Formal verification of safety protocol in train control system

In order to satisfy the safety-critical requirements, the train control system (TCS) often employs a layered safety communication protocol to provide reliable services. However, both description and verification of the safety protocols may be formidable due to the system complexity. In this paper, interface automata (IA) are used to describe the safety service interface behaviors of safety communication protocol. A formal verification method is proposed to describe the safety communication protocols using IA and translate IA model into PROMELA model so that the protocols can be verified by the model checker SPIN. A case study of using this method to describe and verify a safety communication protocol is included. The verification results illustrate that the proposed method is effective to describe the safety protocols and verify deadlocks, livelocks and several mandatory consistency properties. A prototype of safety protocols is also developed based on the presented formally verifying method.

Design and Test of a High QoS Radio Network for CBTC Systems in Subway Tunnels

Communications Based Train Control Systems require high quality radio data communications for train signaling and control. Actually most of these systems use 2.4GHz band with proprietary radio transceivers and leaky feeder as distribution system. All them demand a high QoS radio network to improve the efficiency of railway networks. We present narrow band, broad band and data correlated measurements taken in Madrid underground with a transmission system at 2.4 GHz in a test network of 2 km length in subway tunnels. The architecture proposed has a strong overlap in between cells to improve reliability and QoS. The radio planning of the network is carefully described and modeled with narrow band and broadband measurements and statistics. The result is a network with 99.7% of packets transmitted correctly and average propagation delay of 20ms. These results fulfill the specifications QoS of CBTC systems.

Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment.

Accurate characterization of the radio channel in tunnels is of great importance for new signaling and train control communications systems. To model this environment, measurements have been taken at 2.4 GHz in a real environment in Madrid subway. The measurements were carried out with four base station transmitters installed in a 2-km tunnel and using a mobile receiver installed on a standard train. First, with an optimum antenna configuration, all the propagation characteristics of a complex subway environment, including near shadowing, path loss,shadow fading, fast fading, level crossing rate (LCR), and average fade duration (AFD), have been measured and computed. Thereafter, comparisons of propagation characteristics in a double-track tunnel (9.8-m width) and a single-track tunnel (4.8-m width) have been made. Finally, all the measurement results have been shown in a complete table for accurate statistical modeling.

Tecnología avanzada de señalización y conducción automática en ferrocarriles metropolitanos : rentabilidad de su inversión

Siguiendo la orientación seguida por la industria aeronáutica de los Estados Unidos en las últimas décadas muchas industrias paralelas han venido a considerar la Operación y Mantenimiento (O&M) como uno de los aspectos más relevantes a la hora de conseguir alcanzar sus objetivos organizativos. La política a seguir en la fase mantenimiento se reconoce como algo fundamental para conseguir los niveles de eficacia operativa precisos, en particular la disponibilidad. La importancia que toman los costes acumulativos incurridos en el periodo de O&M en el total de los acumulados en el ciclo de vida es un hecho cada vez más reconocido. Este concepto ha sido muy analizado y comentado, y comienzan a surgir y a estar en vigor numerosas regulaciones sobre el tema. El coste del ciclo de vida (LCC) se usa cada vez más como uno de los criterios principales a la hora de diseñar o comprar, y así se requiere a los suministradores que aporten soluciones garantizando un bajo coste a lo largo del ciclo vital y que, a la par, mantengan los niveles de servicio requeridos, por unos atributos medibles como son la disponibilidad o la puntualidad. Esta dualidad supone un verdadero reto para los diseñadores cuando afrontan nuevos desarrollos: diseñar para lograr un elevado nivel de servicio a la par que manteniendo un coste bajo en la totalidad del ciclo de vida del nuevo diseño. Hoy en día es indispensable proceder al diseño de los productos y soluciones de forma que sean confiables, fáciles de parametrizar, de configurar y operar, y que además posean las mejores prestaciones para minimizar los esfuerzos para su mantenimiento, renovaciones y eliminación al fin de su vida útil. La política de mantenimiento, tal como se indica anteriormente, ya no es por tanto la preocupación del último momento, sino algo que se debe definir conjuntamente con el diseño, con la perspectiva integrada del soporte logístico preciso. En numerosas industrias las decisiones que se toman sobre el diseño influencian sobremanera los costes futuros del mantenimiento y, particularmente en estos casos, el análisis integral del coste del ciclo de vida se revela como una poderosa herramienta que habilita la toma de las decisiones críticas. Por desgracia el estado del arte de los análisis LCC en el campo ferroviario es casi nulo en comparación con la industria aeronáutica de defensa, o incluso con la tecnología aplicada a la construcción de carreteras. Un enfoque profesional sobre la optimización de los costes y la disponibilidad del sistema ferroviario global es algo inexistente hoy día. Un análisis sistemático de los costes e impactos sobre la disponibilidad a largo plazo es excepcional en las fases de diseño, incluso para los más sencillos componentes de señalización. Más aún, en el mercado de señalización ferroviaria el mantenimiento es el gran paradigma. Las líneas deben mantenerse en servicio comercial bajo cualquier circunstancia, llevando al mínimo cualquier perturbación y por supuesto preservando la seguridad que la sociedad demanda a los sistemas de transporte públicos de masas. Es por ello que la tendencia cada vez mayor es la de comparar, en el momento de la toma de decisión sobre la inversión, las distintas alternativas posibles para elegir la que garantice el menor coste esperable a lo largo del ciclo de vida exigible. El sector ferroviario, como industria que requiere elevadas inversiones de capital en soluciones de larga permanencia, requiere un enfoque que considere el coste del ciclo de vida. Para la infraestructura ferroviaria y la propia vía el ciclo de vida considerado tradicionalmente para la inversión inicial incluyendo el mantenimiento y algunas renovaciones parciales es de 75 a 100 años, para el material rodante son 30 a 35 años con una renovación significativa hacia la mitad del periodo y para los sistemas de señalización se suelen adoptar entre 25 y 30 años. Dados estos elevados plazos el coste debe ser evaluado para cada uno de los elementos constitutivos, considerando no solo los costes de adquisición, sino también a los que conducen las distintas alternativas de diseño y estrategias de mantenimiento, de forma que se minimicen los costes totales acumulados a lo largo del plazo vital sin perder de vista preservar la función deseada, la explotación comercial segura. Concebir las líneas y su mantenimiento bajo el prisma del concepto del coste del ciclo de vida LCC está revelándose como algo imperativo ya que garantiza que las decisiones sobre inversiones/explotación/mantenimiento sean las más efectivas en términos de coste para la sociedad. Pero por desgracia es muy raro encontrar en el sector ferroviario análisis LCC debidamente documentados. Todos los tecnólogos prefieren aportar argumentos de ventas, bonitas transparencias y folletos, entre ellos algunos detalles de LCC o reflexiones dialécticas al respecto, más que permitir obtener clara y francamente sus costes de adquisición de productos incluyendo los de ingeniería e instalación. Igual o similar opacidad hay al respecto de los costes de su mantenimiento (considerando los repuestos y las expectativas de evolución o roadmap del producto). A pesar de reconocerse el hecho de que las decisiones relativas al diseño y a las estrategias de mantenimiento deben apoyarse en análisis sobre los costes y la efectividad asociada debidamente evaluada, en la mayor parte de las veces la carencia de datos imposibilita la realización de estos estudios y se toman las decisiones por proximidad a otros casos similares o guiados por el consejo de una parte sesgada del mercado. Esta tesis demuestra, partiendo de la aplicación de la parte 3.3 de la norma internacional UNE-EN 60300:2004 “Cálculo del Coste del Ciclo de Vida”, que el sistema de señalización que se debe considerar a la hora de definir una nueva línea de Metro típica ha de ser la tecnología de control de tren basada en las telecomunicaciones (CBTC) aplicada en su modo de operación sin conductor (UTO), puesto que su coste de ciclo de vida (LCC) resulta ser sensiblemente inferior al del sistema tradicional de protección y operación automática de tren (ATP/ATO) más avanzado que puede ser usado como alternativa tecnológica, el distancia objetivo. El trabajo es netamente innovador, pues en el estado del arte documental sobre la materia, que se ha analizado en gran profundidad, tal y como demuestra la bibliografía reseñada, no consta ningún análisis de selección de alternativas de características similares hasta la fecha. Aunque se habla de manera extensiva en los foros y revistas ferroviarias sobre el tema de la rentabilidad que se obtiene por la selección del sistema CBTC como sistema de protección de tren sin embargo éste es un aspecto que nadie ha demostrado de manera analítica hasta el trabajo presente. La Tesis en sí misma es un trabajo original, pues contiene a lo largo de toda ella y en sus anejos, una descripción completa, y adecuadamente comprensible por todo tipo de lector, sobre el estado del arte de los sistemas de automatización ferroviaria. No existe actualmente en lengua castellana, inglesa, francesa o alemana un trabajo de alcance similar. La Tesis se estructura debidamente, proporcionando un hilo documental que permite incluso a los lectores profanos adquirir los conocimientos precisos para poder valorar de manera adecuada el análisis de alternativas que se plantea y su resultado, que resulta coincidente con la hipótesis formulada al inicio de la redacción de la Tesis. Se indican como colofón otras posibles futuras líneas de investigación que se han identificado. Los anejos a la Tesis la complementan con información adicional procesada durante su redacción: • Las tablas de los cálculos del modelo de costes de cada alternativa tecnológica analizada • La visión general del universo de los sistemas de conducción automática de metros globalmente conocidos bajo el acrónimo de CBTC (Communications-Based Train Control), con el detalle actual del mercado de este tipo de soluciones: qué Compañías fabrican, en base a qué solución tecnológica de transmisión, dónde los comercializan y qué entes ferroviarios los utilizan. • Las condiciones a tener en cuenta de cara a decidir la implantación de un sistema CBTC UTO. • El estudio en detalle del caso de reseñalización del Metro de Nueva York describiendo los métodos que se siguieron para elegir las compañías que intervinieron en su realización y lograr la interoperabilidad entre las mismas. • El estado del arte de la definición de estándares y actividades para la interoperabilidad en Europa y Estados Unidos (Proyecto Modurban y Normas del IEEC).

Periodic time-domain modulation for the electrically tunable control of optical pulse train envelope and repetition rate multiplication

An electrically tunable system for the control of optical pulse sequences is proposed and demonstrated. It is based on the use of an electrooptic modulator for periodic phase modulation followed by a dispersive device to obtain the temporal Talbot effect. The proposed configuration allows for repetition rate multiplication with different multiplication factors and with the simultaneous control of the pulse train envelope by simply changing the electrical signal driving the modulator. Simulated and experimental results for an input optical pulse train of 10 GHz are shown for different multiplication factors and envelope shapes.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.