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基于深度强化学习DDDQN的高速列车智能调度调整方法

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铁道科学与工程学报 2024年第4期21卷 1298-1308页

作者：吴卫阴佳腾陈照森唐涛北京和利时系统工程有限公司北京100176 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

在高速铁路系统的日常运营中,列车经常受到各种突发事件的干扰而导致晚点,严重影响旅客出行体验。为在短时间内制定出列车运行调整方案并尽可能缩短列车晚点时间,提出一种将深度强化学习与整数规划模型相结合的列车智能调度调整方法(DDD... 详细信息

在高速铁路系统的日常运营中,列车经常受到各种突发事件的干扰而导致晚点,严重影响旅客出行体验。为在短时间内制定出列车运行调整方案并尽可能缩短列车晚点时间,提出一种将深度强化学习与整数规划模型相结合的列车智能调度调整方法(DDDQN)。首先,将线路划分为多个轨道区段相连接的形式,并基于车间作业调度问题,以最小化所有列车总晚点时间为目标,构建描述列车运行过程的整数规划模型。之后,将各列车视为智能体,根据实际运营需求定义了多智能体的状态、动作以及回报函数,并构造了2个深度神经网络以近似值函数。最后,结合上述整数规划模型设计了DDDQN的训练方法,先利用智能体在仿真环境中探索求出问题可行解,并通过2个神经网络之间的“互馈”机制,实现神经网络参数的更新。在此基础上求解整数规划模型,即可在短时间内得到问题最优解。利用京张高铁实际线路数据和运营数据进行仿真实验,通过比较3种不同求解方法在10个不同突发事件场景下得到的列车总晚点时间和求解时间,验证了所提出的DDDQN模型可以在短时间内得到问题的最优解,可降低至多30.43%的列车晚点时间以及至多68.33%的求解时间。DDDQN为提升高速铁路系统在突发事件下的应急处置能力以及运输组织效率提供了一种智能化的方法与参考。

关键词：列车智能调度调整列车晚点时间深度强化学习整数规划模型神经网络

基于传染病和网络流模型分析APT攻击对列车控制系统的影响

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铁道学报 2024年第4期46卷 119-129页

作者：赵骏逸唐涛步兵李其昌王晓轩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 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所北京100081

高级可持续威胁(APT)是目前工业控制系统面临的主要威胁之一。APT攻击利用计算机设备漏洞入侵列车控制网络,感染并且扩散到网络中的其他设备,影响系统正常运行,因此评价APT攻击对列车控制系统的影响非常必要。提出一种基于传染病模型和... 详细信息

高级可持续威胁(APT)是目前工业控制系统面临的主要威胁之一。APT攻击利用计算机设备漏洞入侵列车控制网络,感染并且扩散到网络中的其他设备,影响系统正常运行,因此评价APT攻击对列车控制系统的影响非常必要。提出一种基于传染病模型和网络流理论结合的APT攻击影响分析方法。首先,分析在APT攻击的不同阶段设备节点状态之间的转化规则,结合传染病理论建立APT攻击传播模型,研究攻击过程中的节点状态变化趋势;其次,把设备节点的状态变化融入网络流模型中,研究APT攻击过程中设备节点状态变化对列车控制网络中列车移动授权信息流的影响;最后,结合列车控制系统的信息物理耦合关系,分析APT攻击对列控系统整体性能的影响。仿真实验展现了APT攻击过程中节点状态变化的趋势,验证该方法在分析APT病毒软件在列车控制网络中的传播过程对列车控制系统整体性能影响的有效性,为管理者制定防御方案提供依据,提升列车控制系统信息安全水平。

关键词：高级可持续威胁网络流理论传染病模型列车控制系统攻击影响分析

基于UML的CTCS-3级列控系统需求规范形式化验证方法

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中国铁道科学 2011年第3期32卷 93-99页

作者：刘金涛唐涛徐田华赵林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

采用UML与符号模型检验相结合的方法,对CTCS-3级列控系统需求规范进行形式化验证。使用引入事件、可见变量抽象的方法,对需求规范UML模型进行扩展和抽象。根据转换规则,建立需求规范的NuSMV模型,并对NuSMV模型进行领域无关特性和领域相... 详细信息

采用UML与符号模型检验相结合的方法,对CTCS-3级列控系统需求规范进行形式化验证。使用引入事件、可见变量抽象的方法,对需求规范UML模型进行扩展和抽象。根据转换规则,建立需求规范的NuSMV模型,并对NuSMV模型进行领域无关特性和领域相关特性的验证,通过反例对错误进行追踪、定位和修改。以需求规范中的模式转换为例,采用给出的形式化验证方法对其进行验证,验证结果确认模式转换满足活性、转移性、无死锁性、确定性及安全性的要求;验证过程表明UML与符号模型检验相结合的方法适用于CTCS-3级列控系统需求规范的验证。

关键词：列车控制系统需求规范形式化方法 UML 符号模型检验

城轨列车在车站停车误差估计模型与在线学习算法的研究

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中国铁道科学 2010年第6期31卷 122-127页

作者：陈德旺唐涛郜春海穆瑞琦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

根据城轨列车制动特性,对列车运动方程做2项简化。一是忽略空气阻力和坡度的影响;二是分别假设制动力传递有延时及减速度不变或减速度是初始速度的线性函数。由此推导出2个简化的列车停车误差估计模型和模型参数之间的线性关系函数式,... 详细信息

根据城轨列车制动特性,对列车运动方程做2项简化。一是忽略空气阻力和坡度的影响;二是分别假设制动力传递有延时及减速度不变或减速度是初始速度的线性函数。由此推导出2个简化的列车停车误差估计模型和模型参数之间的线性关系函数式,并给出模型参数在线学习算法,以克服停车过程中的各种非线性因素的影响,提高停车精度。根据统计学原理,采用5个评价指标对模型的性能进行评价,采用停车误差估计判断停车精度是否满足停车可靠性的要求。利用实测停车数据对模型和在线学习算法进行验证和比较。结果表明:提出的简化模型和在线学习算法,能有效降低停车误差,并纠正误差分布的有偏性;停车误差在大于99.5%的情况下满足30cm停车精度的可靠性要求;模型1的效果比模型2略好。

关键词：城市轨道交通车站停车停车精度误差估计模型在线学习算法

CTCS-3级列控系统规范的建模与形式化验证方法研究

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铁道学报 2011年第7期33卷 67-72页

作者：谢雨飞唐涛徐田华赵林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

CTCS-3级列控系统规范是CTCS-3级列控系统设计与开发的基础,是实现互联互通以及确保系统高效率与安全性的关键环节。然而,依靠经验与直觉制定的规范不可避免地存在某些漏洞或者安全隐患,因此对CTCS-3级列控系统规范进行建模与形式化验... 详细信息

CTCS-3级列控系统规范是CTCS-3级列控系统设计与开发的基础,是实现互联互通以及确保系统高效率与安全性的关键环节。然而,依靠经验与直觉制定的规范不可避免地存在某些漏洞或者安全隐患,因此对CTCS-3级列控系统规范进行建模与形式化验证显得十分必要。本文提出CTCS-3级列控系统规范建模与形式化验证方法,此方法的特点是能够在系统规范、模型、验证工具以及验证结果之间建立一条跟踪链,从而始终保证系统规范、模型及程序代码之间的一致性。结合笔者运用此方法对CTCS-3级列控系统规范建模与形式化验证的实践,证明这种方法是可行的、高效的。

关键词： CTCS-3级列控系统系统规范建模形式化验证

基于信息系统互操作的铁路应急救援指挥系统实现方法

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中国铁道科学 2010年第4期31卷 118-124页

作者：王艳辉孙倩肖雪梅张晨琛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 北京交通大学交通运输学院北京100044

采用联盟、域和子域等抽象化、形式化的方式描述铁路应急救援指挥系统内各信息系统之间的关系,根据各信息系统属性建立信息系统互操作模型、互操作平台,联盟、域和子域各设1个互操作平台,负责其所在联盟、域和子域的信息交换;按照铁道... 详细信息

采用联盟、域和子域等抽象化、形式化的方式描述铁路应急救援指挥系统内各信息系统之间的关系,根据各信息系统属性建立信息系统互操作模型、互操作平台,联盟、域和子域各设1个互操作平台,负责其所在联盟、域和子域的信息交换;按照铁道部、铁路局和站段3级管理的模式划分系统的层次,设计系统的互操作流程。应用信息系统互操作方法建立的青藏铁路应急救援指挥信息系统已正式投入运行,为青藏铁路应急救援指挥决策以及各级应急救援指挥机构、应急救援基地和相关部门互联互通提供了可靠的应急救援指挥技术平台。

关键词：应急救援互操作模型信息系统系统设计

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CTCS-3级列控系统临时限速建模与验证

西南交通大学学报 2013年第4期48卷 708-714页

作者：袁磊王俊峰康仁伟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 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044

为了满足临时限速系统的实时性要求,采用时间自动机理论,对CTCS-3级列控系统临时限速工作流程分别建立了各设备的时间自动机子模型,进而构成临时限速系统的时间自动机网络模型,并基于临时限速系统技术规范的参数对模型进行赋值;采用BNF... 详细信息

为了满足临时限速系统的实时性要求,采用时间自动机理论,对CTCS-3级列控系统临时限速工作流程分别建立了各设备的时间自动机子模型,进而构成临时限速系统的时间自动机网络模型,并基于临时限速系统技术规范的参数对模型进行赋值;采用BNF语法对临时限速系统待验证的属性进行了形式化描述,并应用UPPAAL验证工具对临时限速模型的安全性和受限活性进行仿真验证.验证结果表明:与现有临时限速系统的时间参数设置相比,修正后的时间参数设置避免了出现系统死锁现象;在不影响安全功能属性和受限活性的基础上,提高了临时限速系统的实时性,可在规范规定时间5 s内做出响应.

关键词： CTCS-3级列控系统临时限速时间自动机 UPPAAL 实时性

客运专线CTCS-3级列控系统无线闭塞中心的建模与验证

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铁道学报 2010年第6期32卷 34-42页

作者：吕继东唐涛贾昊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 西安交通大学电子与信息工程学院西安710049

本文分析客运专线CTCS-3级列控系统中无线闭塞中心(RBC)子系统软件的功能和性能约束,在此基础上采用时间自动机理论进行RBC子系统形式化语义描述,建立TER-QSR时间自动机网络模型,并应用UPPAAL验证工具对RBC子系统进行仿真分析,验证RBC... 详细信息

本文分析客运专线CTCS-3级列控系统中无线闭塞中心(RBC)子系统软件的功能和性能约束,在此基础上采用时间自动机理论进行RBC子系统形式化语义描述,建立TER-QSR时间自动机网络模型,并应用UPPAAL验证工具对RBC子系统进行仿真分析,验证RBC的安全性(Safety)和受限活性(Bounded Liveness),同时进行RBC切换时间的优化。

关键词： CTCS 时间自动机 RBC UPPAAL 实时系统

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多GPS铁道轨迹信息融合算法研究

铁道学报 2011年第9期33卷 72-75页

作者：贾晓哲陈德旺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

用于列车控制的GPS(Global Positioning System)电子地图需要高精度的轨道数据。由于采集高精度轨道数据所需要的GPS接收机成本过高,研究融合多个低精度的GPS轨迹自动生成高精度轨迹具有重要的应用价值。已有的多轨迹融合算法存在计算... 详细信息

用于列车控制的GPS(Global Positioning System)电子地图需要高精度的轨道数据。由于采集高精度轨道数据所需要的GPS接收机成本过高,研究融合多个低精度的GPS轨迹自动生成高精度轨迹具有重要的应用价值。已有的多轨迹融合算法存在计算过于复杂、计算时间过长和适用范围窄等问题。在主曲线理论的基础上并具有两个高精度固定端点的特征,本文对多GPS铁道轨迹信息融合算法做了进一步研究,采用在最大误差区域增加顶点和局部优化顶点位置的方法,提出一种改进的融合算法。通过实测铁路轨道GPS数据和复杂形状的模拟数据验证,结果表明,改进的融合算法可以有效地融合多个低精度的GPS轨迹自动生成高精度轨迹,并加快计算速度,减少存储空间,增加了适用范围。

关键词：铁路 GPS 优化最近邻原则信息融合