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基于BFGS方法的列车速度预测控制研究

铁道科学与工程学报 2024年第2期21卷 522-532页

作者：王玺邢科家王健王芃中国铁道科学研究院研究生部北京100081 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 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081

列车速度控制是轨道交通发展领域的重要基础问题。面向真实列车速度控制应用场景的列车动力学模型及其控制器设计更具挑战性。一方面,传统基于反馈的无模型控制策略存在收敛速度慢、参数要求高、环境变化敏感等问题,目前难以从优化角度... 详细信息

列车速度控制是轨道交通发展领域的重要基础问题。面向真实列车速度控制应用场景的列车动力学模型及其控制器设计更具挑战性。一方面,传统基于反馈的无模型控制策略存在收敛速度慢、参数要求高、环境变化敏感等问题,目前难以从优化角度设计控制器且应对复杂系统的约束。另一方面,传统的列车单质点动力学模型很难解决高速列车运行过程中的非线性特性。针对上述瓶颈,首先对列车各节车厢进行受力分析,且考虑车厢间的安全距离,将相对位置和相对速度作为可变状态构建列车多质点模型。然后采用模型预测控制策略,综合考虑列车速度控制的非线性成本函数,处理列车运行过程中的复杂约束,预测控制系统的未来动态行为。然后,针对列车预测控制中的复杂动态约束非线性优化问题,设计对数障碍函数处理不等式约束,进而从拟牛顿法角度设计一种具有稳定收敛性的基于BFGS方法的列车速度预测控制算法,完成列车速度的精准跟踪控制。最后,以国内某线站间列车运行数据为例,与其他先进控制方法进行对比实验,以验证所提出的BFGS列车速度预测控制算法的优越性能。实验结果表明,本文所设计的基于BFGS方法的列车速度预测控制算法能够有效地减小列车速度跟踪误差和位移误差,提升列车速度跟踪精度,有利于保障列车的安全、准点、高效、平稳运行,为轨道交通列车速度控制技术发展提供新思路。

关键词：多质点模型模型预测控制 BFGS 列车速度控制

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铁路智能调度集中系统软件集成测试方法研究

铁道学报 2024年第6期46卷 101-107页

作者：曾壹王建英李智周晓昭许伟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 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081

智能调度集中系统仿真测试包括软件模块测试、软件集成测试及软件总体测试三个阶段。在软件总体测试阶段,测试环境的搭建需要庞大的计算机集群资源作为支撑,这不仅增加了测试的成本,而且测试用例各步骤中复杂的终端交互操作极为繁琐,存... 详细信息

智能调度集中系统仿真测试包括软件模块测试、软件集成测试及软件总体测试三个阶段。在软件总体测试阶段,测试环境的搭建需要庞大的计算机集群资源作为支撑,这不仅增加了测试的成本,而且测试用例各步骤中复杂的终端交互操作极为繁琐,存在调试成本高的难点,为此设计软件集成测试模块。该模块实现了在单台计算机上即可开展黑盒测试用例的软件调试工作,无须依赖庞大的计算机集群资源,可达到简化测试流程、降低软件调试成本的效果。使用智能调度集中系统现场实验中的非预期场景开展软件调试工作,并通过统计和对比总体测试环境和集成测试环境在处理器核心调用个数及终端交互界面个数,验证了软件集成测试方法在降低软件调试成本和提高软件调试效率方面效果显著,为现场实验顺利开展提供了有力保障。

关键词：智能调度集中软件测试软件调试黑盒测试

面向5G-R调度通信业务的媒体数据加密方法

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铁道标准设计 2024年

作者：李春铎郭强亮闫晓宇蔺伟国家铁路智能运输系统工程技术研究中心中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所

调度通信是铁路行车指挥控制的关键业务，其业务数据安全直接影响铁路运输安全。5G-R为IP化网络，业务数据以IP报文的形式在网络中明文传输，存在被伪造、窃听和篡改的风险。为保证业务数据在5G-R网络中传输的安全性和完整性，研究提出... 详细信息

调度通信是铁路行车指挥控制的关键业务，其业务数据安全直接影响铁路运输安全。5G-R为IP化网络，业务数据以IP报文的形式在网络中明文传输，存在被伪造、窃听和篡改的风险。为保证业务数据在5G-R网络中传输的安全性和完整性，研究提出一种面向5G-R调度通信业务的媒体数据加密方法。首先，提出5G-R调度通信系统的密钥管理架构，明确各组成单元功能和相关接口；其次，对媒体数据加密涉及的安全实时传输协议SRTP、密钥管理协议MIKEY及基于MIKEY的调度通信系统密钥分发机制等关键技术进行研究；最后，梳理分析调度通信媒体加密相关密钥的生成和应用场景，对个呼、组呼、短消息和文件业务的数据加密流程展开研究。针对点对点通信，提出一种基于共享PCK生成会话密钥的加密方法；针对铁路组通信的特殊场景，提出基于共享GMK生成会话密钥的组呼叫加密方法及基于CSK和GMK混合加密的组数据和文件加密方法。研究提出的业务加密方法能够实现铁路5G专网调度通信业务媒体数据的加密传输，保障铁路关键业务数据的安全。

关键词：铁路 5G-R 调度通信媒体加密密钥分发机制

基于改进Vision Transformer的道岔故障智能诊断

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铁道科学与工程学报 2024年

作者：王英琪李刚胡启正杨勇中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁路智能运输系统工程技术研究中心中国铁道科学研究院研究生部中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号基础设施智能运维铁路行业工程研究中心

道岔故障种类繁多，特征复杂，存在检测难、分类难等问题，导致故障排查效率低下，对铁路运输安全构成威胁。Vision Transformer模型在图像分类方面具有较高准确度，但是其处理的是图像块，而不是传统的像素级特征，在某些情况下可能会... 详细信息

道岔故障种类繁多，特征复杂，存在检测难、分类难等问题，导致故障排查效率低下，对铁路运输安全构成威胁。Vision Transformer模型在图像分类方面具有较高准确度，但是其处理的是图像块，而不是传统的像素级特征，在某些情况下可能会影响曲线局部信息的获取。针对上述情况，提出一种基于改进Vision Transformer模型的故障曲线分类算法。首先，对典型道岔故障及原因进行梳理分类，指出了几种典型的道岔故障；其次，对使用道岔动作电流数据生成的图像尺寸进行调整并根据故障图像特点进行数据增强，使用ResNet网络取代原Vision Transformer模型中的故障图像分块机制进行特征提取，同时采用相对位置编码增强模型的适应性和泛化能力；最后，利用模型的多头自注意力机制，综合全局与局部信息进行分类，并得到分类权重。经过实验验证，本文道岔故障分类识别总体准确率达99.77%，各分类识别的平均精确率达99.78%，与原模型相比，在训练集和验证集上的识别精度分别提升了5.4%和2.4%。为了更好地理解模型的性能，采用Grad-CAM方法将迭代过程可视化，剖析了模型关注区域的变化过程，并在测试集上与VGG-16、DenseNet121等经典分类模型进行性能对比；通过ROC曲线评估分类效果，显示改进的模型取得更优结果。研究结果为道岔故障识别分类提供了新的理论支持，并为未来的研究提供了新的思路和方法。

关键词：深度学习图像分类道岔故障识别 Vision Transformer

基于eBPF和ConvLSTM的5G-R网络安全审计系统研究

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铁道标准设计 2024年第4期68卷 203-210页

作者：陈律李辉刘畅中国铁道科学研究院研究生部北京100081 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 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081

在铁路5G专网快速发展的背景下,铁路网络信息安全关系到铁路运行安全等方面。但当前成熟的铁路网络安全设备多是针对可能存在的非法入侵、外网干预等外部安全隐患,对于内部使用不当或通信异常带来的安全问题,还未有系统性的检测方法。因... 详细信息

在铁路5G专网快速发展的背景下,铁路网络信息安全关系到铁路运行安全等方面。但当前成熟的铁路网络安全设备多是针对可能存在的非法入侵、外网干预等外部安全隐患,对于内部使用不当或通信异常带来的安全问题,还未有系统性的检测方法。因此,提出一种可同时进行网络内外异常检测、集流量抓取和数据分析为一体的实时性较强的网络安全审计系统成为迫切需要。设计从网络安全审计的三大关键技术出发,分别对应本系统的数据采集、数据解析、流量识别三个模块,并说明系统在网络中部署的环境与位置。具体运用了eBPF技术抓取网络流量数据包,利用深度学习的数据预处理方法提取其中特征信息,并导入已训练好的ConvLSTM模型中进行预测,最终判断是否出现异常流量。通过两个数据集的实验验证并与传统算法进行对比,此网络安全审计系统针对外部攻击流量的预测准确率可以达到0.97,针对内部通信异常预测准确率为0.96,实现了对外部或内部因素导致的网络流量异常问题的监测与排查,以便快速反应采取进一步措施。针对5G-R场景进行的网络安全审计系统设计和研究可以为未来铁路面临的网络安全挑战提供技术支撑和帮助。

关键词：铁路通信 5G-R 网络安全审计 eBPF 深度学习 ConvLSTM

一站多场的动车段(所)跨场接发车作业管控方案研究

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铁道运输与经济 2024年第6期46卷 34-41页

作者：林炳跃王琳崔莹莹付紫彪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 中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081

随着高速铁路网的发展,在既有动车段(所)布局的基础上扩建站场,形成一站多场模式,成为纾解检修需求的主要方式。在一站多场模式下,因动车组实时技术状态、检修设备运用情况变化等,造成重新调整动车组检修场地的情况时有发生,需多个业务... 详细信息

随着高速铁路网的发展,在既有动车段(所)布局的基础上扩建站场,形成一站多场模式,成为纾解检修需求的主要方式。在一站多场模式下,因动车组实时技术状态、检修设备运用情况变化等,造成重新调整动车组检修场地的情况时有发生,需多个业务部门协调处理,效率较低,且存在安全隐患。基于现场作业现状,结合不同岗位作业人员间存在的需求冲突,从不同层面对需要解决的问题进行分析研究。同时,基于动车段(所)控制集中系统,结合动车段(所)接发车和调车作业特点,提出适用于一站多场模式的跨场接发车作业管控方案。从计划管理、进路控制、人机交互3方面对管控方案进行研究。跨场接发车作业管控方案的提出对动车段(所)接发车作业安全、效率及自动化水平的提升具有重要意义。

关键词：动车段(所)控制集中系统(CCS) 一站多场动车段(所) 跨场接发车作业管控方案

基于改进Mask-R-CNN网络的轨道交通运行环境感知技术应用研究

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铁道运输与经济 2024年第1期46卷 184-191,198页

作者：郑泽熙范楷邓晶雪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 中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081

为了提升轨道交通列车运行环境感知能力,进一步保障列车运行环境安全,针对列车运行前方各类障碍物侵限问题,提出一种基于改进Mask-R-CNN网络的轨道交通运行环境感知技术方案。通过阐述列车运行环境感知系统设计需求,对其进行结构设计。... 详细信息

为了提升轨道交通列车运行环境感知能力,进一步保障列车运行环境安全,针对列车运行前方各类障碍物侵限问题,提出一种基于改进Mask-R-CNN网络的轨道交通运行环境感知技术方案。通过阐述列车运行环境感知系统设计需求,对其进行结构设计。分析Mask-R-CNN深度视觉模型,论述其功能对列车运行环境感知需求的适用性,使用轻量级MobileNetV2骨干网络及PointRend模块对Mask-R-CNN网络进行改进优化,进一步提升实时性和准确性。在真实列车运行环境中采集列车运行前方展望数据,标注形成自有数据集,结合公共数据集对模型进行训练,经验证改进后模型F-Measure评价值达到95.56%,同时具有准确率高、实时性好、易于部署等优点,可以满足下一步轨道交通发展新需求,是计算机视觉技术在轨道交通领域的一种新探索。

关键词：轨道交通列车运行环境感知 Mask-R-CNN MobileNetV2 PointRend

基于多源数据的铁路5G-R运用质量评估系统设计

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铁道标准设计 2024年第2期68卷 185-191页

作者：梁轶群李辉欧阳智辉王文华中国铁道科学研究院研究生部北京100081 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 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081 国铁铁道试验中心北京100015

铁路5G-R网络性能监控和故障排查技术研究是提升5G-R运用水平的重要手段,针对各类网络性能数据获取困难、铁路管理和技术人员对于5G-R网络运用质量关注的颗粒度不同、智能化手段支撑不足、缺乏系统级网络性能评估体系设计等问题,探究如... 详细信息

铁路5G-R网络性能监控和故障排查技术研究是提升5G-R运用水平的重要手段,针对各类网络性能数据获取困难、铁路管理和技术人员对于5G-R网络运用质量关注的颗粒度不同、智能化手段支撑不足、缺乏系统级网络性能评估体系设计等问题,探究如何充分利用多源数据建立5G-R网络性能智能化评估系统以支撑智能铁路发展成为迫切需要。深入分析DPI、Uu接口、网管北向接口、路测等用于评估的数据源的特点和构成,并介绍各类数据的获取方法。提出基于劣化度理论的5G-R总体健康状态判断思路,并利用机器学习技术对网络异常和故障进行分析。在以上关键技术研究的基础上,提出基于微服务的5G-R运用质量评估系统架构。针对5G-R运用质量评估开展的关键技术研究和系统架构设计可为未来5G-R运维支撑系统研发提供技术支持。

关键词：铁路通信 5G-R 运用质量机器学习劣化度微服务

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铁路GSM-R系统高速适应性测试及分析

铁道标准设计 2024年第1期68卷 185-191页

作者：田园梁轶群蒋韵高尚勇李岸宁李德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 北京华铁信息技术有限公司北京100081 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081 中国铁道科学研究院研究生部北京100081

400 km/h的高速铁路技术储备研发可以推动我国高铁的科技创新。高速条件下的服务质量直接关系着业务性能的优劣,而CSD承载的列控业务和GPRS承载的调度命令信息传送业务均涉及列车的运行控制和运营指挥,会对高速列车的行车安全产生重要... 详细信息

400 km/h的高速铁路技术储备研发可以推动我国高铁的科技创新。高速条件下的服务质量直接关系着业务性能的优劣,而CSD承载的列控业务和GPRS承载的调度命令信息传送业务均涉及列车的运行控制和运营指挥,会对高速列车的行车安全产生重要影响。目前,我国尚未有针对400 km/h的GSM-R系统服务质量参数的评价标准,为保障业务质量和行车安全,采集了不同速度下铁路GSM-R系统服务质量指标试验数据--最小可用接收电平、列控类电路数据和GPRS数据,通过数据分析和理论分析,对这3类指标的传输特性进行研究,得到铁路GSM-R系统在400 km/h的高速适应性结果。结果表明,对于高速铁路GSM-R系统,最小接收电平目前为-92 dBm,在380 km/h等级时需修改为-81 dBm,在400 km/h等级时需修改为-79 dBm;列控类电路数据和GPRS数据传输特性高速适应性较强,均已满足相关标准要求。研究结果为400 km/h的GSM-R系统关键技术参数的评价标准的制定奠定重要基础,为未来高速铁路下一步提速提供参考。

关键词：高速铁路 GSM-R系统服务质量 CSD GPRS