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城市规模越来越大,现代化程度越来越高,但其交通拥堵情况却日渐严重。此时城市轨道交通以其快捷、安全、准时和节能等特点迅速成为中国乃至世界上许多国家解决交通拥堵的第一选择,而基于通信的列车控制(Communication Based Train Control,CBTC)系统又因技术的先进性成为轨道交通信号系统的必然选择。CBTC系统因其运行环境和功能的特殊性,决定了它是一个大型复杂的安全苛求系统,必须依靠各个子系统的相互协作,才能为列车的运营提供软硬件技术平台。在CBTC系统的开发和实施过程中,许许多多的关键技术对保障列车安全、高效、舒适、准时、节能地运行起到至关重要的作用。因此,本文将城市轨道交通中的列车运行控制系统作为基本研究对象,深入研究其中的一些关键技术,以提高系统安全性和可靠性、提升系统性能、降低列车运行能耗为目标,主要研究内容为:(1)提出并实现了一种紧凑型的故障安全计算机平台。与常见平台架构进行对比,它精简了平台架构、优化了通讯链路、使配置变得灵活化,并对实现的关键技术如同步表决、安全通信、条件电源、需求建模等方面进行了详细的阐述,保证可靠性与安全性的前提下提高了平台的性能。(2)设计并实现了两种安全输出硬件三取二表决器,动态表决器和静态表决器。并通过马尔科夫理论建模分析了他们的可靠性和安全性,模型表明两种表决器都具有很高的可靠性和安全性,对应指标 MTTF(MeanTime To Failure)和 THR(Tolerable Hazard Rate)满足EN0129等相关行业标准的SIL4规定。并根据不同的应用场景推荐了相应的表决器。(3)在部分限速信息已知的情况下,提出了单线路多列车的基于遗传算法的双层ATO节能控制算法。搜索层寻找最佳惰行和加速的位置,从而保证节能;防护层保护列车的速度永远不会超过ATP限速信息,避免紧急停车的触发。此外,本文还研究了基于遗传算法非质点列车模型的建立,从而保证算法的准确性。(4)研究CBTC系统外部环境的故障和突发事件并对其进行了分类,为了让既有CBTC系统更好地响应这些故障和突发事件,本文提出了全局全过程故障安全原则,并分别对列车的行驶状态、ZC的全局全过程保护单元、全息故障检测系统进行了 CPN建模。最后还利用了状态空间分析方法和基于ASK-CTL的模型检测方法验证了 CPN模型的正确性和安全性,从而更好地保证了列车运行的安全。