,很可能導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)在運(yùn)行中失效,造成人員傷亡或重大財(cái)產(chǎn)損失等災(zāi)難性后果[3]。為了保證列車安全運(yùn)行、降低事故發(fā)生率、需要高可靠性、高安全性的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)作為保障[4]。ZC切換作為CBTC系統(tǒng)的重要場景,是保證行車安全的基礎(chǔ),因而,針對(duì)ZC邊界切換功能安全性的驗(yàn)證就顯得尤為重要。

        目前,已有許多學(xué)者對(duì)列控系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行了大量的研究,如劉金濤博士采用基于微分動(dòng)態(tài)邏輯理論的推理證明方式對(duì)RBC子系統(tǒng)進(jìn)行了建模驗(yàn)證,采用大量的公式推理,驗(yàn)證過程繁瑣復(fù)雜[5]。張友兵采用有色Petri網(wǎng)和故障樹實(shí)現(xiàn)了對(duì)RBC兩種切換方式的建模,并對(duì)切換成功率進(jìn)行了評(píng)估,但沒有實(shí)現(xiàn)有效的驗(yàn)證[6]。黃友能采用混成自動(dòng)機(jī)理論對(duì)城市軌道交通ZC子系統(tǒng)的混成性進(jìn)行了研究,但組合片段轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜易出錯(cuò)[7]。本文采用半形式化方法MSC和形式化方法UPPAAL相結(jié)合的方法對(duì)ZC切換場景進(jìn)行研究,建立ZC切換過程的MSC模型,將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型,采用驗(yàn)證工具UPPAAL對(duì)其安全性和受限活性進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 ZC切換過程分析

        當(dāng)列車從移交ZC轄區(qū)進(jìn)入接管ZC轄區(qū)時(shí),控制列車運(yùn)行的區(qū)域控制器應(yīng)從移交ZC切換至接管ZC,切換過程分為以下4步。

        (1)列車在移交ZC區(qū)域內(nèi)運(yùn)行,當(dāng)列車接近分界點(diǎn)P,即列車收到以分界點(diǎn)P為終點(diǎn)的MA時(shí),移交ZC與接管ZC建立通信會(huì)話,觸發(fā)邊界切換功能,如圖1所示。

        圖1 邊界切換觸發(fā)控制示意

        (2) 如圖2所示,當(dāng)移交ZC與接管ZC通信成功后,移交ZC計(jì)算MA1,同時(shí)向接管ZC發(fā)送切換預(yù)告信息并為列車請(qǐng)求接管ZC范圍內(nèi)的進(jìn)路,進(jìn)路排出以后接管ZC將MA2發(fā)送給移交ZC,移交ZC將混合后的MixedMA發(fā)送給列車,控制列車運(yùn)行。

        圖2 MA延伸至接管ZC時(shí)切換控制示意

        (3) 如圖3所示,當(dāng)列車前端越過分界點(diǎn)P時(shí),車載系統(tǒng)與接管ZC之間建立通信連接,車載系統(tǒng)與接管ZC連接成功以后,車載系統(tǒng)向接管ZC發(fā)送登錄申請(qǐng),接管ZC發(fā)送數(shù)據(jù)庫版本信息,列車向接管ZC發(fā)送登錄確認(rèn)信息后登錄成功。

        圖3 車頭越過邊界點(diǎn)時(shí)邊界切換控制示意

        (4) 如圖4所示,當(dāng)列車車尾越過分界點(diǎn)P后,列車向接管ZC發(fā)送受控申請(qǐng),向移交ZC發(fā)送注銷申請(qǐng),當(dāng)列車收到接管ZC發(fā)送的控制列車的信息后,移交ZC向列車發(fā)送注銷確認(rèn)信息,列車根據(jù)接管ZC發(fā)送的控制信息控制列車正常運(yùn)行,至此,整個(gè)邊界切換過程結(jié)束。

        圖4 車尾越過邊界時(shí)邊界切換控制示意

        2 ZC切換過程建模

        2.1 基于MSC的系統(tǒng)建模

        消息順序圖(MSC)是一種簡潔的圖形化描述語言,用來直觀描述并行系統(tǒng)中各部件之間信息交互過程[8]。本文中采用MSC建立ZC切換場景的MSC模型,結(jié)合ZC切換過程中可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的各種情況,為后續(xù)時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型的建立提供依據(jù)。

        定義:MSC是一個(gè)五元組,并且有MSC=(IMft{≤i}i∈l)用來描述ZC切換場景中各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息交互關(guān)系,其定義如下。

        (1)I={ITrain,IZC1,IZC2}分別表示車載子系統(tǒng),移交ZC子系統(tǒng)和接管ZC子系統(tǒng)。

        (2)M={MTrain,MZC1,MZC2}分別表示與車載子系統(tǒng)、移交ZC子系統(tǒng)及接管ZC子系統(tǒng)相關(guān)的消息集,其中MTrain={MAextendreq, ConnectZC1, Conf, Login1, Version1, Conf1, Control, MixedMA, ConnectZC2, Con-f4, LoginZC2, Version, Conf5, Pass, Conf6, Reqcontrol,Cancel, ControlT, Ackcancel};MZC1={MAextendreq, YG, Conf2, Conf3, Connect2, Routereq, MA2, MixedMA, ConnectZC1, Conf, Login1, Version1, Conf1, Control, Cancel, Ackcancel};MZC2={Connect2, Conf2, YG, Conf3, Routereq, MA2, Conf4, ConnectZC2, LoginZC2, Version, Conf5, Pass, Conf6, Reqcontrol, ControlT}。

        (3)≤inst=Ui∈I。

        (4)≤io={(!m,?m) |m∈M}。

        定義中的f和t是從消息集M映射到實(shí)數(shù)集I上的函數(shù),如f(MAextendreq)=ITrain,t(MAexte-ndreq)=IZC1。發(fā)送消息事件m用!m表示,接收消息事件m用?m表示,如:消息事件MAextendreq從Train子系統(tǒng)發(fā)送至ZC1子系統(tǒng)表示為,ZC1子系統(tǒng)接受從Train子系統(tǒng)發(fā)來的MAextendreq消息表示為?!躨表示實(shí)體i發(fā)生的事件對(duì)應(yīng)到時(shí)間軸上的先后順序,如對(duì)于實(shí)體Train上發(fā)生的兩個(gè)事件MAextendreq和MixedMA,事件MAextendreq先于事件MixedMA發(fā)生。 ≤io表示對(duì)于任意一個(gè)消息事件,事件的發(fā)送先于接收發(fā)生,即?m,!m≤io?m;如對(duì)于消息事件MAextendreq,Train子系統(tǒng)發(fā)送MAextendreq消息事件先于ZC1子系統(tǒng)接收MAextendreq消息事件發(fā)生。

        根據(jù)以上定義,對(duì)ZC邊界切換過程進(jìn)行建模,假定切換過程中發(fā)生的消息事件都按正常的消息流程進(jìn)行,根據(jù)消息事件發(fā)送、接收的因果關(guān)系,建立ZC切換過程的MSC模型,如圖5所示。

        圖5 ZC邊界切換過程MSC模型

        2.2 模型描述

        ZC切換過程中涉及的信息交互的對(duì)象有車載子系統(tǒng)(Train),移交區(qū)域控制子系統(tǒng)(ZC1),接管區(qū)域控制子系統(tǒng)(ZC2)。

        (1)接近邊界點(diǎn)(授權(quán)的終點(diǎn)為分界點(diǎn)):列車在ZC1區(qū)域運(yùn)行過程中,若某時(shí)刻Train收到了以邊界點(diǎn)P為終點(diǎn)的移動(dòng)授權(quán),Train向ZC1發(fā)送授權(quán)延伸申請(qǐng)消息MAextendreq,然后ZC1向ZC2發(fā)送與ZC2建立通信連接的請(qǐng)求消息Connect2,ZC2向ZC1發(fā)送連接確認(rèn)消息Conf2,相鄰ZC間建立通信過程完成。ZC1向ZC2發(fā)送切換預(yù)告信息YG,并為列車申請(qǐng)ZC2范圍內(nèi)的進(jìn)路,當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)排出進(jìn)路以后,ZC2將進(jìn)路信息MA2發(fā)給ZC1,由ZC1將ZC1范圍內(nèi)進(jìn)路信息與之混合后將新的授權(quán)信息MixedMA發(fā)送給列車,控制列車運(yùn)行,如果在T5(5s)內(nèi)Train沒有收到MixedMA信息,則出現(xiàn)車地通信故障,實(shí)施緊急制動(dòng)。

        (2)車頭越過邊界點(diǎn)P:當(dāng)列車車頭越過邊界點(diǎn)P后,Train收到切換執(zhí)行應(yīng)答器組(LTO)發(fā)送的執(zhí)行轉(zhuǎn)換消息,Train根據(jù)之前MixedMA中ZC2的信息,向ZC2發(fā)送與ZC2建立通信連接的請(qǐng)求消息ConnectZC2,ZC2向Train發(fā)送連接確認(rèn)消息Conf4,連接ZC2成功后,Train向ZC2發(fā)送登錄申請(qǐng)消息LoginZC2,ZC2將本身系統(tǒng)的版本號(hào)信息發(fā)送給Train,若版本號(hào)信息相同則Train向ZC2發(fā)送登錄確認(rèn)消息Conf5,否則Train系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)單元(DSU)重新下載。

        (3)車尾通過邊界點(diǎn)P:當(dāng)列車車尾越過邊界點(diǎn)P后,Train向ZC2發(fā)送受控申請(qǐng)消息Reqcontrol,并向ZC1發(fā)送注銷消息Cancel,當(dāng)列車收到ZC2的控制消息ControlT后,ZC1向Train發(fā)送注銷確認(rèn)消息ACKcancel,整個(gè)切換過程結(jié)束,此后Train子系統(tǒng)在ZC2的控制下繼續(xù)正常運(yùn)行。

        3 系統(tǒng)模型仿真

        3.1 驗(yàn)證工具UPPAAL

        時(shí)間自動(dòng)機(jī)是在自動(dòng)機(jī)理論基礎(chǔ)上擴(kuò)展的基于時(shí)間周期、時(shí)間約束和時(shí)間解釋的實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模方法[9],相較于CPN、SPN及CSP,其主要優(yōu)勢(shì)在于有驗(yàn)證工具為其提供建模、仿真和驗(yàn)證環(huán)境[10]。UPPAAL通過模擬有限個(gè)控制結(jié)構(gòu)和數(shù)值時(shí)鐘來驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性和受限活性[11-13]。

        UPPAAL用戶界面的編輯器、模擬器和驗(yàn)證器分別用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的建模、仿真和驗(yàn)證。模擬器不僅可以按狀態(tài)轉(zhuǎn)移檢查狀態(tài)的轉(zhuǎn)移是否是期望的結(jié)果,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)鎖死時(shí),還可以檢查到出現(xiàn)鎖死的部位繼而對(duì)模型進(jìn)行修正。驗(yàn)證器通過對(duì)狀態(tài)空間的搜索來驗(yàn)證系統(tǒng)的功能屬性和受限活性。UPPAAL專門為模型的驗(yàn)證提供了一種BNF語法[14-15]。具體語法含義如表1所示。

        表1 BNF語法的含義

        3.2 ZC切換過程模型

        對(duì)于ZC切換過程的MSC模型僅僅直觀描述了時(shí)間的進(jìn)程,卻無法對(duì)模型進(jìn)行有效的分析和驗(yàn)證,所以需要將MSC模型描述的ZC切換過程轉(zhuǎn)換成時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型,然后用UPPAAL工具對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。文中對(duì)ZC切換過程中涉及信息交互的3個(gè)活動(dòng)對(duì)象分別建立各自的子時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型,即TATrain、TAZC1、TAZC2。ZC切換過程是這3個(gè)自時(shí)間自動(dòng)機(jī)的積,即TA=TATrain||TAZC1||TAZC2。

        圖6為ZC切換過程的時(shí)間自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。其中,以“!”為結(jié)尾的消息表示該條消息發(fā)出以后子系統(tǒng)位置發(fā)生轉(zhuǎn)換,以“?”為結(jié)尾的消息表示收到該條消息后子系統(tǒng)位置發(fā)生轉(zhuǎn)換,以此保證各子系統(tǒng)模型之間同一轉(zhuǎn)換的同步發(fā)生。x、y、z和t為時(shí)鐘約束,用于判斷ZC1與ZC2的連接時(shí)間、Train與ZC2的連接時(shí)間、Train登錄ZC2的時(shí)間以及ZC1計(jì)算MixedMA的時(shí)間是否超時(shí)。 routeorder、same和co mmunication為標(biāo)志位,用于統(tǒng)一不同子系統(tǒng)間狀態(tài)遷移的同步性。

        圖6 ZC邊界切換時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型

        4 模型驗(yàn)證

        在UPPAAL用戶界面的編輯器中建立ZC切換過程中各子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型并設(shè)置通道,在模擬器中對(duì)切換過程中出現(xiàn)的ZC1連接ZC2、ZC1申請(qǐng)進(jìn)路、ZC2發(fā)送MA2、Train連接ZC2、Train登錄ZC2、Train注銷ZC1以及Train受控等信息的交互進(jìn)行模擬校驗(yàn)。最后在UPPAAL中,利用BNF語法對(duì)ZC切換過程的性能和功能要求進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示。

        圖7 模型驗(yàn)證結(jié)果示意

        4.1 系統(tǒng)功能性要求

        (1)系統(tǒng)無死鎖現(xiàn)象:A []not deadlock,驗(yàn)證通過。

        (2)在設(shè)備均正常的情況下,能實(shí)現(xiàn)列車控制權(quán)由ZC1向ZC2的切換:E <> (Train. Idle imply Train. Controled),驗(yàn)證通過。

        (3) 當(dāng)列車越過ZC切換邊界時(shí),車載子系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)登錄ZC2、數(shù)據(jù)庫版本號(hào)校核以及與ZC1注銷的功能:E <> ((Train. BuildLoginZC2) or (Train. Compaison) or (Train. Loginoff)),驗(yàn)證通過。

        4.2 系統(tǒng)受限活性要求

        (1)ZC1計(jì)算MixedMA信息的時(shí)間不超過T5:A <> ((ZC1. Routecheck imply ZC1. SendMixed MA) and (t

        (2)若ZC1未收到ZC2發(fā)送的MA2信息,則無法計(jì)算出跨越切換邊界的MA信息:A <> (not ZC1. CalculatenewMA) imply ZC1. SendMixedMA,驗(yàn)證不滿足。因?yàn)閆C2范圍內(nèi)的進(jìn)路是經(jīng)ZC2計(jì)算后發(fā)送給ZC的,若無MA2,ZC1無法得出MixedMA。

        (3)ZC1與ZC2連接時(shí)間不超過T2:A <> ((ZC2. Buildconn1 imply ZC2. Conn1YES) and (x

        (4)車載子系統(tǒng)與ZC2連接時(shí)間不超過T3:A <> ((ZC2. BuildconnT imply ZC2. ConnTYES) and (y

        (5)車載系統(tǒng)登錄ZC2的時(shí)間不超過T4:A <> ((ZC2. Login imply ZC2. LoginYES) and (z

        (6)當(dāng)車載子系統(tǒng)在T5時(shí)間內(nèi)沒有收到跨越邊界點(diǎn)的MA時(shí),則認(rèn)為車地通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障,車載子系統(tǒng)進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài):A <> (Train. Approach and co mmunication==0) imply Train. Emerbreak,驗(yàn)證通過。

        5 結(jié)論

        基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)是一個(gè)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng),從ZC子系統(tǒng)的實(shí)際出發(fā),將MSC半形式化方法作為描述ZC切換場景的切入點(diǎn),然后使用時(shí)間自動(dòng)機(jī)形式化方法對(duì)該切換過程進(jìn)行描述和驗(yàn)證。首先,建立整個(gè)ZC邊界切換場景中各子系統(tǒng)信息交互的MSC模型,其次,根據(jù)MSC模型的描述,建立時(shí)間自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型,最后,采用驗(yàn)證工具UPPAAL對(duì)ZC邊界切換過程的功能屬性和受限活性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:ZC邊界切換功能滿足設(shè)計(jì)要求,在通過地面分界點(diǎn)P時(shí),列車控制權(quán)可以由移交ZC切換至接管ZC。因此,MSC與UPPAAL相結(jié)合的建模驗(yàn)證方法是可行的。

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