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Behavior modeling and verification of movement authority scenario of Chinese Train Control System using AADl

Science China(Information Sciences) 2015年第11期58卷 125-144页

作者： AHMAD Ehsan DONG YunWei lARSON Brian lü jidong TANG Tao ZHAN NaiJun School of Computer Science Northwestern Polytechnical University State Key laboratory of Computer Science Institute of Software Chinese Academy of Sciences Computing and Information Systems Kansas State University State Key laboratory of Rail Traffic Control and Safety Beijing Jiaotong University

Train control systems like most digital controllers are, by definition, hybrid systems as they interact with or try to control some aspects of the physical world. Detailed behavior modeling with constraints specification and formal verification, required for reliability prediction, is a great challenge for hybrid system *** control systems further intensify this challenge with extensive interaction between computing units and their physical environment and their mutual dependence on each other. In this paper, we investigate behavior modeling and formal verification of Chinese Train Control System level 3(CTCS-3) using Architectural Analysis & Design language(AADl) to cope with this challenge. AADl is an architecture description language for embedded systems and is based on model-based engineering paradigm. Along with structural modeling of embedded systems using the core language constructs, AADl also provides support for language extension through annex sublanguages. In system requirements specification document, the behavior of the CTCS-3 is specified as a set of basic operation scenarios that cooperate with each other to achieve safe and secure functionality of *** Authority(MA) scenario, explored in this paper, is considered as a basic and most crucial scenario to prevent trains from colliding with each other. The detailed discrete behavior of control system is modeled and verified using the Behavior language for Embedded Systems with Software(BlESS) annex sublanguage of AADl, and the continuous behavior of train with the cyber–physical interaction(communication between train and control system) is modeled using the Hybrid annex sublanguage. The behavior of the MA scenario at system level is verified using the Hybrid Hoare logic theorem prover. Behavior constraints are specified as assertions using first-order logic formulas augmented with a simple temporal operator.

关键词： AADl behavior modeling BlESS annex CTCS hybrid annex train control system

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基于同态滤波和K均值聚类算法的杨梅图像分割

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农业工程学报 2015年第14期31卷 202-208页

作者：徐黎明吕继东常州大学信息科学与工程学院常州213164 江苏城乡建设职业学院设备工程系常州213147

针对自然环境下光照不均杨梅果实分割效果不理想问题展开研究。应用同态滤波算法对HSV(色调hue,饱和度saturation,亮度value)颜色空间下杨梅图像V分量进行亮度增强,以补偿光线。而后针对彩色杨梅图像的颜色特征,结合lab(l(亮度lightness... 详细信息

针对自然环境下光照不均杨梅果实分割效果不理想问题展开研究。应用同态滤波算法对HSV(色调hue,饱和度saturation,亮度value)颜色空间下杨梅图像V分量进行亮度增强,以补偿光线。而后针对彩色杨梅图像的颜色特征,结合lab(l(亮度lightness),a(色度chromaticity,+a表示红色,-a表示绿色),b(色度chromaticity,+b表示黄色,-b表示蓝色)颜色空间a、和b分量的特点,应用K均值聚类算法在lab颜色空间中对彩色杨梅图像进行分割。为了验证该算法的有效性,在100余幅图像中选用15幅因光照不均和生长状态不同而存在不同程度阴影影响的杨梅图像,进行了3组比较试验,先采用K均值聚类算法对光线补偿去除阴影前后的杨梅图像分割结果进行比较;接着,采用基于色差2*R-G-B自适应灰度阈值分割算法和K均值聚类算法2种不同分割算法对去除阴影后的杨梅图像分割结果进行比较;最后,与基于灰度变换法、直方图均衡化方法的图像增强法去除阴影的效果进行对比。试验结果表明,该文算法的分割误差、假阳性率、假阴性率平均值分别为3.78%,0.69%和6.8%,分别比光线补偿前降低了21.01,12.79和21.14个百分点;与基于色差(2*R-G-B)自适应灰度阈值分割算法相比,分割误差、假阳性率、假阴性率这3个指标的性能平均提高了12.93,1.45和7.11个百分点;与基于灰度变换法图像增强法比较表明,分割误差、假阳性率、假阴性率平均值分别降低了32.94,6.85和29.65个百分点,与直方图均衡化图像增强法相比,这3个值分别降低了24.92,6.12和33.06个百分点。通过试验结果图的主观判断和评价指标的定量分析,验证了该算法能有效地分割出杨梅目标,保证了杨梅目标在颜色、纹理和形状方面的完整度,研究结果为研究采摘机器人进行杨梅等果实的分割和识别提供参考。

关键词：图像分割算法水果同态滤波 K均值聚类杨梅

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采摘机器人振荡果实匹配动态识别

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农业工程学报 2013年第20期29卷 32-39页

作者：吕继东赵德安姬伟常州大学信息科学与工程学院常州213164 江苏大学电气信息工程学院镇江212013

为解决由于果实振荡影响采摘机器人识别定位时间,进而影响采摘速度和效率的问题,对采摘机器人在果实振荡状况下的匹配动态识别方法进行了研究。首先介绍了振荡果实的动态识别流程,确定出采摘目标果实作为后续匹配识别的模板;然后引入去... 详细信息

为解决由于果实振荡影响采摘机器人识别定位时间,进而影响采摘速度和效率的问题,对采摘机器人在果实振荡状况下的匹配动态识别方法进行了研究。首先介绍了振荡果实的动态识别流程,确定出采摘目标果实作为后续匹配识别的模板;然后引入去均值归一化积相关匹配识别算法,采用Fast Inverse Square Root算法和快速哈特莱变换对其进行加速优化,同时借鉴以往旋转无关匹配识别算法进行抗旋转改进;试验结果表明,加速优化后的匹配识别算法能够进行采摘目标果实的匹配识别,单幅平均匹配识别时间为0.33 s,经过抗旋转等改进的匹配识别算法在[-55°,60°]较大范围内旋转无关,可以准确识别振荡果实,加上模板适时更新,能够满足实际需求。该研究可为果蔬采摘的动态识别提供参考。

关键词：图像识别算法采摘机器人振荡模板匹配

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CBTC越区切换中断时间分析

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中国铁道科学 2010年第5期31卷 125-129页

作者：陈黎洁唐涛吕继东北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 北京交通大学电子信息工程学院北京100044

基于通信的列车控制(CBTC)系统采用IEEE802.11标准作为无线通信传输协议。根据IEEE802.11标准中规定的越区切换流程,采用移动通信系统越区切换中断时间的计算方法,推导出越区切换中断时间与列车运行速度的关系表达式。采用此关系表达式... 详细信息

基于通信的列车控制(CBTC)系统采用IEEE802.11标准作为无线通信传输协议。根据IEEE802.11标准中规定的越区切换流程,采用移动通信系统越区切换中断时间的计算方法,推导出越区切换中断时间与列车运行速度的关系表达式。采用此关系表达式进行理论计算的结果显示,在发射功率为17 dBm,发射和接收天线增益均为10 dB,发射与接收端损耗均为5 dB的条件下,典型行车速度为50,70,90 km.h-1时,越区切换中断时间应分别控制在224,160和124 ms以内才能够保证通信持续正常。建立2列列车追踪运行模型,仿真不同越区切换中断时间的后车运行曲线。仿真结果显示:列车以25 m.s-1(90 km.h-1)的速度行驶时,越区切换中断时间在130 ms以内能够满足列车通信的需求;验证了CBTC越区切换中断时间与列车行驶速度的关系表达式是合理的。

关键词：基于通信的列车控制 IEEE802.11标准无线通信越区切换行车速度通信中断中断时间

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机器人运动学参数标定的改进麻雀搜索算法

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机械设计与研究 2022年第3期38卷 52-55,59页

作者：储琴吕继东常州工程职业技术学院智能制造学院江苏常州213164 常州大学微电子与控制工程学院江苏常州213164

机器人运动学参数标定的好坏,决定了机器人的定位精度。为减少机器人定位误差,提高定位精度,提出了一种改进麻雀搜索算法(ISSA)进行机器人运动学参数标定。ISSA算法是在麻雀搜索算法(SSA)的基础上,将levy飞行步长策略引入到SSA中,在增... 详细信息

机器人运动学参数标定的好坏,决定了机器人的定位精度。为减少机器人定位误差,提高定位精度,提出了一种改进麻雀搜索算法(ISSA)进行机器人运动学参数标定。ISSA算法是在麻雀搜索算法(SSA)的基础上,将levy飞行步长策略引入到SSA中,在增强算法局部搜索能力的同时,能够大大降低陷入局部最优的风险,从而获得更好的运动学参数标定效果。为验证方法的有效性,进行了仿真实验和实测实验,结果表明,ISSA将机器人的平均距离误差由2.9464降低为了0.3752,验证了方法的有效性。

关键词：运动学参数标定麻雀搜索算法 levy飞行

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基于IECP的CTCS-3列控车载TSM曲线完备性测试用例集生成方法研究

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铁道学报 2020年第5期42卷 72-83页

作者：郑伟唐涛吕继东魏国栋中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044

作为CTCS-3级列控系统的核心安全功能,速度-距离模式曲线具有参数输入域规模大、故障模式复杂等特点,如何完备地测试列控车载设备速度-距离监控曲线功能异常困难。提出了一种基于输入等价类划分测试理论的CTCS-3级列控车载目标速度监控... 详细信息

作为CTCS-3级列控系统的核心安全功能,速度-距离模式曲线具有参数输入域规模大、故障模式复杂等特点,如何完备地测试列控车载设备速度-距离监控曲线功能异常困难。提出了一种基于输入等价类划分测试理论的CTCS-3级列控车载目标速度监控曲线完备性测试用例生成方法。首先,结合CTCS-3级列控系统需求规范,建立了满足司机制动优先和设备制动优先两种不同制动优先级情况下的TSM有限状态机模型,并利用反应式状态迁移系统的形式化语义,描述了不同输入情况下模型的内部状态迁移过程。其次,利用I/O等价原理和等价类划分理论,得到了两种不同制动优先情况下的输入等价类划分。在此基础上,通过引入了被测系统的故障模型和故障域范围,采用W-method测试用例集生成方法,在满足模型故障域的条件下,最终得到两种不同制动优先的目标速度监控曲线模型完备测试集。设备制动优先情况生成的测试用例数量高于司机制动优先约33.3%,且所需测试时间和内存消耗更多。

关键词： CTCS-3列控车载目标速度监控输入等价类划分完备性测试用例

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基于失效日志的CTCS-3级列控车载子系统需求错误所致的失效致因分析

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铁道学报 2017年第3期39卷 59-70页

作者：韩笑唐涛吕继东尚麟宇北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 中国铁道科学研究院通信信号研究所北京100081

CTCS-3级列控系统的复杂性使得某些需求错误难以发现,从而导致系统失效,需要结合失效事件的日志记录反向分析出需求的错误。本文采用基于模型检查的方法,首先利用时间自动机建立CTCS-3级列控车载子系统需求的模型,同时利用失效事件中的... 详细信息

CTCS-3级列控系统的复杂性使得某些需求错误难以发现,从而导致系统失效,需要结合失效事件的日志记录反向分析出需求的错误。本文采用基于模型检查的方法,首先利用时间自动机建立CTCS-3级列控车载子系统需求的模型,同时利用失效事件中的记录数据建立描述失效事件过程的事件模型,然后对系统模型和事件模型的组合模型使用UPPAAl工具进行模型检查,验证不通过给出的反例描述了失效事件中系统的行为,对此进行分析可以找到系统需求中的错误并据此对系统进行修改。本文以CTCS-3级列控系统中列车异常紧急制动的真实事件为例,分析了因为需求不充分而导致的系统失效致因,并对解决方案进行了验证。

关键词： CTCS 车载子系统失效致因分析时间自动机 UPPAAl 模型检查需求错误

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基于混合通信顺序进程的高速铁路列控系统形式化建模与验证方法

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中国铁道科学 2012年第5期33卷 91-97页

作者：吕继东李开成唐涛袁磊北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044

针对高速铁路列控系统的混杂特性,提出一种基于混合通信顺序进程(HCSP)的列控系统形式化建模与验证方法。引入了HCSP的假设条件,建立列控系统的行为模型;定义了HCSP到混合自动机(HA)的转换规则,将HCSP模型转换成HA模型;利用模型检验工具... 详细信息

针对高速铁路列控系统的混杂特性,提出一种基于混合通信顺序进程(HCSP)的列控系统形式化建模与验证方法。引入了HCSP的假设条件,建立列控系统的行为模型;定义了HCSP到混合自动机(HA)的转换规则,将HCSP模型转换成HA模型;利用模型检验工具PHAVer对HA模型进行自动验证。以高速铁路列控系统典型的行车许可运营场景为例,建立区间闭塞分区行车许可场景的HCSP模型;根据转换规则将行车许可场景的HCSP模型转换成HA模型;用PHAVer验证了所建立的区间闭塞分区行车许可场景模型的正确性,从而证明了基于HCSP的高速铁路列控系统建模及验证方法的有效性。

关键词：高速铁路列控系统混合通信顺序进程混合自动机行车许可场景

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基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法

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西南交通大学学报 2020年第5期55卷 937-945,962页

作者：魏柏全吕继东陈柯行唐涛王唯北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044

为了研究高覆盖已知故障集的中国列车运行控制系统三级(CTCS-3)测试案例生成方法,提出了一种基于输入输出时间自动机(TAIO)变异分析的测试案例生成方法.结合列控系统模式转换的故障特点,设计了包含模式转换已知故障的8种变异算子(改变... 详细信息

为了研究高覆盖已知故障集的中国列车运行控制系统三级(CTCS-3)测试案例生成方法,提出了一种基于输入输出时间自动机(TAIO)变异分析的测试案例生成方法.结合列控系统模式转换的故障特点,设计了包含模式转换已知故障的8种变异算子(改变行为、改变目标位置、改变源位置等),形成了15106个变异体;利用输入输出一致性关系(tioco)和k-Bounded模型检验方法生成了10843个测试案例;应用一致性关系分数(CRS)、平均一致性关系分数(ACRS)和加权一致性关系分数(WCRS)进行了故障覆盖度的分析.研究结果表明:该方法设计和生成的测试案例能够有效覆盖改变行为、改变不变量和增加sink位置3种故障模式,而对于约束取反和复位取反的故障模式覆盖度不高,需通过额外的观测信息来检测故障.

关键词： CTCS-3级列控系统输入输出时间自动机(TAIO) 变异分析模式转换测试案例

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不同类型足球小场地比赛球员跑动表现及能量消耗的差异

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上海体育学院学报 2021年第5期45卷 81-88页

作者：缪律吕季东吴瑛朱洁上海交通大学体育系上海200240 上海财经大学体育部上海200433 上海体育学院体育教育训练学院上海200438

目的探究大学男子足球运动员(以下简称"球员")在不同类型小场地比赛中跑动表现及能量消耗的差异,并比较跑动速度和能量消耗2种划分标准下球员高强度活动的占比。方法运用全球定位系统(GPS)设备测定20名大学男子球员8场4对4附门将(4v4+GK... 详细信息

目的探究大学男子足球运动员(以下简称"球员")在不同类型小场地比赛中跑动表现及能量消耗的差异,并比较跑动速度和能量消耗2种划分标准下球员高强度活动的占比。方法运用全球定位系统(GPS)设备测定20名大学男子球员8场4对4附门将(4v4+GK)、6场6对6附门将(6v6+GK)和4场8对8附门将(8v8+GK)小场地比赛(3节,每节6 min,节间间歇90 s)中的跑动数据,基于加速度和变速跑动的能量消耗计算公式推测能量消耗。结果 (1)球员总跑动距离随着小场地比赛人数的增多而升高(P<0.01);在8v8+GK中球员的中速跑距离长于6v6+GK和4v4+GK(P<0.01),在6v6+GK和8v8+GK中球员的中高速跑距离和高速跑距离均长于4v4+GK(P<0.01)。(2)球员的总变速和低减速次数随着小场地比赛人数的增多而降低(P<0.01);在4v4+GK中球员的低加速、中加速和中减速次数均多于6v6+GK和8v8+GK(P<0.01、P<0.05)。(3)球员能量消耗和代谢功率均随着小场地比赛人数的增多而升高(P<0.01)。(4)以跑动速度为划分标准的高强度活动占比(11.35%~13.34%)低于以能量消耗为划分标准的高强度活动占比(17.00%~18.07%),差异有统计学意义(P<0.01)。结论在一定人数范围内球员人均面积相等的情况下,人数较多的小场地比赛适合发展球员的持续跑动能力,人数较少的小场地比赛适合发展球员的灵敏能力。在6v6+GK和8v8+GK中,球员每分钟的能量消耗水平接近正式比赛。以跑动速度为标准的划分方式低估了高强度活动的占比,且在人数较少的小场地比赛中尤为明显。

关键词：足球小场地比赛跑动表现能量消耗高强度活动

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