近年来,国内外广泛开展列车虚拟编组的研究,其特点主要有:以车车通信替代物理联结使多列车以较小间隔同速行驶,从而将多列车视为一列列车进而提升线路容量、运能灵活性。列车虚拟编组的实现依赖于成熟的车车通信列控系统,因此拟将虚拟编组设计为车车通信列控系统下的一个功能模块。由于虚拟编组与传统列车运行模式在功能需求、模块功能和应用场景等方面存在诸多差异,因此为保证列车虚拟编组功能的正确可靠实现,本文基于车车通信列控系统,以虚拟编组功能模块、虚拟编组实现流程和虚拟编组应用场景为研究对象,先明确列车虚拟编组功能需求,在此基础上对虚拟编组功能模块和典型场景进行形式化建模和验证。论文完成的主要工作如下:（1）构建列车虚拟编组功能建模与验证框架。综合Sys ML和CPN建模语言两者特点,采用自顶向下的层次化建模方法。设计了虚拟编组功能的形式化建模与验证流程,包括场景描述、场景划分和层次化模型构建等,着重设计了Sys ML模型到有色Petri网模型的转换规则。基于模型仿真验证工具CPN Tools,设计列车虚拟编组功能模型的逻辑功能验证和状态空间分析流程,进而构建了基于车车通信的列车虚拟编组功能与验证整体框架。（2）设计虚拟编组功能模块整体架构。首先,在列车虚拟编组运行模式和传统列车运行模式的同异性分析的基础上,明确列车虚拟编组功能需求;然后结合车车通信列控系统的结构特点,为使虚拟编组功能正常运行同时减少系统复杂度,设计了虚拟编组功能模块的结构和模块间的交互;接着,基于虚拟编组功能需求,设计虚拟编组运行模式和既有列车运行模式间的切换以及列车虚拟编组的实现过程,并针对列车紧急制动和通过道岔两个场景计算了列车虚拟编组的最小安全间隔。（3）对列车虚拟编组典型场景进行形式化建模和验证。选取虚拟编组申请、保持和解除三个典型场景进行形式化建模,从场景识别入手构建Sys ML顺序图和状态图模型并依照转换规则和层次化抽象方法构造层次有色Petri网模型,并对模型进行了逐步仿真和状态空间分析,最后验证了列车虚拟编组典型场景下功能设计的正确性和完备性。（4）针对虚拟编组运行中出现的具体场景设计场景决策模型并验证策略有效。从场景决策的必要性入手,提出场景识别的需求,设计了场景决策的原则;在此基础上,基于有限状态机进行场景识别和决策模型构建,并采用人工势场法作为状态间转移条件得到场景决策结果;最后,基于Simulink和Stateflow进行仿真建模验证,结果表明决策模型能有效解决虚拟编组场景决策问题。本文共有图75幅,表27个,参考文献68篇。