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随着中国铁路事业的飞速发展,对列控系统的要求也越来越高。CTCS-3级列控系统利用GSM-R实现车地通信,以满足高速铁路的需求。鉴于GSM-R传输系统不能满足列控系统的高安全性指标,车地通信协议才得以在提高其数据传输可靠性和安全性等方面发挥作用。论文完成了CTCS-3级车地通信系统安全通信协议(简称CTCS-3级通信协议)的设计工作。首先,依据《CTCS-3级列控系统总体技术方案》,从两个角度分析CTCS-3级列控系统对车地通信协议的需求:第一,从CTCS-3级列控系统车地设备间的通信流程角度,分析整个列控系统对车地通信系统的需求,进而得到车地通信协议的需求;第二,从CTCS-3级列控系统对GSM-R传输系统QoS指标要求的角度分析车地通信协议的需求。然后,根据EN50159-2安全传输系统标准,从安全隐患防护的角度,对CTCS-3级通信协议提出需求。再依据上述需求对CTCS-3级通信协议进行设计。欧洲列控系统(ETCS)已经对GSM-R通信系统的应用积累了许多经验,ETRMS也制订了欧洲无线(EuroRadio)功能接口规范,详细的描述了通信协议的设计方法。因此,对于EuroRadio规范中可以满足CTCS-3级通信协议需求的功能,按照EuroRadio规范对CTCS-3级通信协议进行设计。在此基础上,对EuroRadio规范不能满足CTCS-3级通信协议需求之处,进行完善与补充。这样设计的安全通信协议既实现了对现有成果的继承,又能满足CTCS-3级系统提出的需求,也符合相关安全规范。由于CTCS-3级通信协议的功能在EuroRadio规范基础上有所修改,因此,必须通过形式化分析的方法,在设计阶段对CTCS-3级通信协议功能和性能进行分析,确保设计的正确性与可用性。论文选用有色Petri网(CPN)对CTCS-3级通信协议和EuroRadio规范同时建模,然后用CPN Tools工具验证模型的状态空间特性和其他相关性能。特别是通过两个模型的比较,验证CTCS-3级通信协议相关性能优于EuroRadio。最后得出结论:论文研究和设计的CTCS-3级车地通信系统安全通信协议满足CTCS-3级列控系统需求,具有可用性。