TEORETYCZNE PODSTAWY CYFROWEGO BLIŹNIAKA APLIKACJI ETCS

Teoretyczne podstawy cyfrowego bliźniaka aplikacji ETCS
A. Kochan

Monografia jest poświęcona cyfrowemu odwzorowaniu aplikacji ETCS. Aplikację taką należy rozumieć jako system ERTMS/ETCS zaimplementowany na określonym obszarze sieci kolejowej np. linii kolejowej. System ERTMS/ETCS realizuje zadania systemu automatycznego zabezpieczenia pociągu ATP (ang. Automatic Train Protection), do których należą: − wyznaczanie zezwolenia na jazdę; − wyznaczanie dynamicznego profilu prędkości dopuszczalnej w obszarze zezwolenia na jazdę; − nadzór nad przestrzeganiem dynamicznego profilu prędkości dopuszczalnej; − automatyczne hamowanie pociągu w przypadku zagrożenia bezpieczeństwa ruchu kolejowego.

Poprawna realizacja tych funkcji zapewnia bezpieczeństwo ruchu kolejowego na obszarze sieci kolejowej, nadzorowanego przez aplikację ETCS. Poprawność realizacji funkcji jest kluczowym wymaganiem dla systemu ERTMS/ETCS.

Przeprowadzone przez autora badania w ramach projektu „Cyfrowa kolej. Cyfrowy bliźniak aplikacji ETCS. Wirtualne prototypowanie i symulacja scenariuszy operacyjnych” są oryginalnym osiągnięciem indywidualnego dorobku autora i obejmują składowe zagadnienia badawcze, takie jak: − koncepcja infrastruktury Cyfrowego Bliźniaka Aplikacji ETCS (rozdz. 4.1); − identyfikacja i opracowanie modelu Aplikacji ETCS i jej otoczenia (rozdz. 4.4); − koncepcja wirtualnego laboratorium i metodyki projektowania aplikacji ETCS; przez wirtualne prototypowanie (rozdz. 4.5.2); − formalny model infrastruktury kolejowej w postaci Multigrafu IS (rozdz. 5.2); − algorytmy weryfikacji poprawności modelu infrastruktury kolejowej (rozdz. 5.3); − formalny model procesu weryfikacji aplikacji ETCS z wykorzystaniem symulacji scenariuszy operacyjnych, w tym: formalna specyfikacja scenariusza operacyjnego (rozdz. 5.4.1) i koncepcja obrazu symulacji scenariusza operacyjnego (rozdz. 5.4.3); − implementacja weryfikacji modelowej z wykorzystaniem czasowych, rozproszonych automatów współbieżnych, jako formalnej metody pozwalającej na kompleksową weryfikację modelu aplikacji ETCS (rozdz. 5.5).

Opis wymienionych nowatorskich zagadnień jest uzupełniony charakterystyką powiązanych, istniejących rozwiązań, które stanowią środowisko łączące aktualny stan wiedzy z dorobkiem autora.

SPIS TREŚCI
Skróty i pojęcia 7
1. Wprowadzenie 15
1.1. Cyfrowe odwzorowanie aplikacji ETCS. Dorobek badawczy 15
1.2. Plan monografii 17
1.3. Aktualny stan wiedzy 19
1.3.1. Cyfrowy bliźniak 19
1.3.2. Modelowanie i formalny opis systemu srk 23
1.3.3. Weryfikacja poprawności modelu infrastruktury 26
1.3.4. Metody formalne w zastosowaniu do weryfikacji systemu ETCS 27
2. System ERTMS/ETCS i jego aplikacja 29
2.1. System ERTMS 29
2.1.1. Kluczowe funkcje 29
2.1.2. Składniki i struktura 30
2.1.3. Poziomy zastosowania 32
2.1.4. Tryby pracy 33
2.1.5. Procedury 42
2.1.6. Język ETCS 43
2.2. Aplikacja ETCS 46
2.3. Formalne podstawy stosowania scenariuszy operacyjnych w procesie weryfikacji
poprawności aplikacji ETCS 48
3. Cyfrowy bliźniak 51
3.1. Koncepcja 51
3.2. Właściwości 53
3.3. Zastosowania 55
4. Cyfrowy bliźniak aplikacji ETCS 57
4.1. Koncepcja 57
4.1.1. Cyfrowy bliźniak 59
4.1.2. Interfejs fizycznego bliźniaka 60
4.1.3. Monitor AE 60
4.1.4. Archiwum 61
4.1.5. Interfejs operatora/ konsola operatora 61
4.1.6. Wirtualne laboratorium 61
4.2. Taksonomia 63
4.3. Zastosowanie 65
4.4. Identyfikacja modeli składowych CBAE 67
4.4.1. Ogólny zarys modelu 67
4.4.2. Pozycjonowanie 68
6
4.4.3. Model topologii układu torowego 71
4.4.4. Modele składników aplikacji ETCS 74
4.4.5. Modelowanie aplikacji ETCS 85
4.4.6. Modele elementów otoczenia aplikacji ETCS 90
4.4.7. Modelowanie otoczenia 98
4.4.8. Model CBAE 104
4.5. Wirtualne laboratorium aplikacji ETCS 105
4.5.1. Założenia 105
4.5.2. Wirtualne prototypowanie 106
4.5.3. Koncepcja wirtualnego prototypu aplikacji ETCS 113
4.5.4. Symulacja scenariuszy operacyjnych 115
4.6. Dynamiczny model pociągu 118
4.6.1. Fazy jazdy pociągu 118
4.6.2. Strategia jazdy pociągu 121
4.6.3. Równanie ruchu 122
4.6.4. Interpolacja siły trakcyjnej i hamowania 125
4.6.5. Dokładność modelu jazdy 127
4.7. Symulacja jazdy pociągu 128
4.7.1. Zarys algorytmu 128
4.7.2. Algorytm symulacji jazdy pociągu 128
4.7.3. Algorytm symulacji ruchu kolejowego 130
5. Modele matematyczne i algorytmy 132
5.1. Podstawy teoretyczne 132
5.2. Matematyczny model infrastruktury torowej obejmującej aplikację ETCS i jej otoczenie 133
5.2.1. Ogólne założenia 133
5.2.2. Multigraf infrastruktury kolejowej 134
5.2.3. Katalog wierzchołków i krawędzi Multigrafu IS 156
5.2.4. Model przykładowego obszaru sieci kolejowej 159
5.3. Algorytmy weryfikacji poprawności modelu struktury 161
5.3.1. Ogólne założenia 161
5.3.2. Obszary weryfikacji 161
5.3.3. Spójność modelu matematycznego 163
5.3.4. Właściwości warstwy podstawowej srk 164
5.3.5. Budowa aplikacji ETCS 167
5.4. Scenariusze operacyjne 177
5.4.1. Formalna specyfikacja 177
5.4.2. Specyfikacja SSO środowiska symulacji 181
5.4.3. Wykonanie badania symulacyjnego 183
5.4.4. Weryfikacja działania aplikacji ETCS 184
5.4.5. Graficzna reprezentacja scenariusza operacyjnego 186
5.5. Formalna weryfikacja cyfrowego bliźniaka aplikacji ETCS z wykorzystaniem modelu
czasowego i współbieżnego 187
5.5.1. Rozproszony charakter aplikacji ETCS 187
5.5.2. Dobór narzędzia 189
5.5.3. IMDS 190
5.5.4. Weryfikacja dostępność komunikatów tekstowych na DMI 197
6. Podsumowanie 205
Bibliografia 208