随着我国高速铁路里程和运行速度的提升,列车运行控制系统的稳定性和可靠性要求也越发严苛。目前客运专线和高速铁路使用的CTCS-3级列控系统,采用了将GSM-R信息传输与轨道电路相结合的设计方案。等级转换作为CTCS-3级列控系统的主要运营场景,转换过程所用时长和转换成功概率,直接影响到列车运行安全和行车效率。本文以列控系统等级转换作为研究对象,采用层次化建模思想,以着色Petri网为形式化建模工具,模拟了等级转换过程中无线闭塞中心(Radio Block Center,RBC)、车载设备和应答器组之间的信息交互过程,分析了列车速度对等级转换实时性的要求和对转换成功概率的影响,并以此为理论基础完成了等级转换仿真软件的开发。本文主要包括以下工作。首先,概述了 CTCS-3级列控系统组成和等级转换过程,分析了利用着色Petri网进行铁路方向研究的现状,对着色Petri网理论和开发工具CPNTools做了简要说明,并阐述了后文要用到的模型分析方法。其次,分析了等级转换的详细过程及车-地通信的数据交互,并针对等级转换的两种情况,采用自上而下的建模方式,分别建立了 CTCS-2至CTCS-3级转换模型和CTCS-3至CTCS-2级转换模型;分析典型设备故障导致降级的场景,分别建立故障降级时车载设备行为和RBC行为模型。之后,利用状态空间法分析所搭建模型的可达性、有界性、家态性、活性和公平性,验证了模型结构和逻辑的正确性;分析了正常情况下等级转换模型的性能,得到了列车运行速度与转换时间和成功概率的关系,并讨论了影响等级转换稳定性的因素。最后,根据前文模型,对等级转换仿真软件进行了功能性需求分析和模块化划分,设计了各个子模块功能,基于Visual Studio 2012平台和MySQL数据库完成RBC仿真系统开发,与CTCS-3真平台其他仿子系统联调,实现了等级转换的半实物仿真。模型和系统仿真为列控系统等级转换的研究和工程设计提供了参考。