基于混成自动机路径过滤与动态选择的CPS系统反例生成

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作者 王佳宛 刘熹橦 +1 位作者 卜磊 李宣东 《软件学报》 北大核心 2025年第8期3587-3603,共17页

信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)在安全攸关领域具有广泛的应用,保障其安全性至关重要.形式化验证是证明系统安全性的有效手段,但在现实世界中的复杂CPS系统上应用仍面临挑战.因此,反例生成的方法被提出,旨在通过寻找系统... 信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)在安全攸关领域具有广泛的应用,保障其安全性至关重要.形式化验证是证明系统安全性的有效手段,但在现实世界中的复杂CPS系统上应用仍面临挑战.因此,反例生成的方法被提出,旨在通过寻找系统中违背安全规约的反例行为来证明系统的不安全.现有的基于路径的CPS系统反例生成方法采用分治策略,针对系统模型中各条路径上的行为空间分别进行探索,能够有效发现系统中的不安全行为.然而,在大规模系统中,这类方法面临严重的路径爆炸问题,路径数量随着离散状态数目指数级增长,反例生成的效率和性能显著下降.为缓解反例生成中的路径爆炸问题,基于系统模型与规约提出路径过滤与动态选择两种技术.首先,设计面向规约的路径过滤方法,通过分析系统规约的语法树和路径上的行为约束,快速过滤不可能包含不安全行为的路径.其次,引入多臂老虎机算法来指导反例生成过程中路径的动态选择,动态调整用于探索不同路径的计算资源以最大化反例生成的性能.在一系列经典测试案例上的实验结果表明,所提方法显著缓解了路径爆炸问题,提高了CPS系统反例生成的效率和性能,将发现不安全行为的成功率提升了两倍以上. 展开更多

关键词 信息物理融合系统 混成自动机 反例生成 面向路径

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基于混成自动机的CPS行为建模与属性验证 被引量：2

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作者 拓明福 周兴社 +1 位作者 李嘉林 李辉 《空军工程大学学报（自然科学版）》 CSCD 北大核心 2016年第3期40-44,共5页

系统实时性、安全性和可靠性等非功能属性是信息物理系统在诸多领域应用的关键因素。论文在分析CPS模型构建与分析验证中面临的挑战的基础上,提出了一种CPS行为建模与属性验证方法。该方法首先基于混成自动机对CPS的行为进行建模,然后... 系统实时性、安全性和可靠性等非功能属性是信息物理系统在诸多领域应用的关键因素。论文在分析CPS模型构建与分析验证中面临的挑战的基础上,提出了一种CPS行为建模与属性验证方法。该方法首先基于混成自动机对CPS的行为进行建模,然后将此模型转换为混合程序模型,最后在定理证明器KeYmaera中对HP模型的属性进行形式化验证。文中论述了行为模型描述语言的结构,建立了混成自动机模型与HP模型之间的转换规则,分析了模型转换的一致性。应用实例表明:该方法既能简单直观地描述CPS动态行为,又能对CPS的属性进行严格的形式化验证,且有效避免了形式化验证中的状态空间爆炸问题。 展开更多

关键词 信息物理系统 模型验证 混成自动机 混合程序 模型转换

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基于混成自动机的矿井机车无人驾驶系统模型

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作者 卫星 王军 《合肥工业大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2017年第8期1042-1047,共6页

矿井机车无人驾驶系统显著表现出连续和离散同时存在的混成特征,混成自动机能够精确刻画其系统演化过程,文章研究该系统的建模及验证问题。首先设定遵循安全高效驾驶原则的时间演化行驶过程模型;然后定义影响系统演化的各道岔信号灯状... 矿井机车无人驾驶系统显著表现出连续和离散同时存在的混成特征,混成自动机能够精确刻画其系统演化过程,文章研究该系统的建模及验证问题。首先设定遵循安全高效驾驶原则的时间演化行驶过程模型;然后定义影响系统演化的各道岔信号灯状态事件,并给出不同类型事件下的系统状态转换时刻递推算法,从而得到系统混成自动机模型;最后以多种场景下的数值结果验证了模型的正确性与完备性。 展开更多

关键词 混成自动机 矿井机车 无人驾驶 混成系统 系统建模

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基于可能性混成自动机的CPS属性验证

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作者 陈娜 耿生玲 +1 位作者 李永明 薄玮 《陕西师范大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2016年第5期26-32,共7页

针对环境中存在的不确定性因素对信息物理融合系统(CPS)的影响,提出模型可能性混成自动机,在此基础上给出可能性CPS软件模型属性验证的描述语法和语义以及该模型的可能性动态验证方法。通过验证其可达性和安全性,理论证明和实例分析表... 针对环境中存在的不确定性因素对信息物理融合系统(CPS)的影响,提出模型可能性混成自动机,在此基础上给出可能性CPS软件模型属性验证的描述语法和语义以及该模型的可能性动态验证方法。通过验证其可达性和安全性,理论证明和实例分析表明该方法是有效的,可描述不确定环境因素下的CPS系统的验证。 展开更多

关键词 可能性混成自动机 可能性CPS 动态验证

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基于可能性时空混成自动机的CPS软件建模

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作者 彭姣 耿生玲 +1 位作者 童英华 宫海彦 《现代电子技术》 北大核心 2018年第5期173-177,共5页

信息物理融合系统(CPS)对复杂系统的建模与验证是当前控制研究领域的一个热点问题。考虑不确定环境因素对CPS系统的影响,结合可能性测度与时空模型,给出一种可能性时空混成自动机的信息物理融合系统的建模方法。以时空混成自动机为建模... 信息物理融合系统(CPS)对复杂系统的建模与验证是当前控制研究领域的一个热点问题。考虑不确定环境因素对CPS系统的影响,结合可能性测度与时空模型,给出一种可能性时空混成自动机的信息物理融合系统的建模方法。以时空混成自动机为建模工具,通过分析CPS的体系结构,讨论衡量不确定性的可能性对CPS软件运行时的时空动态影响,给出一个可能性时空CPS系统架构。通过理论证明和实例分析在不确定环境下可能性时空混成自动机为CPS软件系统建模的可行性。 展开更多

关键词 CPS 不确定性 可能性时空混成自动机 控制系统 建模 属性验证

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一种离散连续混成的时空事件驱动的CPS体系架构 被引量：5

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作者 赵红专 孙棣华 +1 位作者 程森林 赵敏 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第9期170-175,共6页

为描述信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)中离散信息系统和连续物理系统交互融合的混成特性,基于混成自动机理论,结合多智能体系统(multi-agent system,MAS)和时空事件驱动方法,提出一种CPS体系架构.该架构用改进的混成自动... 为描述信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)中离散信息系统和连续物理系统交互融合的混成特性,基于混成自动机理论,结合多智能体系统(multi-agent system,MAS)和时空事件驱动方法,提出一种CPS体系架构.该架构用改进的混成自动机理论刻画了离散空间和连续状态混成的CPS体系架构的主体,同时定义了基于时空事件的CPS事件,设计了基于MAS的CPS端,并运用定义不同功能的CPS端和CPS事件驱动机制解析了CPS体系架构内部信息物理交互反馈过程.最后以车速调控系统为例,采用提出的CPS体系架构分析了协同驾驶过程中单一车辆内部速度调控的信息物理融合过程,并对其进行了形式化描述,实例的形式化过程表明提出的体系架构的有效性.构建的CPS体系架构为刻画CPS的本质特征提供了新的方法. 展开更多

关键词 信息物理融合系统 体系架构 混成自动机理论 多智能体系统 时空事件

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BACH:线性混成系统有界可达性模型检验工具 被引量：2

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作者 卜磊 李游 +1 位作者 王林章 李宣东 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第4期640-658,共19页

混成自动机的模型检验问题非常困难,即使是其中相对简单的一个子类——线性混成自动机,它的可达性问题仍然是不可判定的.现有的相关工具大都使用多面体计算来判定线性混成自动机状态空间的可达集,复杂度高、效率低,无法解决实际应用规... 混成自动机的模型检验问题非常困难,即使是其中相对简单的一个子类——线性混成自动机,它的可达性问题仍然是不可判定的.现有的相关工具大都使用多面体计算来判定线性混成自动机状态空间的可达集,复杂度高、效率低,无法解决实际应用规模的问题.描述了一个面向线性混成系统有界可达性模型检验工具——BACH(bounded reachability checker),该工具能够沿指定路径(组)对单个线性混成自动机、多个线性混成自动机的组合进行可达性检验,并且在此基础上结合路径遍历技术完成对所有路径的有界可达性检验.实验数据显示,BACH不仅在面向路径可达性检验方面性能优异,可以适用于足够长度的路径,而且在针对所有路径的有界可达性检验时,BACH可以解决的问题规模也远远超过同类工具,已接近工业界应用的要求. 展开更多

关键词 线性混成系统 线性混成自动机 有界可达性检验 线性规划

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基于Craig插值的线性混成系统符号化模型检测 被引量：2

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作者 陈祖希 徐中伟 +1 位作者 霍伟伟 喻钢 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第7期1338-1346,共9页

最强后件的计算是模型检测算法的核心.本文使用一阶逻辑可满足性模线性算术理论给出线性混成自动机的有界模型检测表示公式,利用一阶逻辑公式不可满足情况下的插值存在性定理,对线性混成自动机的有界模型检测公式进行指定的划分,使用支... 最强后件的计算是模型检测算法的核心.本文使用一阶逻辑可满足性模线性算术理论给出线性混成自动机的有界模型检测表示公式,利用一阶逻辑公式不可满足情况下的插值存在性定理,对线性混成自动机的有界模型检测公式进行指定的划分,使用支持线性算术插值计算的可满足性模理论后端证明引擎的线性时间复杂度的消解反证技术获得这两部分公式间的插值公式,按一阶逻辑Craig插值的性质,所得到的插值公式就是模型检测过程中最强后件公式的上近似表示.有效地避免了使用逻辑编码方案实现线性混成自动机模型检测过程中需要双指数时间复杂度的量词消去操作求取最强后件公式,也不需像有界模型检测按步长展开变迁公式进行可满足性判定.最后本文在此最强后件计算的基础上,以有界模型检测技术作为反例确认方法,实现了一种无假反例的混成系统近似可达集计算算法.实验证明该算法与目前已经得到广泛工业应用的有界模型检测算法相比具有更优的性能. 展开更多

关键词 Craig插值 可满足性模理论 线性混成自动机 符号模型检验 混成系统

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基于迁移系统分析的线性混成系统安全验证 被引量：1

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作者 蒋慧 卜磊 李宣东 《计算机工程与应用》 CSCD 2013年第4期58-64,76,共8页

混成自动机行为中既包含离散行为又包含连续行为,非常复杂。其安全性验证问题难以解决,即使是线性混成自动机,它的可达性问题也被证明是不可判定的。现有工具大都使用多面体计算来计算线性混成自动机的可达状态空间集,复杂度高,可处理... 混成自动机行为中既包含离散行为又包含连续行为,非常复杂。其安全性验证问题难以解决,即使是线性混成自动机,它的可达性问题也被证明是不可判定的。现有工具大都使用多面体计算来计算线性混成自动机的可达状态空间集,复杂度高,可处理问题规模非常有限。为了避免这类问题,实现了一种新的工具。该工具将线性混成自动机表达为等价的迁移系统,并利用迁移系统上不变式生成相关工作对混成自动机进行验证。实验数据表明,方法有效可行,工具具有良好的性能。 展开更多

关键词 线性混成自动机 迁移系统 安全性验证 不变式生成

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LDPChecker——一个实时和混成系统模型检验工具

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作者 裴玉 李宣东 郑国梁 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2005年第1期38-46,共9页

混成系统是一类复杂系统,线性混成系统作为其重要子类,在形式方法中,人们通常使用线性混成自动机来对它建模.虽然线性混成自动机的模型检验问题总的来说还是不可判定的,但对于其中的正环闭合自动机,其对于线性时段性质的满足性能够通过... 混成系统是一类复杂系统,线性混成系统作为其重要子类,在形式方法中,人们通常使用线性混成自动机来对它建模.虽然线性混成自动机的模型检验问题总的来说还是不可判定的,但对于其中的正环闭合自动机,其对于线性时段性质的满足性能够通过线性规划方法加以检验.为了实现自动检验正环闭合自动机对线性时段性质的满足性,设计并实现了工具LDPChecker.工具LDPChecker能够识别正环闭合自动机并对其进行相应的检验,其主要特色在于它能够对实时和混成系统检验包含可达性在内的许多实时性质,并且能够自动给出诊断信息. 展开更多

关键词 实时和混成系统 混成自动机 线性时段性质 模型检验

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面向安全攸关系统中小概率事件的统计模型检测 被引量：11

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作者 杜德慧 程贝 刘静 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第2期305-320,共16页

在开放运行环境中,安全攸关系统的不确定性行为有可能导致小概率事件的发生,而此类事件的可靠性指标往往很高,小概率事件一旦发生就会产生灾难性的后果,严重威胁到人们的生命、财产安全.因此,评估、预测小概率事件发生的概率,对于提高... 在开放运行环境中,安全攸关系统的不确定性行为有可能导致小概率事件的发生,而此类事件的可靠性指标往往很高,小概率事件一旦发生就会产生灾难性的后果,严重威胁到人们的生命、财产安全.因此,评估、预测小概率事件发生的概率,对于提高系统的可靠性具有重要意义.统计模型检测是一种基于模拟的模型验证技术,结合了系统的快速模拟及统计分析技术,能够有效提高模型检测的效率,适用于验证、评估安全攸关系统的可靠性,但其面临的挑战性问题之一是在可接受的样本数量下,使用统计模型检测技术难以预测、评估小概率事件发生的概率.因此,提出一种改进的统计模型检测框架,设计和开发基于机器学习的统计模型检测器,实现在相对较少的样本数量下预测和评估小概率事件发生的概率.结合轨道交通控制系统中避碰控制案例分析,进一步证明改进后的统计模型检测器能够有效预测和评估安全攸关系统中小概率事件发生的概率. 展开更多

关键词 统计模型检测 小概率事件 安全攸关系统 随机混成自动机 机器学习

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HAGC及上海电网应用 被引量：1

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作者 孙玉娇 孙英云 +3 位作者 梅生伟 何光宇 阮前途 张王俊 《电力自动化设备》 EI CSCD 北大核心 2009年第1期138-142,共5页

基于离散混成自动机(DHA)理论,提出混成自动发电控制(HAGC)的概念、原理以及体系结构。HAGC体系结构由混成模型、实际系统和系统数据3部分组成。混成模型由切换电力系统(SPS)、事件产生器(EG)、有限状态机(FSM)和模式选择器(MS)4个模块... 基于离散混成自动机(DHA)理论,提出混成自动发电控制(HAGC)的概念、原理以及体系结构。HAGC体系结构由混成模型、实际系统和系统数据3部分组成。混成模型由切换电力系统(SPS)、事件产生器(EG)、有限状态机(FSM)和模式选择器(MS)4个模块组成;论述了混成模型的4个模块,给出了示意图。HAGC控制器的设计采用3层结构(最高决策层、中间操作层、底层执行层);对事件的判断与生成、操作指令的形成、HAGC算法及优化进行了讨论。上海电网的成功投运,证明了HAGC能在保证系统安全性的同时提高系统的经济性指标,实现了多目标优化控制。 展开更多

关键词 自动发电控制 混成系统 离散混成自动机 事件驱动 HAGC 电网 上海

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基于统计模型检测的Tc CBTC移动授权建模与分析

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作者 林俊亭 闵晓琴 《控制工程》 CSCD 北大核心 2023年第5期803-809,821,共8页

基于通信的列车运行控制(communication based train control,CBTC)系统采用车地通信方式使得地面设备极其复杂。随着通信技术的快速发展,以车载为核心的列车运行控制(train-centric communication based train control,TcCBTC)系统采... 基于通信的列车运行控制(communication based train control,CBTC)系统采用车地通信方式使得地面设备极其复杂。随着通信技术的快速发展,以车载为核心的列车运行控制(train-centric communication based train control,TcCBTC)系统采用车车通信方式减少了控制信息的传递环节,将成为城市轨道交通领域的发展方向。移动授权(movementauthority,MA)是决定列车能否以安全间隔运行的直接因素,因此对MA生成过程进行形式化建模与分析,对避免列车碰撞具有重要意义。根据TcCBTC系统架构分析MA生成流程,确定参与功能实现的子系统,并计算出不确定性参数;通过UPPAAL-SMC建立对应的随机混成自动机网络模型;最后采用统计模型检测方法对模型进行定量分析。分析结果表明:置信度为99.95%的情况下,系统在300 ms内成功计算出MA的概率为0.9974124748,为后续TcCBTC系统开发设计提供理论参考。 展开更多

关键词 随机混成自动机 统计模型检测 以车载为核心的列车运行控制 移动授权

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轨道交通联锁领域特定语言的形式化 被引量：7

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作者 赵梦瑶 陈小红 +3 位作者 孙海英 刘静 陈良育 周庭梁 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第6期1638-1653,共16页

作为轨道交通系统的核心子系统之一,对联锁系统进行形式化建模与分析,是保证其安全性的重要手段.形式化建模需要领域知识和形式化知识的结合,由于形式化知识难以掌握,领域专家在建模整个过程中都需要形式化专家的帮助.为了解决这个问题... 作为轨道交通系统的核心子系统之一,对联锁系统进行形式化建模与分析,是保证其安全性的重要手段.形式化建模需要领域知识和形式化知识的结合,由于形式化知识难以掌握,领域专家在建模整个过程中都需要形式化专家的帮助.为了解决这个问题,针对联锁系统的故障随机性、行为实时性、构件可重用的特点,提出设计联锁领域特定语言IS-DSL描述具体的联锁系统的参数,并基于随机混成自动机模板自动生成联锁系统的形式化模型,以进一步在此基础上进行安全分析.首先对联锁系统模型进行分析,根据不同案例设计其领域特定语言;其次,确定联锁系统的系统模型模板,包括环境构件模板和控制器模板,并举例抽取其随机混成自动机模板;在模板基础上定义系统模型生成过程,让领域专家可以通过领域特定语言,输入参数自动生成具体的随机混成自动机系统模型;最后以某站联锁系统为例,展示了基于模板的具体系统模型的生成过程,并通过基于系统模型的事故预测分析,证明了该方法的可行性与有效性. 展开更多

关键词 联锁系统 模板重用 形式化建模 随机混成自动机 领域特定语言

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基于HUML的列控系统形式化建模与参数分析方法 被引量：7

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作者 赵晓宇 程瑞军 +1 位作者 程雨 马小平 《铁道学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第11期80-87,共8页

针对高速列车控制系统的混成特性,提出了基于混成统一化建模语言的列控系统形式化建模和分析方法。运用UML2.0及其扩展机制对列控系统的混成行为进行建模。定义由HUML模型到HYTECH模型的转换规则,将HUML模型转换为线性混成自动机模型;... 针对高速列车控制系统的混成特性,提出了基于混成统一化建模语言的列控系统形式化建模和分析方法。运用UML2.0及其扩展机制对列控系统的混成行为进行建模。定义由HUML模型到HYTECH模型的转换规则,将HUML模型转换为线性混成自动机模型;将列控系统安全性需求加入到HYTECH模型,建立安全HYTECH模;利用模型检验工具HYTECH对安全HYTECH模型进行自动分析。根据所提出的基于UML概要文件建模方法,以移动闭塞系统中的追踪模型为例,建立后行列车的控制器HUML模型;通过计算安全HYTECH模型的可达集得到未知控制参数的取值范围;验证结果表明基于HUML的列控系统建模和分析方法的有效性。 展开更多

关键词 高速铁路列控系统 UML扩展机制 混成自动机 移动闭塞控制系统 控制参数分析

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二维全向无线充电信息物理融合系统建模与优化方法 被引量：6

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作者 孙朋朋 董云卫 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期568-575,共8页

本文解决两相交流电源供电下二维全向无线充电信息物理融合系统的能量传输效率优化问题,发现了系统的频率分叉现象及其能量传输机理,利用混成自动机理论建立了系统的形式化模型.制定了一种面向不同负载区间的多供电模式的最优输电控制... 本文解决两相交流电源供电下二维全向无线充电信息物理融合系统的能量传输效率优化问题,发现了系统的频率分叉现象及其能量传输机理,利用混成自动机理论建立了系统的形式化模型.制定了一种面向不同负载区间的多供电模式的最优输电控制策略和能量传输频率优化算法.论文对共振条件下的频率分叉现象进行仿真实验,验证了两相交流电源供电下能量的最优传输理论模型,可用于电动汽车、智能手机等移动装置的充电系统. 展开更多

关键词 二维全向 无线充电 能量传输 信息物理融合系统 频率分叉 两相交流电源 混成自动机 供电模式

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基于统计模型检测的DFT定量分析方法 被引量：2

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作者 乔森 黄志球 +1 位作者 王金永 宛伟健 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2020年第2期480-488,共9页

动态故障树(dynamic fault tree,DFT)是对系统进行安全性分析的重要手段,基于马尔可夫链的DFT求解方法存在3个难题:一是仅可分析故障概率为指数分布的系统;二是无法分析共因失效情况;三是可能导致状态空间爆炸。因此提出一种基于统计模... 动态故障树(dynamic fault tree,DFT)是对系统进行安全性分析的重要手段,基于马尔可夫链的DFT求解方法存在3个难题:一是仅可分析故障概率为指数分布的系统;二是无法分析共因失效情况;三是可能导致状态空间爆炸。因此提出一种基于统计模型检测的DFT定量分析方法。首先将DFT分解为动态逻辑门、基本构件、共因失效关系、门门和门构件间的逻辑关系;其次将动态逻辑门、基本构件和共因失效关系基于随机混成自动机形式化规约;然后通过逻辑关系重构自动机,形成随机混成自动机网络;最后通过分析一个具有共因失效关系的服从多失效概率分布的飞机结冰探测系统,表明所提方法的有效性。 展开更多

关键词 随机混成自动机 统计模型检测 随机系统 动态故障树 安全性分析

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基于可达集的虚拟编组行车安全防护方法研究 被引量：1

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作者 刘冰 王海峰 柴铭 《铁道标准设计》 北大核心 2023年第7期161-168,共8页

虚拟编组可有效提升运输能力,是轨道交通领域的研究前沿,其行车方式的变革给列车运行控制带来新的问题。为满足虚拟编组行车紧密追踪及协同作业的安全防护需求,探讨一种基于可达集的虚拟编组列车运行安全防护方法。首先,构造列车运行控... 虚拟编组可有效提升运输能力,是轨道交通领域的研究前沿,其行车方式的变革给列车运行控制带来新的问题。为满足虚拟编组行车紧密追踪及协同作业的安全防护需求,探讨一种基于可达集的虚拟编组列车运行安全防护方法。首先,构造列车运行控制混成自动机模型,更加精确地描述编组列车控制行为;然后,提出一种通过对混成模型过近似可达集求解来确保列车运行安全的防护方法,深入剖析虚拟编组列车运动行为,给出一种面向多面体精化的自适应步长可达集求解算法,能够实时预测前行列车动态轨迹,进而达到最大限度缩短列车追踪间隔的效果;最后,利用实际线路数据进行仿真实验。实验结果表明,该防护方法与传统防护方法相比,可进一步缩短列车追踪间隔,更能满足虚拟编组行车安全防护需求。 展开更多

关键词 城市轨道交通 列车运行防护 虚拟编组 可达集 混成自动机

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