高速铁路信号系统失效机理及风险控制研究

For high-speed railways, the signal system plays an important role in ensuring the operation safety and efficiency. However, there are some vital challenges for the development of the signal systems. First, the integrated hardware and intensive software cause non-monotonic fault characters. Second, the complexity of signal system and interface bring rapid, mutual and sudden-changing risks. Third, the COTS (Commercial-Off-The-Shelf) components are black box products, whose safety proof difficulty is increased evidently. Correspondingly, this project aims to address three major issues: 1) The coupling mechanism and time-space evolution principles of the operation risk failures. 2) The health perception, management and risk prevention of the signal system. 3) Fault mechanism analysis, and safety protection for the signal system based on COTS. Accordingly, three key problems are to be solved, as "risk coupling and evolution", "health perception", and "COTS safety proofing and testing". The proposed research has great impact on building systematized theories for the failure mechanism and risk causes of existing signal systems and next generation systems based on COTS. Meantime, the research helps to build up the risk prevention systems and technical approaches suitable for the signal systems of high-speed railways in China.

高速铁路信号系统是确保列车安全和高效运行的关键装备。然而高铁信号系统面临以下挑战：硬件集成与软件密集使得高铁信号系统故障特征呈现非单调规律；高铁信号系统及接口复杂使得风险呈现出快速性、交互性与突变性；COTS部件作为黑盒产品安全举证难度大。本项目针对上述挑战展开三方面研究：1）高速铁路运行风险失效耦合机理及时空演化规律；2）高速铁路信号系统健康感知/管理与风险防控；3）基于COTS的信号系统故障机理分析与安全保障。项目旨在解决高铁信号系统“风险耦合与演化”、“健康感知”、“COTS部件安全举证与测试”三大关键科学问题，为我国既有高铁信号系统以及下一代基于COTS部件的信号系统提出一套体系化的失效机理与风险致因基础理论，并建立适于我国高铁信号系统的风险防控体系与技术方法。

高速铁路信号系统是确保列车安全和高效运行的关键装备，然而高铁信号系统面临以下挑战：硬件集成与软件密集使得高铁信号系统故障特征呈现非单调规律；高铁信号系统及接口复杂使得风险呈现出快速性、交互性与突变性；COTS部件作为黑盒产品安全举证难度大。因此面对以上问题，项目完成了以下研究：项目构建了基于经验知识的危险源数据库，建立了列控系统关键设备的相关风险特征模型及失效模型，探明了高铁信号关键设备的特性突变与失效耦合机理，揭示高铁信号系统失效风险耦合机理与时空演化规律；建立了基于领域先验知识集的高铁信号系统故障诊断模型，实现对系统健康状态感知；建立了形式化的高铁信号系统安全需求模型，通过模型检验和定理证明的方式验证了需求的一致性；建立了基于“安全核+故障树”的风险识别与失效危害度分析，保证基于COTS部件的高铁信号系统的整体安全性；构建面向既有高铁以及下一代高铁信号系统的风险防控平台，实现了对风险防控效果的评价。.研究结果具体如下：在国内外学术期刊或会议发表论文71篇（含已接受待发表论文10篇），其中JCR1区论文15篇（包括IEEE Transactions on Vehicular Technology、IEEE Transactions on Smart Grid、IEEE Transactions on Industrial Information、Future Generation Computer Systems、Chaos等），其中ESI热点论文1篇，ESI高被引论文3篇；申请国家发明专利10项，授权国家发明专利3项；共培养33名硕博研究生，其中硕士18名，博士3名；项目组成员2人次入选省部级人才计划；项目成员以第一完成人身份，获得国家科技进步奖二等奖1项、铁道科技奖一等奖2项。.项目故障诊断以及风险防控的部分成果也在现场得到了应用，实现了多起可能导致安全事故的设备故障预警，为现场运营安全提供了有力保障，为高速铁路信号系统的故障诊断与运维保障的提供了重要的理论基础。项目成果已成功应用于成都、昆明等铁路局600余个站场，且延伸应用于动车组监测领域，有力保障了信号关键设备以及中车唐车公司运营动车组的运行安全，降低了运维成本，创造了良好的社会和经济效益。