基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證：理論、方法與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口不斷增長(zhǎng)，交通擁堵問題日益嚴(yán)重。城市軌道交通作為一種高效、安全、環(huán)保的公共交通方式，在城市交通體系中扮演著越來越重要的角色，其規(guī)模和復(fù)雜程度也在不斷提升。例如，截至2023年底，全國已有50個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路，運(yùn)營里程總計(jì)超過10000公里，線路和站點(diǎn)布局愈發(fā)復(fù)雜，不同線路之間的換乘銜接、列車運(yùn)行的協(xié)同調(diào)度等方面的復(fù)雜度顯著提高。在如此龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)中，確保列車運(yùn)行的安全性和可靠性成為至關(guān)重要的問題。區(qū)域控制器（ZoneController，簡(jiǎn)稱ZC）子系統(tǒng)作為城市軌道交通基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)著至關(guān)重要的職責(zé)。它主要負(fù)責(zé)根據(jù)通信列車所匯報(bào)的位置信息以及聯(lián)鎖所排列的進(jìn)路和軌旁設(shè)備提供的軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內(nèi)的通信列車計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)，從而保證控制區(qū)域內(nèi)通信列車的安全運(yùn)行，是車-地信息處理的樞紐。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域時(shí)，ZC子系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)接收列車發(fā)送的位置、速度等信息，同時(shí)獲取聯(lián)鎖系統(tǒng)提供的進(jìn)路信息以及軌旁設(shè)備關(guān)于軌道占用情況的信息，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算和邏輯判斷，為列車生成精確的移動(dòng)授權(quán)，確定列車可以安全行駛的范圍和速度限制。由于ZC子系統(tǒng)在保障列車運(yùn)行安全方面的關(guān)鍵作用，其自身的正確性和可靠性直接關(guān)系到整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。一旦ZC子系統(tǒng)出現(xiàn)故障或設(shè)計(jì)缺陷，可能導(dǎo)致列車移動(dòng)授權(quán)計(jì)算錯(cuò)誤，進(jìn)而引發(fā)列車追尾、碰撞等嚴(yán)重的安全事故，造成人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。2018年，某城市軌道交通線路因ZC子系統(tǒng)軟件漏洞，導(dǎo)致部分列車移動(dòng)授權(quán)異常，出現(xiàn)緊急制動(dòng)，雖然未造成人員傷亡，但造成了線路長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬元，對(duì)城市交通和居民出行造成了極大的影響。時(shí)間自動(dòng)機(jī)作為一種形式化建模方法，為ZC子系統(tǒng)的建模與驗(yàn)證提供了有力的工具。它在有限自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上添加了時(shí)間約束，能夠精確地描述實(shí)時(shí)系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的行為和特性，有效地處理系統(tǒng)中的時(shí)間因素。通過時(shí)間自動(dòng)機(jī)對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以將其復(fù)雜的功能和行為轉(zhuǎn)化為形式化的模型，清晰地展現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及時(shí)間約束等關(guān)鍵要素。利用時(shí)間自動(dòng)機(jī)建模，可以準(zhǔn)確地描述ZC子系統(tǒng)在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)列車位置信息的處理、移動(dòng)授權(quán)的生成時(shí)機(jī)以及與其他子系統(tǒng)交互的時(shí)間順序等。在驗(yàn)證方面，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的模型檢測(cè)技術(shù)能夠自動(dòng)地對(duì)ZC子系統(tǒng)模型進(jìn)行全面的驗(yàn)證，通過窮舉系統(tǒng)的狀態(tài)空間，檢查模型是否滿足預(yù)設(shè)的安全性質(zhì)和功能需求。這種驗(yàn)證方式能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)試方法難以檢測(cè)到的潛在安全隱患和邏輯錯(cuò)誤，從而大大提高ZC子系統(tǒng)的可靠性和安全性。與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證技術(shù)具有更高的覆蓋率和準(zhǔn)確性，能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)并解決問題，避免在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)故障。傳統(tǒng)測(cè)試方法可能只能覆蓋部分典型場(chǎng)景，而基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的模型檢測(cè)可以遍歷所有可能的狀態(tài)和事件序列，更全面地驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性。綜上所述，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證研究對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ǖ陌l(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持和保障，提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和運(yùn)營效率，減少潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，為居民提供更加安全、便捷的出行服務(wù)。1.2ZC子系統(tǒng)特性分析1.2.1功能特性ZC子系統(tǒng)的核心功能是為控制范圍內(nèi)的通信列車計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)，這一過程涉及多方面信息的綜合處理。以列車運(yùn)行過程為例，當(dāng)列車A在ZC子系統(tǒng)控制區(qū)域內(nèi)行駛時(shí)，ZC子系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收列車A通過車載設(shè)備發(fā)送的位置信息，這些信息由車載速度傳感器、多普勒雷達(dá)結(jié)合絕對(duì)位置信標(biāo)（如應(yīng)答器）等設(shè)備獲取并處理后發(fā)送給ZC。同時(shí)，ZC子系統(tǒng)從聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取進(jìn)路信息，了解前方軌道的占用/空閑情況以及道岔位置等。通過對(duì)這些信息的綜合分析和復(fù)雜計(jì)算，ZC子系統(tǒng)為列車A生成精確的移動(dòng)授權(quán)，明確列車A可以安全行駛的范圍和速度限制，確保列車A與前方列車保持安全距離，避免追尾等事故發(fā)生。此外，ZC子系統(tǒng)還具備列車注冊(cè)與注銷管理功能。當(dāng)列車B上電或從車輛段出發(fā)進(jìn)入ZC控制區(qū)域時(shí)，車載ATP向ZC發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，ZC接收請(qǐng)求后，將列車B的ID和相關(guān)信息與自身列車管理隊(duì)列中的信息進(jìn)行比對(duì)。若隊(duì)列中無該列車信息，則標(biāo)記為預(yù)登陸列車；若信息匹配，則完成注冊(cè)流程，將列車納入管理。當(dāng)列車B即將離開該ZC控制區(qū)域，進(jìn)入下一區(qū)域或返回車輛段時(shí)，ZC子系統(tǒng)執(zhí)行注銷操作，清空該列車的數(shù)據(jù)信息，解除對(duì)其管理。1.2.2結(jié)構(gòu)特性從硬件結(jié)構(gòu)上看，大多線路的ZC設(shè)備采用基于2乘2取2安全冗余設(shè)計(jì)的安全平臺(tái)，由四臺(tái)設(shè)備主機(jī)和2臺(tái)通信控制器組成，這種硬件冗余結(jié)構(gòu)極大地提高了設(shè)備的可靠性，符合故障-安全原則。在實(shí)際運(yùn)行中，若其中一臺(tái)設(shè)備主機(jī)出現(xiàn)故障，其他主機(jī)能夠繼續(xù)維持系統(tǒng)運(yùn)行，確保ZC子系統(tǒng)的正常工作，不會(huì)因單點(diǎn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。例如，當(dāng)設(shè)備主機(jī)PU1發(fā)生故障時(shí)，PU2、PU3和PU4可以協(xié)同工作，承擔(dān)起原本由四臺(tái)主機(jī)共同完成的任務(wù)，保障列車移動(dòng)授權(quán)計(jì)算等關(guān)鍵功能不受影響。在軟件結(jié)構(gòu)方面，ZC子系統(tǒng)的軟件具備模塊化、層次化的特點(diǎn)。不同的軟件模塊分別負(fù)責(zé)處理列車位置信息接收、進(jìn)路信息分析、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、通信管理等功能，各模塊之間相互協(xié)作又相對(duì)獨(dú)立，使得軟件系統(tǒng)易于維護(hù)和升級(jí)。例如，位置信息處理模塊專注于對(duì)接收到的列車位置信息進(jìn)行解析和校驗(yàn)，為后續(xù)的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；移動(dòng)授權(quán)計(jì)算模塊則根據(jù)位置信息、進(jìn)路信息等，運(yùn)用特定的算法生成移動(dòng)授權(quán)，各模塊分工明確，協(xié)同實(shí)現(xiàn)ZC子系統(tǒng)的整體功能。1.2.3實(shí)時(shí)性特性在城市軌道交通運(yùn)行中，時(shí)間因素至關(guān)重要，ZC子系統(tǒng)必須具備嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性。它需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)大量信息的處理和移動(dòng)授權(quán)的生成。例如，在高密度行車的情況下，前后列車的間隔時(shí)間可能僅有幾分鐘甚至更短，ZC子系統(tǒng)需要在列車通信周期內(nèi)，快速接收和處理列車位置信息、聯(lián)鎖進(jìn)路信息等，及時(shí)生成移動(dòng)授權(quán)并發(fā)送給列車，以確保列車能夠按照安全間隔和速度要求運(yùn)行。若ZC子系統(tǒng)處理信息的時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致移動(dòng)授權(quán)發(fā)送延遲，可能會(huì)使列車無法及時(shí)調(diào)整速度，影響列車運(yùn)行的安全性和效率，甚至引發(fā)安全事故。因此，實(shí)時(shí)性是ZC子系統(tǒng)確保列車安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵特性之一。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)建模與驗(yàn)證研究領(lǐng)域，國外起步相對(duì)較早，取得了一系列具有影響力的成果。Alur和Dill于1994年首次提出時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論，為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的建模與驗(yàn)證奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，該理論能夠有效描述實(shí)時(shí)系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的行為和特性，使系統(tǒng)的時(shí)間約束得以精確表達(dá)，開啟了時(shí)間自動(dòng)機(jī)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)研究中的廣泛應(yīng)用。此后，眾多學(xué)者圍繞時(shí)間自動(dòng)機(jī)展開深入研究，在模型檢測(cè)工具的開發(fā)方面取得顯著進(jìn)展。例如，UPPAAL工具由丹麥的Aalborg大學(xué)和瑞典的Uppsala大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，它能夠?qū)跁r(shí)間自動(dòng)機(jī)建模的系統(tǒng)進(jìn)行高效的模型檢測(cè)，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都得到了廣泛應(yīng)用，為實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證提供了有力支持。在國內(nèi)，隨著對(duì)形式化方法研究的重視和投入不斷增加，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)建模與驗(yàn)證研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。國內(nèi)學(xué)者在時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論的拓展、模型轉(zhuǎn)換以及在具體領(lǐng)域的應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入探索。部分研究將時(shí)間自動(dòng)機(jī)與其他形式化方法相結(jié)合，如將時(shí)間自動(dòng)機(jī)與Petri網(wǎng)相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提升對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模與驗(yàn)證的能力；在模型轉(zhuǎn)換方面，研究如何從UML模型等其他建模方式轉(zhuǎn)換為時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型，拓寬了時(shí)間自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，提高了建模的效率和準(zhǔn)確性。在ZC子系統(tǒng)相關(guān)研究方面，國外在CBTC系統(tǒng)的整體架構(gòu)和關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計(jì)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)ZC子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。一些國際知名的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商，如西門子、阿爾斯通等，在其研發(fā)的CBTC系統(tǒng)中，對(duì)ZC子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了大量實(shí)踐，通過實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施，不斷完善ZC子系統(tǒng)的功能和性能，在列車移動(dòng)授權(quán)計(jì)算的準(zhǔn)確性、與其他子系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性等方面取得了較好的成果。國內(nèi)對(duì)于ZC子系統(tǒng)的研究緊密結(jié)合城市軌道交通的快速發(fā)展需求，在國產(chǎn)化ZC子系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用方面取得了重要突破。以交控科技等為代表的國內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)，在ZC子系統(tǒng)的自主研發(fā)過程中，深入研究其功能特性、結(jié)構(gòu)特性和實(shí)時(shí)性特性，攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。通過對(duì)硬件冗余結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件算法的改進(jìn)，提高了ZC子系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，使其能夠滿足國內(nèi)城市軌道交通日益增長(zhǎng)的運(yùn)營需求，并且在成本控制和本地化服務(wù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，目前國內(nèi)外對(duì)于基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證的綜合研究仍存在一定的不足。雖然時(shí)間自動(dòng)機(jī)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但將其具體應(yīng)用于ZC子系統(tǒng)時(shí)，如何更加準(zhǔn)確地刻畫ZC子系統(tǒng)復(fù)雜的功能邏輯和嚴(yán)格的時(shí)間約束，以及如何高效地利用時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型檢測(cè)技術(shù)對(duì)大規(guī)模的ZC子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，仍然是需要進(jìn)一步深入研究的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，如何將基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的建模與驗(yàn)證方法與現(xiàn)有的ZC子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)流程有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從理論研究到工程實(shí)踐的有效轉(zhuǎn)化，也是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題之一。1.4研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排本文主要圍繞基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證展開研究，旨在運(yùn)用時(shí)間自動(dòng)機(jī)這一形式化建模方法，對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，并通過模型檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證其安全性和可靠性，具體研究?jī)?nèi)容如下：ZC子系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)與形式化方法分析：深入剖析ZC子系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)設(shè)備層和功能邏輯層，明確各層的組成和功能，以及它們之間的相互關(guān)系。同時(shí)，對(duì)適用于ZC子系統(tǒng)的形式化方法進(jìn)行全面分析，采用線性時(shí)態(tài)邏輯（LTL）對(duì)ZC子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確描述，為后續(xù)的建模與驗(yàn)證工作奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的清晰梳理和邏輯關(guān)系的精確表達(dá)，為建立高效、準(zhǔn)確的時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型提供有力支持?；跁r(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模：詳細(xì)闡述基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模方法，包括建模的思想和基本理論。構(gòu)建ZC子系統(tǒng)功能層的基本模型，明確系統(tǒng)的狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及時(shí)間約束等關(guān)鍵要素。研究UML順序圖到時(shí)間自動(dòng)機(jī)（TA）模型的轉(zhuǎn)化方法，制定分層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型轉(zhuǎn)化規(guī)則，通過實(shí)例展示模型轉(zhuǎn)換過程，確保模型的準(zhǔn)確性和完整性。通過建立精確的時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型，能夠清晰地描述ZC子系統(tǒng)的復(fù)雜行為和時(shí)間特性，為系統(tǒng)的驗(yàn)證提供可靠的模型基礎(chǔ)?；跁r(shí)間自動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)驗(yàn)證方法：對(duì)形式化驗(yàn)證方法進(jìn)行全面概述，重點(diǎn)介紹時(shí)間自動(dòng)機(jī)驗(yàn)證工具UPPAAL。分析使用UPPAAL對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的方法，制定LTL公式到BNF公式的等價(jià)轉(zhuǎn)化規(guī)則，確保驗(yàn)證過程的準(zhǔn)確性和有效性。通過UPPAAL工具對(duì)建立的時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行全面驗(yàn)證，能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中潛在的安全隱患和邏輯錯(cuò)誤，為系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。案例分析：選取MA回撤和列車跨越ZC邊界區(qū)域等典型實(shí)例，運(yùn)用前面建立的模型和驗(yàn)證方法進(jìn)行深入分析。詳細(xì)展示在這些實(shí)際場(chǎng)景下，ZC子系統(tǒng)的工作過程和性能表現(xiàn)，驗(yàn)證模型的有效性和實(shí)用性。通過對(duì)實(shí)際案例的分析，能夠進(jìn)一步驗(yàn)證基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的建模與驗(yàn)證方法在解決實(shí)際問題中的可行性和優(yōu)越性，為ZC子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供有力的支持和指導(dǎo)。本文各章節(jié)緊密圍繞基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證這一核心內(nèi)容展開，各章節(jié)之間邏輯關(guān)系緊密，層層遞進(jìn)。第一章引言介紹研究背景、意義、現(xiàn)狀等，引出研究主題；第二章分析ZC子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和形式化方法，為后續(xù)建模做準(zhǔn)備；第三章基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，是研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；第四章闡述驗(yàn)證方法，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證；第五章通過案例分析，驗(yàn)證模型和方法的有效性。各章節(jié)相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成一個(gè)完整的研究體系，旨在解決ZC子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證的關(guān)鍵問題，提高城市軌道交通系統(tǒng)的安全性和可靠性。二、ZC子系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)與形式化方法分析2.1ZC子系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)2.1.1系統(tǒng)設(shè)備層ZC子系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)備層主要由硬件設(shè)備構(gòu)成，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，對(duì)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起著關(guān)鍵作用。該層主要包含ZC主機(jī)處理單元（PU）、通信控制器（CC）、容錯(cuò)和安全管理單元（FTSM）以及ZC維護(hù)機(jī)（MU）等核心設(shè)備。ZC主機(jī)處理單元是系統(tǒng)設(shè)備層的核心組件之一，承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算的重要職責(zé)。它基于高性能的處理器，具備強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。在實(shí)際運(yùn)行中，PU需要實(shí)時(shí)接收來自車載設(shè)備發(fā)送的列車位置信息、速度信息、運(yùn)行狀態(tài)信息，以及聯(lián)鎖系統(tǒng)提供的進(jìn)路信息、軌道占用/空閑信息等。例如，當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，車載設(shè)備會(huì)不斷地將列車的實(shí)時(shí)位置和速度等信息通過無線通信鏈路發(fā)送給ZC主機(jī)處理單元，同時(shí)聯(lián)鎖系統(tǒng)也會(huì)將相關(guān)的進(jìn)路和軌道占用情況信息傳輸過來。PU對(duì)這些信息進(jìn)行綜合分析和復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，為后續(xù)的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通信控制器在系統(tǒng)設(shè)備層中扮演著數(shù)據(jù)傳輸樞紐的角色，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。它支持多種通信協(xié)議，能夠與車載設(shè)備、聯(lián)鎖系統(tǒng)、相鄰ZC子系統(tǒng)以及其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交互。以與車載設(shè)備的通信為例，通信控制器通過無線通信技術(shù)，按照特定的通信協(xié)議，如IEEE802.11系列協(xié)議在城市軌道交通車地通信中的應(yīng)用，與車載設(shè)備建立穩(wěn)定的通信鏈路，確保列車位置信息、移動(dòng)授權(quán)信息等數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在與聯(lián)鎖系統(tǒng)通信時(shí)，通信控制器則采用符合軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，如西門子的S7通信協(xié)議在聯(lián)鎖與ZC通信中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路信息、軌道狀態(tài)信息等的準(zhǔn)確交互，保障系統(tǒng)各部分之間的協(xié)同工作。容錯(cuò)和安全管理單元是保障系統(tǒng)安全性和可靠性的關(guān)鍵設(shè)備。它采用先進(jìn)的容錯(cuò)技術(shù)和安全管理機(jī)制，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備故障。當(dāng)某個(gè)硬件設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，F(xiàn)TSM能夠迅速進(jìn)行故障診斷和定位，通過冗余備份機(jī)制，如采用備用設(shè)備或切換到其他正常工作的設(shè)備，確保系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，防止因單點(diǎn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，從而保證列車運(yùn)行的安全性。例如，當(dāng)ZC主機(jī)處理單元中的某個(gè)處理器模塊出現(xiàn)故障時(shí)，F(xiàn)TSM能夠立即檢測(cè)到故障，并將相關(guān)任務(wù)切換到備用處理器模塊上，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。ZC維護(hù)機(jī)主要用于系統(tǒng)的日常維護(hù)和管理工作。維護(hù)人員可以通過MU對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，查看設(shè)備的運(yùn)行日志，獲取系統(tǒng)的各種參數(shù)信息。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，MU能夠提供詳細(xì)的故障診斷信息，幫助維護(hù)人員快速定位和解決問題。MU還支持對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行升級(jí)和更新，確保系統(tǒng)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)維護(hù)過程中，維護(hù)人員可以通過MU查看過去一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的所有操作記錄和設(shè)備狀態(tài)變化情況，以便對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行全面分析和評(píng)估。2.1.2功能邏輯層功能邏輯層是ZC子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其核心功能的關(guān)鍵層面，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)列車管理、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算等重要功能，通過復(fù)雜的邏輯機(jī)制確保列車的安全、高效運(yùn)行。列車管理功能在功能邏輯層中占據(jù)重要地位。當(dāng)列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域時(shí)，首先進(jìn)行列車注冊(cè)流程。車載ATP向ZC發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，ZC接收到請(qǐng)求后，會(huì)將列車的ID和相關(guān)信息與自身列車管理隊(duì)列中的信息進(jìn)行比對(duì)。若隊(duì)列中無該列車信息，則標(biāo)記為預(yù)登陸列車；若信息匹配，則完成注冊(cè)流程，將列車納入管理。在列車運(yùn)行過程中，ZC會(huì)實(shí)時(shí)跟蹤列車的位置、速度、運(yùn)行方向等狀態(tài)信息。當(dāng)列車即將離開該ZC控制區(qū)域，進(jìn)入下一區(qū)域或返回車輛段時(shí)，ZC執(zhí)行注銷操作，清空該列車的數(shù)據(jù)信息，解除對(duì)其管理。例如，當(dāng)列車A從車輛段出發(fā)，進(jìn)入ZC1控制區(qū)域時(shí)，車載ATP向ZC1發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，ZC1將列車A的信息與管理隊(duì)列比對(duì)，確認(rèn)無誤后完成注冊(cè)，此后持續(xù)跟蹤列車A的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)列車A即將離開ZC1控制區(qū)域進(jìn)入ZC2控制區(qū)域時(shí)，ZC1執(zhí)行注銷操作，而列車A進(jìn)入ZC2控制區(qū)域后，又會(huì)向ZC2發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，重復(fù)上述流程。移動(dòng)授權(quán)計(jì)算是功能邏輯層的核心功能之一，其計(jì)算過程涉及多方面信息的綜合處理。ZC會(huì)實(shí)時(shí)接收列車發(fā)送的位置信息，這些信息由車載速度傳感器、多普勒雷達(dá)結(jié)合絕對(duì)位置信標(biāo)（如應(yīng)答器）等設(shè)備獲取并處理后發(fā)送給ZC。同時(shí)，ZC從聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取進(jìn)路信息，了解前方軌道的占用/空閑情況以及道岔位置等。通過對(duì)這些信息的綜合分析和復(fù)雜計(jì)算，ZC為列車生成精確的移動(dòng)授權(quán)，明確列車可以安全行駛的范圍和速度限制。例如，當(dāng)列車B在ZC控制區(qū)域內(nèi)行駛時(shí)，若前方軌道有其他列車占用，且道岔處于特定位置，ZC會(huì)根據(jù)這些信息計(jì)算出列車B的移動(dòng)授權(quán)，限制其速度并確定安全的行駛范圍，確保列車B與前方列車保持安全距離，避免追尾等事故發(fā)生。2.2形式化方法分析形式化方法在計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程領(lǐng)域中，是一種基于數(shù)學(xué)和邏輯的技術(shù)，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的描述、建模和驗(yàn)證。它通過使用嚴(yán)格定義的符號(hào)和規(guī)則，將系統(tǒng)的行為、屬性和約束轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，從而能夠進(jìn)行深入的分析和推理，以確保系統(tǒng)的正確性和可靠性。在對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行建模與驗(yàn)證時(shí)，有多種形式化方法可供選擇，每種方法都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。Petri網(wǎng)是一種圖形化和數(shù)學(xué)化相結(jié)合的建模工具，它通過庫所（Place）、變遷（Transition）、?。ˋrc）和令牌（Token）等元素來描述系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在描述并發(fā)系統(tǒng)時(shí)，Petri網(wǎng)具有天然的優(yōu)勢(shì)，它能夠清晰地展示系統(tǒng)中各個(gè)并發(fā)活動(dòng)之間的同步、異步和沖突關(guān)系。例如，在描述多列車同時(shí)在不同軌道上運(yùn)行，且存在交匯、避讓等情況時(shí)，Petri網(wǎng)可以通過不同庫所中令牌的流動(dòng)，直觀地表示列車的位置變化和相互之間的制約關(guān)系。然而，Petri網(wǎng)在表達(dá)時(shí)間約束方面相對(duì)較弱，雖然有時(shí)間Petri網(wǎng)等擴(kuò)展形式，但對(duì)于ZC子系統(tǒng)中嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，其時(shí)間表達(dá)能力和分析能力略顯不足。在處理ZC子系統(tǒng)中列車移動(dòng)授權(quán)計(jì)算的時(shí)間限制，以及信息傳輸?shù)难舆t時(shí)間等關(guān)鍵時(shí)間因素時(shí)，Petri網(wǎng)難以精確地進(jìn)行建模和分析。狀態(tài)機(jī)是一種基于狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的建模方法，它將系統(tǒng)的行為表示為一系列的狀態(tài)，以及在不同事件觸發(fā)下狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。狀態(tài)機(jī)模型簡(jiǎn)單直觀，易于理解和構(gòu)建，能夠清晰地描述系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)和狀態(tài)變化的條件。例如，對(duì)于ZC子系統(tǒng)中的列車注冊(cè)、注銷等簡(jiǎn)單狀態(tài)變化過程，狀態(tài)機(jī)可以很方便地進(jìn)行建模，明確地展示從列車請(qǐng)求注冊(cè)到完成注冊(cè)，以及從列車即將離開到完成注銷的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。但狀態(tài)機(jī)在處理復(fù)雜系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和大規(guī)模系統(tǒng)時(shí)存在局限性，隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大和功能的復(fù)雜化，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)數(shù)量和轉(zhuǎn)移關(guān)系會(huì)迅速增多，導(dǎo)致模型變得龐大且難以管理和維護(hù)。在描述ZC子系統(tǒng)整體復(fù)雜的功能邏輯和層次結(jié)構(gòu)時(shí)，狀態(tài)機(jī)難以全面、準(zhǔn)確地表達(dá)系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系和交互。時(shí)間自動(dòng)機(jī)是在有限自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，引入了時(shí)鐘變量和時(shí)鐘約束，能夠精確地描述系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的行為和特性。對(duì)于ZC子系統(tǒng)這種具有嚴(yán)格實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)，時(shí)間自動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以準(zhǔn)確地描述ZC子系統(tǒng)中列車移動(dòng)授權(quán)的生成時(shí)間、信息傳輸?shù)臅r(shí)間延遲、系統(tǒng)各部分之間交互的時(shí)間順序等關(guān)鍵時(shí)間因素。在描述列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域后，ZC子系統(tǒng)接收列車位置信息、計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并發(fā)送給列車的整個(gè)過程中，時(shí)間自動(dòng)機(jī)可以通過時(shí)鐘變量和約束條件，精確地表示每個(gè)步驟的時(shí)間限制和時(shí)間依賴關(guān)系，從而更好地驗(yàn)證系統(tǒng)在時(shí)間維度上的正確性和可靠性。同時(shí)，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的模型檢測(cè)技術(shù)可以自動(dòng)地對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行全面的驗(yàn)證，通過窮舉系統(tǒng)的狀態(tài)空間，檢查模型是否滿足預(yù)設(shè)的安全性質(zhì)和功能需求，能夠發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)試方法難以檢測(cè)到的潛在安全隱患和邏輯錯(cuò)誤。綜上所述，考慮到ZC子系統(tǒng)的功能特性、結(jié)構(gòu)特性和實(shí)時(shí)性特性，時(shí)間自動(dòng)機(jī)在對(duì)其進(jìn)行建模與驗(yàn)證方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它能夠充分滿足ZC子系統(tǒng)對(duì)時(shí)間約束精確表達(dá)和分析的需求，為保障ZC子系統(tǒng)的安全性和可靠性提供有力的支持，因此選擇時(shí)間自動(dòng)機(jī)作為ZC子系統(tǒng)的建模與驗(yàn)證方法是較為合適的。2.3ZC子系統(tǒng)邏輯關(guān)系的LTL描述2.3.1LTL概述線性時(shí)態(tài)邏輯（LinearTemporalLogic，簡(jiǎn)稱LTL）是一種能夠表達(dá)時(shí)間概念的特殊時(shí)態(tài)邏輯，在系統(tǒng)的形式化驗(yàn)證中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其適用于描述和分析系統(tǒng)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)行為。它將時(shí)間軸視為一個(gè)線性的狀態(tài)序列，可無限延伸到未來，這一特性使得LTL非常適合用于精確表示模型的動(dòng)態(tài)語義。從語法角度來看，LTL公式基于原子命題和一系列時(shí)態(tài)連接詞構(gòu)建而成。原子命題通常用p,q,r等符號(hào)表示，代表系統(tǒng)中可能成立的基本事實(shí)，例如在ZC子系統(tǒng)中，“列車已注冊(cè)”“移動(dòng)授權(quán)已生成”等都可以作為原子命題。時(shí)態(tài)連接詞則賦予了LTL強(qiáng)大的表達(dá)能力，用于描述系統(tǒng)在不同時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)變化和邏輯關(guān)系。常見的一元時(shí)態(tài)連接詞包括：“X”（下一個(gè)狀態(tài)）：表示在路徑中的下一個(gè)狀態(tài)，原子命題p成立，即Xp表示路徑中第二個(gè)原子命題是p。在描述ZC子系統(tǒng)中，若p表示“ZC接收到列車位置信息”，那么Xp就意味著在下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，ZC接收到了列車位置信息?！癋”（某未來狀態(tài)）：表示在未來的某個(gè)狀態(tài)，原子命題p將會(huì)成立，即Fp表示路徑中存在某一個(gè)原子命題是p。例如，在ZC子系統(tǒng)中，若p表示“列車獲得移動(dòng)授權(quán)”，那么Fp表示列車在未來的某個(gè)時(shí)刻會(huì)獲得移動(dòng)授權(quán)。“G”（所有未來狀態(tài)）：表示在所有未來的狀態(tài)，原子命題p都成立，即Gp表示路徑中每一個(gè)原子命題都是p。比如，在ZC子系統(tǒng)中，若p表示“ZC持續(xù)監(jiān)測(cè)列車狀態(tài)”，那么Gp就表明在未來的任何時(shí)刻，ZC都在持續(xù)監(jiān)測(cè)列車狀態(tài)。二元時(shí)態(tài)連接詞有：“U”（直到）：pUq表示對(duì)于路徑s_0\tos_1\to\cdots，假設(shè)原子命題p在且只在s_3,s_4,s_5,s_6,s_7,s_8狀態(tài)點(diǎn)滿足，原子命題q只在s_9狀態(tài)點(diǎn)滿足。則如果i的值為0,1,2，\pi^i\nvDashpUq（因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候的開始點(diǎn)沒有p）；如果i的值為3,4,5,6,7,8,9，則\pi^i\vDashpUq。在ZC子系統(tǒng)中，若p表示“列車處于行駛狀態(tài)”，q表示“列車到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)”，那么pUq表示列車在到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)之前一直處于行駛狀態(tài)?！癛”（釋放）：q必須保持為真，直到p為真的時(shí)刻；或者如果p為真的時(shí)刻不存在，則q一直為真，R是U的對(duì)偶，即\phiR\psi等價(jià)于\neg(\neg\phiU\neg\psi)。例如，在ZC子系統(tǒng)中，若p表示“故障修復(fù)”，q表示“系統(tǒng)維持安全模式運(yùn)行”，那么pRq表示系統(tǒng)維持安全模式運(yùn)行，直到故障修復(fù)；如果故障一直未修復(fù)，系統(tǒng)會(huì)一直維持安全模式運(yùn)行。從語義角度而言，LTL公式的解釋依賴于計(jì)算路徑，即模型里的狀態(tài)序列。由于未來存在不確定性，模型中存在無數(shù)條路徑，代表著未來不同的可能性，而任何一條路徑都有可能成為實(shí)際發(fā)生的路徑。一個(gè)LTL公式在某條路徑上的真假，取決于該路徑上各個(gè)狀態(tài)下原子命題的取值以及時(shí)態(tài)連接詞的語義規(guī)則。在一條路徑上，如果公式pUq成立，那么從當(dāng)前狀態(tài)開始，p會(huì)一直成立，直到某個(gè)未來狀態(tài)q成立；如果在這條路徑上始終沒有狀態(tài)使q成立，那么p必須在整個(gè)路徑上一直成立，否則pUq不成立。2.3.2針對(duì)ZC子系統(tǒng)約束關(guān)系的LTL公式描述在ZC子系統(tǒng)中，存在諸多關(guān)鍵的約束關(guān)系，這些關(guān)系對(duì)于保障列車的安全、高效運(yùn)行至關(guān)重要，通過LTL公式可以對(duì)其進(jìn)行精確的描述和分析。列車注冊(cè)約束：當(dāng)列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域時(shí)，首先需要進(jìn)行注冊(cè)操作，這一過程存在嚴(yán)格的邏輯順序和條件約束?？梢杂肔TL公式描述為：G(enter\_ZC\toF(register\_success))。其中，enter\_ZC表示列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域這一事件，register\_success表示列車注冊(cè)成功。該公式的含義是，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的所有未來狀態(tài)，只要列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域，那么在未來的某個(gè)狀態(tài)，列車必然會(huì)注冊(cè)成功。這確保了列車進(jìn)入?yún)^(qū)域后能夠正常完成注冊(cè)流程，為后續(xù)的運(yùn)行管理奠定基礎(chǔ)。移動(dòng)授權(quán)生成約束：移動(dòng)授權(quán)的生成是ZC子系統(tǒng)的核心功能之一，其生成過程依賴于列車位置信息、聯(lián)鎖進(jìn)路信息等多方面因素?？梢杂霉奖硎緸椋篏(receive\_position\landreceive\_route\toF(generate\_MA))。這里，receive\_position表示ZC接收到列車位置信息，receive\_route表示ZC接收到聯(lián)鎖進(jìn)路信息，generate\_MA表示生成移動(dòng)授權(quán)。此公式表明，在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻，一旦ZC同時(shí)接收到列車位置信息和聯(lián)鎖進(jìn)路信息，那么在未來的某個(gè)時(shí)刻，必然會(huì)生成移動(dòng)授權(quán)，保證了移動(dòng)授權(quán)生成的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，以滿足列車運(yùn)行的安全需求。列車注銷約束：當(dāng)列車即將離開ZC控制區(qū)域時(shí)，需要進(jìn)行注銷操作，以確保系統(tǒng)對(duì)列車的管理準(zhǔn)確無誤。用LTL公式描述為：G(leave\_ZC\toF(logout\_success))，其中，leave\_ZC表示列車離開ZC控制區(qū)域，logout\_success表示列車注銷成功。該公式意味著，在所有未來狀態(tài)下，只要列車離開ZC控制區(qū)域，那么在未來的某個(gè)狀態(tài)，列車一定會(huì)注銷成功，實(shí)現(xiàn)了列車管理的完整性和有序性。2.4本章小結(jié)本章深入剖析了ZC子系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)與形式化方法，為后續(xù)基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的建模與驗(yàn)證工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在ZC子系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)方面，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)備層和功能邏輯層。系統(tǒng)設(shè)備層的硬件設(shè)備是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的物理支撐，其中ZC主機(jī)處理單元承擔(dān)數(shù)據(jù)處理重任，通信控制器實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸，容錯(cuò)和安全管理單元保障系統(tǒng)可靠性，ZC維護(hù)機(jī)便于系統(tǒng)維護(hù)管理。功能邏輯層則是實(shí)現(xiàn)ZC子系統(tǒng)核心功能的關(guān)鍵，列車管理功能涵蓋列車注冊(cè)、運(yùn)行狀態(tài)跟蹤和注銷等流程，確保列車在控制區(qū)域內(nèi)有序運(yùn)行；移動(dòng)授權(quán)計(jì)算功能通過綜合分析列車位置、聯(lián)鎖進(jìn)路等多方面信息，為列車生成精確的移動(dòng)授權(quán)，保障列車運(yùn)行安全。在形式化方法分析中，對(duì)比了Petri網(wǎng)、狀態(tài)機(jī)和時(shí)間自動(dòng)機(jī)等形式化方法在描述ZC子系統(tǒng)時(shí)的特點(diǎn)。Petri網(wǎng)在描述并發(fā)系統(tǒng)方面有優(yōu)勢(shì)，但表達(dá)時(shí)間約束能力不足；狀態(tài)機(jī)模型簡(jiǎn)單直觀，卻難以處理復(fù)雜系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和大規(guī)模系統(tǒng)；時(shí)間自動(dòng)機(jī)引入時(shí)鐘變量和約束，能精確描述ZC子系統(tǒng)的時(shí)間相關(guān)行為和特性，基于此的模型檢測(cè)技術(shù)還能全面驗(yàn)證系統(tǒng)，更適合ZC子系統(tǒng)的建模與驗(yàn)證。為了精確描述ZC子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，引入了線性時(shí)態(tài)邏輯（LTL）。介紹了LTL的語法和語義，包括原子命題及時(shí)態(tài)連接詞的含義和用法。針對(duì)ZC子系統(tǒng)的列車注冊(cè)、移動(dòng)授權(quán)生成和列車注銷等關(guān)鍵約束關(guān)系，用LTL公式進(jìn)行了準(zhǔn)確描述，為后續(xù)系統(tǒng)行為的分析和驗(yàn)證提供了有力的邏輯工具。三、基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模3.1ZC子系統(tǒng)建模方法3.1.1建模的方法思想基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模，旨在將ZC子系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)行過程和功能特性通過形式化的方式進(jìn)行精確描述。其核心思想是將ZC子系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)抽象為時(shí)間自動(dòng)機(jī)中的狀態(tài)，把狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換抽象為時(shí)間自動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)移，并利用時(shí)鐘變量來刻畫系統(tǒng)中各種事件發(fā)生的時(shí)間約束。在列車注冊(cè)環(huán)節(jié)，當(dāng)列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域時(shí)，車載ATP向ZC發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，這一事件可觸發(fā)時(shí)間自動(dòng)機(jī)從初始狀態(tài)（如“等待注冊(cè)”狀態(tài)）轉(zhuǎn)移到“處理注冊(cè)請(qǐng)求”狀態(tài)。在這個(gè)過程中，可以設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘變量t_{register}，用于記錄從接收到注冊(cè)請(qǐng)求到完成注冊(cè)處理的時(shí)間。規(guī)定在一定時(shí)間閾值內(nèi)（如t_{register}\leq5s）完成注冊(cè)處理，若超過該時(shí)間閾值仍未完成，則可能提示注冊(cè)異常，進(jìn)入相應(yīng)的異常處理狀態(tài)。對(duì)于移動(dòng)授權(quán)計(jì)算功能，當(dāng)ZC接收到列車位置信息和聯(lián)鎖進(jìn)路信息后，進(jìn)入“計(jì)算移動(dòng)授權(quán)”狀態(tài)。此時(shí)引入時(shí)鐘變量t_{MA}，用于控制計(jì)算過程的時(shí)間。假設(shè)規(guī)定在t_{MA}\in[3s,5s]時(shí)間范圍內(nèi)完成移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算，以確保列車能夠及時(shí)獲得準(zhǔn)確的移動(dòng)授權(quán)，保障列車運(yùn)行的安全性和高效性。通過這種方式，將ZC子系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊和工作流程轉(zhuǎn)化為時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型，能夠清晰地展現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)變化、事件觸發(fā)條件以及時(shí)間約束關(guān)系，為后續(xù)的系統(tǒng)分析和驗(yàn)證提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有效提高對(duì)ZC子系統(tǒng)的理解和掌控能力，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。3.1.2建模的基本理論時(shí)間自動(dòng)機(jī)（TimedAutomaton，TA）是一種用于描述實(shí)時(shí)系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型，在基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模中，其基本理論起著關(guān)鍵作用。時(shí)間自動(dòng)機(jī)是在有限自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來，它引入了時(shí)鐘變量來表示時(shí)間，從而能夠精確地描述系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的行為和特性。具體定義如下：一個(gè)時(shí)間自動(dòng)機(jī)A是一個(gè)六元組A=(L,l_0,C,E,I,\varphi)，其中：L是一個(gè)有限的位置（狀態(tài)）集合，在ZC子系統(tǒng)建模中，這些位置可以表示ZC子系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，如“列車注冊(cè)中”“移動(dòng)授權(quán)計(jì)算中”“列車注銷中”等狀態(tài)。l_0\inL是初始位置，即系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)所處的狀態(tài)，例如在ZC子系統(tǒng)中，初始狀態(tài)可以是“等待列車注冊(cè)”狀態(tài)。C是一個(gè)有限的時(shí)鐘集合，每個(gè)時(shí)鐘x\inC是一個(gè)取值范圍為非負(fù)實(shí)數(shù)的變量，用于記錄時(shí)間。在移動(dòng)授權(quán)計(jì)算過程中，可以設(shè)置時(shí)鐘x_{MA}，用于記錄從開始計(jì)算移動(dòng)授權(quán)到完成計(jì)算的時(shí)間。E\subseteqL\times\varphi(C)\times\Gamma\times2^C\timesL是邊（轉(zhuǎn)移）的集合，其中\(zhòng)varphi(C)是時(shí)鐘約束的集合，\Gamma是動(dòng)作集合，2^C表示時(shí)鐘集合C的冪集。每一條邊表示從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移需要滿足相應(yīng)的時(shí)鐘約束和觸發(fā)動(dòng)作。當(dāng)列車位置信息更新且滿足特定時(shí)鐘約束（如x_{update}\geq1s，表示距離上次更新至少1秒）時(shí)，ZC子系統(tǒng)從“等待位置更新”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“處理位置更新”狀態(tài)，并可能觸發(fā)更新列車位置信息的動(dòng)作。I:L\to\varphi(C)是一個(gè)映射，為每個(gè)位置分配一個(gè)不變式，即位置不變性約束。它規(guī)定了在某個(gè)狀態(tài)下時(shí)鐘變量的取值范圍，確保系統(tǒng)在該狀態(tài)下的時(shí)間特性。在“列車注冊(cè)中”狀態(tài)，可以設(shè)置不變式I(?3¨?????-):x_{register}\leq10s，表示列車注冊(cè)過程不能超過10秒。\varphi(C)是時(shí)鐘約束集合，由原子時(shí)鐘約束通過邏輯運(yùn)算符（與、或、非）組合而成。原子時(shí)鐘約束形如x\simn或x-y\simn，其中x,y\inC是時(shí)鐘變量，\sim\in\{<,\leq,=,\geq,>\}是比較運(yùn)算符，n是一個(gè)非負(fù)整數(shù)。例如，時(shí)鐘約束x\leq5\landy\geq2表示時(shí)鐘x的值小于等于5且時(shí)鐘y的值大于等于2。時(shí)間自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)由當(dāng)前位置和所有時(shí)鐘的當(dāng)前值組成，狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括延時(shí)轉(zhuǎn)換和動(dòng)作轉(zhuǎn)換兩種類型。延時(shí)轉(zhuǎn)換表示時(shí)間的流逝，時(shí)鐘值同步增加；動(dòng)作轉(zhuǎn)換則在滿足特定時(shí)鐘約束和觸發(fā)動(dòng)作時(shí)發(fā)生，可能伴隨著時(shí)鐘的重置或其他操作。在ZC子系統(tǒng)中，當(dāng)列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域，車載ATP發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求這一動(dòng)作觸發(fā)動(dòng)作轉(zhuǎn)換，同時(shí)可能重置相關(guān)時(shí)鐘，開始記錄注冊(cè)處理時(shí)間。通過以上時(shí)間自動(dòng)機(jī)的定義、語法和語義，以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移和時(shí)鐘約束等理論，能夠?yàn)閆C子系統(tǒng)建立精確的形式化模型，準(zhǔn)確描述其復(fù)雜的功能和行為，為后續(xù)的驗(yàn)證工作提供可靠的基礎(chǔ)。3.1.3ZC子系統(tǒng)功能層基本模型在ZC子系統(tǒng)的功能層，列車注冊(cè)、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、列車注銷等功能是保障列車安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)建立這些功能的基本模型，能夠清晰地描述其工作流程和時(shí)間約束。列車注冊(cè)模型：列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域后，車載ATP向ZC發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，觸發(fā)時(shí)間自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。定義時(shí)間自動(dòng)機(jī)A_{register}=(L_{register},l_{0register},C_{register},E_{register},I_{register},\varphi_{register})，其中：L_{register}=\{l_{wait},l_{processing},l_{success},l_{fail}\}，分別表示等待注冊(cè)、處理注冊(cè)、注冊(cè)成功、注冊(cè)失敗四個(gè)狀態(tài)。l_{0register}=l_{wait}，初始狀態(tài)為等待注冊(cè)。C_{register}=\{t_{register}\}，設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘變量t_{register}，用于記錄注冊(cè)處理時(shí)間。E_{register}包含以下轉(zhuǎn)移：從l_{wait}到l_{processing}的轉(zhuǎn)移：當(dāng)接收到注冊(cè)請(qǐng)求（觸發(fā)動(dòng)作），且滿足時(shí)鐘約束t_{register}=0（表示注冊(cè)開始，重置時(shí)鐘），即(l_{wait},t_{register}=0,receive\_register\_request,\{t_{register}\},l_{processing})。從l_{processing}到l_{success}的轉(zhuǎn)移：在處理注冊(cè)過程中，若驗(yàn)證列車信息無誤（觸發(fā)動(dòng)作），且滿足時(shí)鐘約束t_{register}\leq5s（規(guī)定注冊(cè)處理時(shí)間上限為5秒），即(l_{processing},t_{register}\leq5s,verify\_info\_success,\varnothing,l_{success})。從l_{processing}到l_{fail}的轉(zhuǎn)移：若驗(yàn)證列車信息失敗（觸發(fā)動(dòng)作），或者處理時(shí)間超過5秒（即t_{register}>5s），則轉(zhuǎn)移到注冊(cè)失敗狀態(tài)，即(l_{processing},t_{register}>5s\lorverify\_info\_fail,\varnothing,l_{fail})。I_{register}為每個(gè)狀態(tài)設(shè)置不變式：I_{register}(l_{wait}):true，等待注冊(cè)狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。I_{register}(l_{processing}):t_{register}\leq5s，確保注冊(cè)處理時(shí)間不超過5秒。I_{register}(l_{success}):true，注冊(cè)成功狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。I_{register}(l_{fail}):true，注冊(cè)失敗狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。移動(dòng)授權(quán)計(jì)算模型：ZC接收到列車位置信息和聯(lián)鎖進(jìn)路信息后，開始計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。定義時(shí)間自動(dòng)機(jī)A_{MA}=(L_{MA},l_{0MA},C_{MA},E_{MA},I_{MA},\varphi_{MA})，其中：L_{MA}=\{l_{wait\_info},l_{calculating},l_{generated}\}，分別表示等待信息、計(jì)算移動(dòng)授權(quán)、移動(dòng)授權(quán)生成三個(gè)狀態(tài)。l_{0MA}=l_{wait\_info}，初始狀態(tài)為等待信息。C_{MA}=\{t_{MA}\}，設(shè)置時(shí)鐘變量t_{MA}，用于記錄移動(dòng)授權(quán)計(jì)算時(shí)間。E_{MA}包含以下轉(zhuǎn)移：從l_{wait\_info}到l_{calculating}的轉(zhuǎn)移：當(dāng)同時(shí)接收到列車位置信息和聯(lián)鎖進(jìn)路信息（觸發(fā)動(dòng)作），且滿足時(shí)鐘約束t_{MA}=0（計(jì)算開始，重置時(shí)鐘），即(l_{wait\_info},t_{MA}=0,receive\_position\_and\_route,\{t_{MA}\},l_{calculating})。從l_{calculating}到l_{generated}的轉(zhuǎn)移：在計(jì)算過程中，若完成移動(dòng)授權(quán)計(jì)算（觸發(fā)動(dòng)作），且滿足時(shí)鐘約束t_{MA}\in[3s,5s]（規(guī)定計(jì)算時(shí)間在3到5秒之間），即(l_{calculating},t_{MA}\in[3s,5s],calculate\_MA\_success,\varnothing,l_{generated})。I_{MA}為每個(gè)狀態(tài)設(shè)置不變式：I_{MA}(l_{wait\_info}):true，等待信息狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。I_{MA}(l_{calculating}):t_{MA}\in[0s,5s]，確保計(jì)算時(shí)間不超過5秒。I_{MA}(l_{generated}):true，移動(dòng)授權(quán)生成狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。列車注銷模型：列車即將離開ZC控制區(qū)域時(shí)，進(jìn)行列車注銷操作。定義時(shí)間自動(dòng)機(jī)A_{logout}=(L_{logout},l_{0logout},C_{logout},E_{logout},I_{logout},\varphi_{logout})，其中：L_{logout}=\{l_{wait\_leave},l_{processing},l_{success},l_{fail}\}，分別表示等待離開、處理注銷、注銷成功、注銷失敗四個(gè)狀態(tài)。l_{0logout}=l_{wait\_leave}，初始狀態(tài)為等待離開。C_{logout}=\{t_{logout}\}，設(shè)置時(shí)鐘變量t_{logout}，用于記錄注銷處理時(shí)間。E_{logout}包含以下轉(zhuǎn)移：從l_{wait\_leave}到l_{processing}的轉(zhuǎn)移：當(dāng)接收到列車離開請(qǐng)求（觸發(fā)動(dòng)作），且滿足時(shí)鐘約束t_{logout}=0（注銷開始，重置時(shí)鐘），即(l_{wait\_leave},t_{logout}=0,receive\_leave\_request,\{t_{logout}\},l_{processing})。從l_{processing}到l_{success}的轉(zhuǎn)移：在處理注銷過程中，若完成注銷操作（觸發(fā)動(dòng)作），且滿足時(shí)鐘約束t_{logout}\leq3s（規(guī)定注銷處理時(shí)間上限為3秒），即(l_{processing},t_{logout}\leq3s,logout\_success,\varnothing,l_{success})。從l_{processing}到l_{fail}的轉(zhuǎn)移：若注銷操作失?。ㄓ|發(fā)動(dòng)作），或者處理時(shí)間超過3秒（即t_{logout}>3s），則轉(zhuǎn)移到注銷失敗狀態(tài)，即(l_{processing},t_{logout}>3s\lorlogout\_fail,\varnothing,l_{fail})。I_{logout}為每個(gè)狀態(tài)設(shè)置不變式：I_{logout}(l_{wait\_leave}):true，等待離開狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。I_{logout}(l_{processing}):t_{logout}\leq3s，確保注銷處理時(shí)間不超過3秒。I_{logout}(l_{success}):true，注銷成功狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。I_{logout}(l_{fail}):true，注銷失敗狀態(tài)對(duì)時(shí)間無特殊限制。通過以上基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)建立的ZC子系統(tǒng)功能層基本模型，能夠準(zhǔn)確地描述列車注冊(cè)、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、列車注銷等功能的工作流程和時(shí)間約束，為進(jìn)一步分析和驗(yàn)證ZC子系統(tǒng)的正確性和可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2UML順序圖到TA模型的轉(zhuǎn)化3.2.1針對(duì)ZC子系統(tǒng)特性的UML元模型擴(kuò)展UML（UnifiedModelingLanguage）作為一種通用的建模語言，在軟件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用。然而，由于ZC子系統(tǒng)具有功能復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高、安全性關(guān)鍵等獨(dú)特特性，標(biāo)準(zhǔn)的UML元模型在描述ZC子系統(tǒng)時(shí)存在一定的局限性。為了更準(zhǔn)確、全面地刻畫ZC子系統(tǒng)的行為和特性，需要對(duì)UML元模型進(jìn)行有針對(duì)性的擴(kuò)展。在系統(tǒng)功能特性方面，ZC子系統(tǒng)的列車注冊(cè)、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、列車注銷等核心功能具有嚴(yán)格的邏輯順序和時(shí)間約束。標(biāo)準(zhǔn)UML元模型中缺乏對(duì)這些復(fù)雜功能邏輯和時(shí)間約束的直接支持，因此需要擴(kuò)展新的元素和關(guān)系來準(zhǔn)確描述?？梢詳U(kuò)展一種新的“時(shí)間約束關(guān)系”元素，用于明確表示不同功能模塊之間的時(shí)間先后順序和時(shí)間限制。在列車注冊(cè)功能中，從接收到注冊(cè)請(qǐng)求到完成注冊(cè)處理的時(shí)間限制，就可以通過這種擴(kuò)展的“時(shí)間約束關(guān)系”元素進(jìn)行清晰的表達(dá)，確保系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成注冊(cè)操作，保障列車運(yùn)行的連續(xù)性和安全性。在實(shí)時(shí)性特性方面，ZC子系統(tǒng)對(duì)信息處理的及時(shí)性要求極高，任何延遲都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。為了更好地體現(xiàn)這一特性，在UML元模型中擴(kuò)展“實(shí)時(shí)事件”元素，用于表示系統(tǒng)中具有嚴(yán)格時(shí)間要求的事件。當(dāng)ZC子系統(tǒng)接收到列車位置信息更新時(shí)，這一事件可被定義為“實(shí)時(shí)事件”，并通過擴(kuò)展的元素明確其時(shí)間約束，如必須在特定的時(shí)間間隔內(nèi)完成對(duì)該信息的處理和響應(yīng)，以保證移動(dòng)授權(quán)計(jì)算的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，確保列車運(yùn)行的安全。在安全性特性方面，由于ZC子系統(tǒng)直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全，其安全性至關(guān)重要。為此，擴(kuò)展“安全約束”元素，用于描述系統(tǒng)中的安全相關(guān)規(guī)則和條件。在移動(dòng)授權(quán)計(jì)算過程中，為確保列車之間的安全距離，可通過“安全約束”元素明確規(guī)定移動(dòng)授權(quán)的生成必須滿足一定的安全條件，如與前車的最小安全距離、速度限制等，防止因移動(dòng)授權(quán)錯(cuò)誤導(dǎo)致列車追尾等安全事故。通過上述針對(duì)ZC子系統(tǒng)特性的UML元模型擴(kuò)展，能夠有效提升UML模型對(duì)ZC子系統(tǒng)的描述能力，使其更準(zhǔn)確地反映ZC子系統(tǒng)的復(fù)雜行為和特性，為后續(xù)的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，增強(qiáng)系統(tǒng)開發(fā)的可靠性和安全性。3.2.2分層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型轉(zhuǎn)化規(guī)則制定制定從擴(kuò)展UML順序圖到時(shí)間自動(dòng)機(jī)（TA）模型的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換規(guī)則，是實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于確保模型轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和一致性。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換方面，擴(kuò)展UML順序圖中的對(duì)象生命線狀態(tài)可轉(zhuǎn)換為TA模型中的位置。當(dāng)列車處于“等待注冊(cè)”狀態(tài)時(shí)，在UML順序圖中通過對(duì)象生命線的特定標(biāo)識(shí)來表示，轉(zhuǎn)換到TA模型中，可對(duì)應(yīng)為“等待注冊(cè)”位置。同時(shí)，UML順序圖中的消息觸發(fā)事件可轉(zhuǎn)換為TA模型中的轉(zhuǎn)移觸發(fā)條件。當(dāng)接收到列車注冊(cè)請(qǐng)求消息時(shí)，這一事件在UML順序圖中是明確的消息傳遞，在TA模型中則成為從“等待注冊(cè)”位置轉(zhuǎn)移到“處理注冊(cè)”位置的觸發(fā)條件，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)和映射。對(duì)于時(shí)間約束，UML順序圖中通過擴(kuò)展元素表示的時(shí)間限制，可轉(zhuǎn)換為TA模型中的時(shí)鐘約束。若在UML順序圖中規(guī)定列車注冊(cè)處理時(shí)間不能超過5秒，這一時(shí)間約束在轉(zhuǎn)換到TA模型時(shí)，可設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘變量t_{register}，并添加時(shí)鐘約束t_{register}\leq5s，確保TA模型中時(shí)間特性的準(zhǔn)確表達(dá)，與UML順序圖中的時(shí)間要求保持一致。在動(dòng)作和行為方面，UML順序圖中的操作和動(dòng)作可轉(zhuǎn)換為TA模型中的動(dòng)作標(biāo)簽。在UML順序圖中列車注冊(cè)時(shí)的驗(yàn)證操作，在TA模型中可作為從“處理注冊(cè)”位置轉(zhuǎn)移到“注冊(cè)成功”或“注冊(cè)失敗”位置的動(dòng)作標(biāo)簽，清晰地表明狀態(tài)轉(zhuǎn)移所伴隨的具體操作和行為，使模型之間的行為邏輯具有連貫性和可追溯性。通過制定這些分層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型轉(zhuǎn)化規(guī)則，能夠?qū)U(kuò)展UML順序圖中所描述的ZC子系統(tǒng)的行為、時(shí)間約束和狀態(tài)變化等信息準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為TA模型，為基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模提供了有效的方法和途徑，保障了模型的準(zhǔn)確性和完整性，為后續(xù)的系統(tǒng)驗(yàn)證和分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2.3模型轉(zhuǎn)換實(shí)例以列車在ZC區(qū)域切換場(chǎng)景為例，詳細(xì)展示從擴(kuò)展UML順序圖到時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型的轉(zhuǎn)換過程和結(jié)果。在擴(kuò)展UML順序圖中，當(dāng)列車即將從當(dāng)前ZC區(qū)域進(jìn)入相鄰ZC區(qū)域時(shí)，首先列車向當(dāng)前ZC發(fā)送離開請(qǐng)求消息，當(dāng)前ZC接收到消息后，進(jìn)行一系列的處理操作，如記錄列車離開時(shí)間、更新列車管理信息等，并向相鄰ZC發(fā)送列車即將進(jìn)入的通知消息。相鄰ZC接收到通知消息后，開始準(zhǔn)備接收列車，如初始化列車相關(guān)數(shù)據(jù)、分配資源等。當(dāng)列車實(shí)際進(jìn)入相鄰ZC區(qū)域時(shí)，向相鄰ZC發(fā)送進(jìn)入確認(rèn)消息，相鄰ZC接收到確認(rèn)消息后，完成列車的注冊(cè)流程，將列車納入其管理范圍。將這一場(chǎng)景的擴(kuò)展UML順序圖轉(zhuǎn)換為時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型時(shí)，首先確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換。UML順序圖中列車的“準(zhǔn)備離開當(dāng)前ZC區(qū)域”狀態(tài)，在TA模型中對(duì)應(yīng)為“等待離開當(dāng)前ZC”位置；“向相鄰ZC發(fā)送通知消息”這一消息觸發(fā)事件，成為TA模型中從“等待離開當(dāng)前ZC”位置轉(zhuǎn)移到“通知相鄰ZC”位置的觸發(fā)條件；“列車進(jìn)入相鄰ZC區(qū)域”狀態(tài)在TA模型中對(duì)應(yīng)為“等待注冊(cè)于相鄰ZC”位置。對(duì)于時(shí)間約束，假設(shè)在UML順序圖中規(guī)定從列車發(fā)送離開請(qǐng)求到當(dāng)前ZC完成通知相鄰ZC的操作時(shí)間不能超過3秒，在TA模型中設(shè)置時(shí)鐘變量t_{leave}，并添加時(shí)鐘約束t_{leave}\leq3s。若規(guī)定從相鄰ZC接收到通知消息到完成列車注冊(cè)的時(shí)間不能超過5秒，則設(shè)置時(shí)鐘變量t_{register\_new}，并添加時(shí)鐘約束t_{register\_new}\leq5s。在動(dòng)作和行為方面，UML順序圖中當(dāng)前ZC記錄列車離開時(shí)間的操作，在TA模型中作為從“等待離開當(dāng)前ZC”位置轉(zhuǎn)移到“通知相鄰ZC”位置的動(dòng)作標(biāo)簽；相鄰ZC初始化列車相關(guān)數(shù)據(jù)的操作，作為從“等待接收列車”位置轉(zhuǎn)移到“處理列車注冊(cè)”位置的動(dòng)作標(biāo)簽。通過這一模型轉(zhuǎn)換實(shí)例，可以清晰地看到擴(kuò)展UML順序圖中的各種信息，包括狀態(tài)、消息、時(shí)間約束和操作等，如何按照制定的轉(zhuǎn)換規(guī)則準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車在ZC區(qū)域切換場(chǎng)景的形式化建模，為進(jìn)一步分析和驗(yàn)證這一場(chǎng)景下ZC子系統(tǒng)的行為和性能提供了有效的模型支持。3.3本章小結(jié)本章圍繞基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)建模展開，通過多種方法和步驟，構(gòu)建了能夠準(zhǔn)確描述ZC子系統(tǒng)行為和特性的模型。在建模方法方面，基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的思想，將ZC子系統(tǒng)的工作狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及時(shí)間約束等要素轉(zhuǎn)化為時(shí)間自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)、轉(zhuǎn)移和時(shí)鐘約束。運(yùn)用時(shí)間自動(dòng)機(jī)的基本理論，定義了用于描述ZC子系統(tǒng)功能的時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型，包括列車注冊(cè)、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、列車注銷等功能層基本模型，明確了各模型中狀態(tài)、時(shí)鐘變量、轉(zhuǎn)移條件和不變式的設(shè)置，為精確刻畫ZC子系統(tǒng)的工作流程奠定了基礎(chǔ)。在模型轉(zhuǎn)換方面，考慮到ZC子系統(tǒng)的獨(dú)特特性，對(duì)UML元模型進(jìn)行了針對(duì)性擴(kuò)展，使其能夠更好地描述ZC子系統(tǒng)的行為和時(shí)間約束。制定了從擴(kuò)展UML順序圖到時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換規(guī)則，涵蓋狀態(tài)轉(zhuǎn)換、時(shí)間約束和動(dòng)作行為等方面的轉(zhuǎn)換，確保了模型轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和一致性。通過列車在ZC區(qū)域切換的實(shí)例，詳細(xì)展示了模型轉(zhuǎn)換的過程和結(jié)果，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換規(guī)則的有效性。通過本章建立的基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)模型，具有清晰的結(jié)構(gòu)和明確的時(shí)間約束表達(dá)，能夠直觀地展示ZC子系統(tǒng)的工作邏輯和時(shí)間特性，為后續(xù)的系統(tǒng)驗(yàn)證提供了可靠的模型基礎(chǔ)。然而，模型也存在一些待改進(jìn)之處，例如在處理大規(guī)模ZC子系統(tǒng)場(chǎng)景時(shí)，模型的復(fù)雜度可能會(huì)增加，導(dǎo)致分析和驗(yàn)證的難度加大，后續(xù)研究可考慮如何進(jìn)一步優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，提高模型的可擴(kuò)展性和分析效率。在模型與實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)合方面，還需要進(jìn)一步深入研究，確保模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際ZC子系統(tǒng)的運(yùn)行情況。四、基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)驗(yàn)證方法4.1形式化驗(yàn)證方法概述形式化驗(yàn)證是確保系統(tǒng)正確性和可靠性的重要手段，在計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它通過使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)和邏輯方法，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行精確的分析和推理，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的功能和性能要求。常見的形式化驗(yàn)證方法主要包括模型檢測(cè)和定理證明。模型檢測(cè)是一種自動(dòng)化的驗(yàn)證技術(shù)，它基于有限狀態(tài)機(jī)模型，通過對(duì)系統(tǒng)的所有可能狀態(tài)進(jìn)行窮舉搜索，來驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足特定的性質(zhì)。在對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，將ZC子系統(tǒng)的行為用時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型表示，把需要驗(yàn)證的性質(zhì)用特定的邏輯公式（如線性時(shí)態(tài)邏輯LTL公式）描述。模型檢測(cè)工具會(huì)自動(dòng)遍歷時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型的所有狀態(tài)，檢查在這些狀態(tài)下邏輯公式是否成立。若對(duì)于所有可達(dá)狀態(tài)，邏輯公式都成立，則表明ZC子系統(tǒng)滿足該性質(zhì)；反之，則說明系統(tǒng)存在問題，模型檢測(cè)工具會(huì)給出導(dǎo)致不滿足性質(zhì)的反例路徑，幫助開發(fā)人員定位和解決問題。模型檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)化程度高，能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤，且在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能提供具體的反例，便于理解和修復(fù)問題。但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，狀態(tài)空間會(huì)迅速膨脹，可能出現(xiàn)狀態(tài)爆炸問題，導(dǎo)致驗(yàn)證時(shí)間過長(zhǎng)或無法完成驗(yàn)證。定理證明則是基于數(shù)學(xué)邏輯和推理規(guī)則，通過演繹推理來證明系統(tǒng)的性質(zhì)。在對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行定理證明時(shí)，首先需要建立一套關(guān)于ZC子系統(tǒng)的公理和推理規(guī)則，然后將系統(tǒng)的性質(zhì)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)定理，利用這些公理和推理規(guī)則進(jìn)行逐步推導(dǎo)和證明。定理證明能夠處理無限狀態(tài)空間的系統(tǒng)，對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)性質(zhì)和邏輯關(guān)系能夠進(jìn)行精確的證明。但定理證明需要人工參與，對(duì)驗(yàn)證人員的數(shù)學(xué)邏輯能力要求較高，證明過程復(fù)雜且耗時(shí)，而且難以自動(dòng)化，效率相對(duì)較低。綜合考慮ZC子系統(tǒng)的特點(diǎn)和驗(yàn)證需求，選擇模型檢測(cè)方法更為合適。ZC子系統(tǒng)雖然功能復(fù)雜，但可以通過合理的建模，將其狀態(tài)空間限制在可處理的范圍內(nèi)。模型檢測(cè)的自動(dòng)化特性能夠大大提高驗(yàn)證效率，快速發(fā)現(xiàn)潛在的錯(cuò)誤，并且提供的反例有助于及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。而定理證明的復(fù)雜性和低自動(dòng)化程度，在處理ZC子系統(tǒng)這樣規(guī)模較大且實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)面臨諸多困難，難以滿足實(shí)際工程的需求。因此，模型檢測(cè)方法在基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)驗(yàn)證中具有明顯的優(yōu)勢(shì)和更好的適用性。4.2時(shí)間自動(dòng)機(jī)驗(yàn)證工具UPPAAL4.2.1驗(yàn)證工具UPPAAL概述UPPAAL是一款由丹麥Aalborg大學(xué)和瑞典Uppsala大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的，專門用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模、仿真和驗(yàn)證的集成工具環(huán)境。它基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論，為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證提供了強(qiáng)大的支持，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都得到了廣泛的應(yīng)用。從功能上看，UPPAAL具有系統(tǒng)建模、仿真和模型檢測(cè)等核心功能。在系統(tǒng)建模方面，它允許用戶使用圖形化界面構(gòu)建時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型，通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)類型（如有界整數(shù)、數(shù)組等）和受保護(hù)命令語言，將系統(tǒng)行為描述為帶有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)變量的自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在對(duì)ZC子系統(tǒng)建模時(shí)，可以直觀地創(chuàng)建表示列車注冊(cè)、移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、列車注銷等功能的時(shí)間自動(dòng)機(jī)，清晰地定義狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移以及時(shí)間約束。仿真功能使UPPAAL能夠在早期設(shè)計(jì)階段檢查系統(tǒng)的可能動(dòng)態(tài)執(zhí)行情況，用戶可以通過模擬系統(tǒng)的運(yùn)行，觀察系統(tǒng)在不同輸入和時(shí)間條件下的行為，從而在模型檢查器進(jìn)行驗(yàn)證之前提供廉價(jià)的故障檢測(cè)手段。模型檢測(cè)功能是UPPAAL的重要功能之一，它能夠通過探索系統(tǒng)的狀態(tài)空間，根據(jù)約束表示的符號(hào)狀態(tài)進(jìn)行可達(dá)性分析，檢查系統(tǒng)是否滿足不變性和活性屬性，判斷系統(tǒng)是否符合預(yù)期的設(shè)計(jì)規(guī)范。UPPAAL的特點(diǎn)十分顯著。它提供了直觀的GUI界面，使得用戶無需具備深厚的編程知識(shí)，就能輕松地進(jìn)行模型的創(chuàng)建、編輯和驗(yàn)證，降低了使用門檻，提高了工作效率。在構(gòu)建時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型時(shí)，用戶只需通過簡(jiǎn)單的拖拽和設(shè)置操作，就能完成模型的搭建，大大減少了建模的時(shí)間和工作量。該工具支持時(shí)間約束、同步通信等復(fù)雜機(jī)制，能夠準(zhǔn)確地描述和分析實(shí)時(shí)系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的行為和特性，以及系統(tǒng)組件之間的通信和協(xié)作關(guān)系。在描述ZC子系統(tǒng)中列車與ZC之間的通信，以及移動(dòng)授權(quán)生成的時(shí)間限制等方面，UPPAAL能夠精確地表達(dá)這些復(fù)雜的關(guān)系和約束。UPPAAL集成了強(qiáng)大的模型檢查器，可自動(dòng)驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足特定屬性，提高了驗(yàn)證的準(zhǔn)確性和效率。它還提供仿真和調(diào)試功能，幫助用戶更好地理解系統(tǒng)行為，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。從架構(gòu)上看，UPPAAL主要包含描述語言、模擬器和模型檢查器三個(gè)部分。描述語言是具有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型的不確定的受保護(hù)命令語言，充當(dāng)建模或設(shè)計(jì)語言，將系統(tǒng)行為描述為帶有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)變量的自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)。模擬器是一種驗(yàn)證工具，用于在早期設(shè)計(jì)階段檢查系統(tǒng)的可能動(dòng)態(tài)執(zhí)行情況，涵蓋系統(tǒng)的詳盡動(dòng)態(tài)行為。模型檢查器通過探索系統(tǒng)的狀態(tài)空間來檢查不變性和活力屬性，即根據(jù)約束表示的符號(hào)狀態(tài)進(jìn)行可達(dá)性分析。UPPAAL的工作原理基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論，它將系統(tǒng)建模為具有有限控制結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的非確定性過程集合的系統(tǒng)，這些過程通過通道或共享變量來進(jìn)行通信。在驗(yàn)證過程中，UPPAAL將系統(tǒng)的屬性用特定的邏輯公式（如定時(shí)計(jì)算樹邏輯TCTL）表示，然后通過模型檢查器對(duì)時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型的狀態(tài)空間進(jìn)行遍歷，檢查模型是否滿足這些屬性。如果模型不滿足某個(gè)屬性，UPPAAL會(huì)生成診斷跟蹤，解釋為什么系統(tǒng)描述不滿足該屬性，幫助用戶定位和解決問題。4.2.2ZC子系統(tǒng)驗(yàn)證方法分析在UPPAAL中對(duì)ZC子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，需要遵循一定的流程，確保驗(yàn)證的全面性和準(zhǔn)確性。首先是模型準(zhǔn)備階段，需要將基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)建立的ZC子系統(tǒng)模型導(dǎo)入U(xiǎn)PPAAL工具中。在導(dǎo)入前，要確保模型的準(zhǔn)確性和完整性，包括狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、時(shí)間約束等要素的定義是否清晰、合理。檢查列車注冊(cè)模型中各個(gè)狀態(tài)的不變式設(shè)置是否符合實(shí)際需求，移動(dòng)授權(quán)計(jì)算模型中時(shí)間約束的范圍是否準(zhǔn)確等。若模型存在錯(cuò)誤或不完整，可能導(dǎo)致驗(yàn)證結(jié)果不準(zhǔn)確或無法進(jìn)行驗(yàn)證。接著是屬性定義階段，根據(jù)ZC子系統(tǒng)的功能需求和安全要求，使用UPPAAL支持的邏輯語言（如TCTL或LTL）定義需要驗(yàn)證的屬性。對(duì)于ZC子系統(tǒng)，關(guān)鍵屬性包括移動(dòng)授權(quán)的安全性，即列車在任何時(shí)刻都不會(huì)超出移動(dòng)授權(quán)的范圍行駛，可表示為AG(train\_position\leqMA\_range)，其中AG表示“對(duì)于所有未來狀態(tài)都成立”，train\_position表示列車當(dāng)前位置，MA\_range表示移動(dòng)授權(quán)范圍；以及系統(tǒng)的活性，如列車進(jìn)入ZC控制區(qū)域后最終能夠獲得移動(dòng)授權(quán)，可表示為AF(enter\_ZC\togenerate\_MA)，其中AF表示“在未來某個(gè)狀態(tài)成立”。然后進(jìn)入模型檢測(cè)階段，啟動(dòng)UPPAAL的模型檢查器，對(duì)導(dǎo)入的ZC子系統(tǒng)模型和定義的屬性進(jìn)行驗(yàn)證。模型檢查器會(huì)自動(dòng)遍歷模型的狀態(tài)空間，檢查每個(gè)狀態(tài)是否滿足定義的屬性。在遍歷過程中，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)狀態(tài)不滿足屬性要求，模型檢查器會(huì)記錄相關(guān)信息，并生成反例路徑，以便后續(xù)分析。最后是結(jié)果分析階段，根據(jù)模型檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析。若模型滿足所有定義的屬性，說明ZC子系統(tǒng)模型在當(dāng)前設(shè)定下是正確的；若存在不滿足屬性的情況，需要仔細(xì)分析反例路徑，找出導(dǎo)致問題的原因?？赡苁悄Ｐ捅旧淼脑O(shè)計(jì)缺陷，如狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件設(shè)置錯(cuò)誤，也可能是屬性定義不合理。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)模型或?qū)傩赃M(jìn)行調(diào)整，然后重新進(jìn)行驗(yàn)證，直到模型滿足所有屬性要求。在整個(gè)驗(yàn)證過程中，需要注意一些要點(diǎn)。要合理設(shè)置模型的參數(shù)和初始狀態(tài)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映ZC子系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。在定義屬性時(shí)，要確保屬性的準(zhǔn)確性和完整性，能夠全面覆蓋ZC子系統(tǒng)的關(guān)鍵功能和安全要求。同時(shí)，要關(guān)注模型檢測(cè)過程中的狀態(tài)空間爆炸問題，可通過合理的抽象和簡(jiǎn)化技術(shù)，減少狀態(tài)空間的規(guī)模，提高驗(yàn)證效率。4.2.3LTL公式到BNF公式的等價(jià)轉(zhuǎn)化規(guī)則在使用UPPAAL對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，由于UPPAAL可識(shí)別的是BNF公式，而描述ZC子系統(tǒng)性質(zhì)常用LTL公式，因此需要將LTL公式轉(zhuǎn)化為BNF公式，以確保驗(yàn)證的順利進(jìn)行。以下給出將描述ZC子系統(tǒng)性質(zhì)的LTL公式轉(zhuǎn)化為UPPAAL可識(shí)別的BNF公式的規(guī)則：原子命題轉(zhuǎn)化：LTL公式中的原子命題在BNF公式中保持不變。若LTL公式中有原子命題p表示“列車注冊(cè)成功”，在轉(zhuǎn)化為BNF公式時(shí)，p依然表示“列車注冊(cè)成功”。否定轉(zhuǎn)化：LTL公式中的否定運(yùn)算符“\neg”在BNF公式中同樣用“\neg”表示。若LTL公式為\negp，轉(zhuǎn)化為BNF公式后仍為\negp。合取與析取轉(zhuǎn)化：LTL公式中的合取運(yùn)算符“\land”和析取運(yùn)算符“\lor”在BNF公式中分別對(duì)應(yīng)“\land”和“\lor”。若LTL公式為p\landq（其中p表示“接收到列車位置信息”，q表示“接收到聯(lián)鎖進(jìn)路信息”），轉(zhuǎn)化為BNF公式后為p\landq；若LTL公式為p\lorq，轉(zhuǎn)化后的BNF公式也為p\lorq。時(shí)態(tài)連接詞轉(zhuǎn)化：“X”（下一個(gè)狀態(tài)）：LTL公式中的“Xp”在BNF公式中表示為“E(Xp)”。若LTL公式為X(receive\_position)，表示下一個(gè)狀態(tài)接收到列車位置信息，轉(zhuǎn)化為BNF公式后為E(X(receive\_position))，表示存在一條路徑，在下一個(gè)狀態(tài)接收到列車位置信息?！癋”（某未來狀態(tài)）：LTL公式中的“Fp”在BNF公式中表示為“E(Fp)”。若LTL公式為F(generate\_MA)，表示未來某個(gè)狀態(tài)生成移動(dòng)授權(quán)，轉(zhuǎn)化為BNF公式后為E(F(generate\_MA))，即存在一條路徑，在未來某個(gè)狀態(tài)生成移動(dòng)授權(quán)?！癎”（所有未來狀態(tài)）：LTL公式中的“Gp”在BNF公式中表示為“A(Gp)”。若LTL公式為G(monitor\_train)，表示所有未來狀態(tài)都持續(xù)監(jiān)測(cè)列車，轉(zhuǎn)化為BNF公式后為A(G(monitor\_train))，意味著對(duì)于所有路徑，在所有未來狀態(tài)都持續(xù)監(jiān)測(cè)列車。“U”（直到）：LTL公式中的“pUq”在BNF公式中表示為“E(pUq)”。若LTL公式為train\_runningUreach\_station，表示列車在到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)之前一直處于行駛狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為BNF公式后為E(train\_runningUreach\_station)，即存在一條路徑，列車在到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)之前一直處于行駛狀態(tài)?！癛”（釋放）：LTL公式中的“pRq”在BNF公式中表示為“A(pRq)”。若LTL公式為fault\_repairRsystem\_safe，表示系統(tǒng)維持安全模式運(yùn)行，直到故障修復(fù)；如果故障一直未修復(fù)，系統(tǒng)會(huì)一直維持安全模式運(yùn)行，轉(zhuǎn)化為BNF公式后為A(fault\_repairRsystem\_safe)，對(duì)于所有路徑，系統(tǒng)都維持安全模式運(yùn)行，直到故障修復(fù)；如果故障一直未修復(fù)，系統(tǒng)會(huì)一直維持安全模式運(yùn)行。通過以上等價(jià)轉(zhuǎn)化規(guī)則，能夠?qū)⒚枋鯶C子系統(tǒng)性質(zhì)的LTL公式準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為UPPAAL可識(shí)別的BNF公式，為使用UPPAAL對(duì)ZC子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證提供了必要的條件，確保驗(yàn)證過程能夠準(zhǔn)確地檢查模型是否滿足預(yù)期的性質(zhì)。4.3本章小結(jié)本章圍繞基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)驗(yàn)證方法展開，通過對(duì)形式化驗(yàn)證方法的概述、時(shí)間自動(dòng)機(jī)驗(yàn)證工具UPPAAL的介紹以及LTL公式到BNF公式的轉(zhuǎn)化規(guī)則制定，為ZC子系統(tǒng)的驗(yàn)證提供了全面且有效的途徑。在形式化驗(yàn)證方法概述中，詳細(xì)闡述了常見的模型檢測(cè)和定理證明兩種方法。模型檢測(cè)基于有限狀態(tài)機(jī)模型，通過窮舉搜索驗(yàn)證系統(tǒng)性質(zhì)，自動(dòng)化程度高且能提供反例，但存在狀態(tài)爆炸問題；定理證明基于數(shù)學(xué)邏輯推理，可處理無限狀態(tài)空間，但人工參與度高且效率低。綜合考慮ZC子系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇模型檢測(cè)方法更合適，因其能在合理處理狀態(tài)空間的同時(shí)，高效地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在錯(cuò)誤。時(shí)間自動(dòng)機(jī)驗(yàn)證工具UPPAAL是驗(yàn)證ZC子系統(tǒng)的關(guān)鍵工具。它基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論，具備系統(tǒng)建模、仿真和模型檢測(cè)等核心功能，擁有直觀的GUI界面，支持復(fù)雜機(jī)制，集成強(qiáng)大的模型檢查器并提供仿真調(diào)試功能。在對(duì)ZC子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，需遵循模型準(zhǔn)備、屬性定義、模型檢測(cè)和結(jié)果分析的流程，注意模型參數(shù)設(shè)置、屬性定義準(zhǔn)確性以及狀態(tài)空間爆炸問題。為了在UPPAAL中順利驗(yàn)證ZC子系統(tǒng)，制定了LTL公式到BNF公式的等價(jià)轉(zhuǎn)化規(guī)則，包括原子命題、否定、合取與析取以及時(shí)態(tài)連接詞的轉(zhuǎn)化規(guī)則，確保了能夠?qū)⒚枋鯶C子系統(tǒng)性質(zhì)的LTL公式準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為UPPAAL可識(shí)別的BNF公式，為驗(yàn)證提供了必要條件。通過本章的研究，建立了基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的ZC子系統(tǒng)驗(yàn)證體系，能夠有效地對(duì)ZC子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，提高了ZC子系統(tǒng)的可靠性和安全性。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，仍可能面臨模型復(fù)雜度增加、計(jì)算資源消耗大等問題，未來可進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化驗(yàn)證算法和模型表示方法，以提高驗(yàn)證效率和可擴(kuò)展性，更好地滿足城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)ZC子系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。五、案例分析5.1MA回撤實(shí)例分析5.1.1實(shí)例描述在城市軌道交通運(yùn)行中，MA（移動(dòng)授權(quán)）回撤是一種關(guān)鍵且復(fù)雜的場(chǎng)景，對(duì)列車運(yùn)行的安全性和效率有著重要影響。以某城市軌道交通線路的實(shí)際運(yùn)行情況為例，當(dāng)列車在正常運(yùn)行過程中，可能會(huì)由于多種原因觸發(fā)MA回撤。假設(shè)列車A正在某一區(qū)間行駛，前方區(qū)間突然出現(xiàn)異物侵入軌道的緊急情況。聯(lián)鎖系統(tǒng)檢測(cè)到這一異常后，迅速將相關(guān)信息傳遞給ZC子系統(tǒng)。此時(shí)，列車A的車載ATP也實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車的運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，并將這些信息及時(shí)反饋給ZC子系統(tǒng)。ZC子系統(tǒng)在接收到聯(lián)鎖系統(tǒng)傳來的前方區(qū)間異常信息以及列車A的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息后，立即啟動(dòng)MA回撤機(jī)制。在這個(gè)過程中，其他相關(guān)設(shè)備也在協(xié)同工作。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)確保列車A與ZC子系統(tǒng)之間以及ZC子系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的信息傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確，避免因通信故障導(dǎo)致信息傳遞不及時(shí)或錯(cuò)誤，從而影響MA回撤的執(zhí)行效果。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)ZC子系統(tǒng)的指令，及時(shí)調(diào)整相關(guān)信號(hào)顯示，向列車A司機(jī)傳達(dá)準(zhǔn)確的運(yùn)行指示，確保司機(jī)能夠根據(jù)信號(hào)變化做出正確的操作。5.1.2模型構(gòu)建與驗(yàn)證針對(duì)MA回撤場(chǎng)景，構(gòu)建基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的模型。定義時(shí)間自動(dòng)機(jī)A_{MA\_withdraw}=(L_{MA\_withdraw},l_{0MA\_withdraw},C_{MA\_withdraw},E_{MA\_withdraw},I_{MA\_withdraw},\varphi_{MA\_withdraw})，其中：L_{MA\_withdraw}=\{l_{normal\_running},l_{detect\_abnormal},l_{calculate\_withdraw},l_{send\_withdraw\_MA},l_{execute\_withdraw}\}，分別表示列車正常運(yùn)行、檢測(cè)到異常、計(jì)算回撤MA、發(fā)送回撤MA、執(zhí)行回撤五個(gè)狀態(tài)。l_{0MA\_withdraw}=l_{normal\_running}，初始狀態(tài)為列車正常運(yùn)行。C_{MA\_withdraw}=\{t_{abnormal},t_{calculate},t_{send}\}，設(shè)置三個(gè)時(shí)鐘變量。t_{abnormal}用于記錄從檢測(cè)到異常到開始計(jì)算回撤MA的時(shí)間；t_{calculate}記錄計(jì)算回撤MA的時(shí)間；t_{send}記錄從計(jì)算完成到發(fā)送回撤MA的時(shí)間。E_{MA\_withdraw}包含以下轉(zhuǎn)移：從l_{normal\_running}到l_{detect\_abnormal}的轉(zhuǎn)移：當(dāng)接收到聯(lián)鎖系統(tǒng)傳來的前方區(qū)間