基于Petri網(wǎng)的崇憑鐵路車站聯(lián)鎖進(jìn)路建模與仿真

王陸睎

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

車站聯(lián)鎖系統(tǒng)是鐵路信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，它反映了信號(hào)設(shè)備間的相互制約和集中控制。進(jìn)路是列車或者調(diào)車車列在站內(nèi)走行的路徑，當(dāng)進(jìn)路被一個(gè)車列聲明后，它將進(jìn)入鎖閉狀態(tài)，不會(huì)被別的車列占用直到車列出清相關(guān)軌道區(qū)段。本文的Petri 網(wǎng)模型中將站內(nèi)每個(gè)軌道區(qū)段視為一種資源，聲明的進(jìn)路會(huì)帶走其涉及軌道區(qū)段的占有權(quán)，當(dāng)列車出清相關(guān)軌道區(qū)段后，占有權(quán)才會(huì)被重新歸還給相應(yīng)的軌道區(qū)段（即可以被其他進(jìn)路聲明使用）。

崇左至憑祥鐵路位于廣西壯族自治區(qū)的西南部，為在建南寧至崇左鐵路的延伸，是南寧至憑祥鐵路的一部分。新建線路東起崇左市的崇左南站，終到憑祥市的憑祥東站，線路長81.482 km，設(shè)計(jì)速度250 km／h。本文以崇左南站作為示例車站，構(gòu)建相應(yīng)的計(jì)算模型，輸入站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃為模型中對(duì)應(yīng)變遷的延時(shí)，使用Petri 網(wǎng)仿真軟件計(jì)算其可達(dá)圖并進(jìn)行站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃的安全性和可行性分析。本文針對(duì)示例站建立的模型可應(yīng)用于所有該車站的站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃的仿真驗(yàn)證，研究成果可為車站聯(lián)鎖進(jìn)路安全性驗(yàn)證提供思路和方法。

1 崇憑鐵路示例站介紹

崇左南站是南寧到崇左城際鐵路的終點(diǎn)，同時(shí)也是崇左到憑祥鐵路的起點(diǎn)。該線路是廣西境內(nèi)的大動(dòng)脈，建成后可極大的方便人們的出行。崇左南站是一個(gè)綜合交通樞紐，考慮到本文只研究車站內(nèi)聯(lián)鎖進(jìn)路控制的問題，因此對(duì)該站站形進(jìn)行了一定的簡化，主要包括：（1）去除了綜合工區(qū)；（2）股道5G1 和5G2合并成一個(gè)股道5G；（3）一個(gè)股道只能同時(shí)被一列車占用；（4）不考慮反向接車進(jìn)路。崇左南站軌道劃分示意如圖1所示。

圖1 崇左南站平面圖

崇左南站是雙線雙向自動(dòng)閉塞的車站，該站有8 個(gè)股道，包括下行方向3 個(gè)股道和上行方向5 個(gè)股道，IG 和IIG 分別為雙線區(qū)段下、上行方向的正線股道。道岔有定位和反位兩種狀態(tài)，道岔狀態(tài)與進(jìn)路的路徑有關(guān)，對(duì)IG 的接車進(jìn)路來說，道岔區(qū)段1DG、7DG、13DG 中的道岔均為定位狀態(tài)。

本線路的列車設(shè)計(jì)速度250 km／h，道岔為18 號(hào)道岔。為簡化計(jì)算過程，考慮反應(yīng)時(shí)間等其余無關(guān)時(shí)間，本文擬定列車在道岔定位時(shí)按照54 km／h 的固定速度運(yùn)行，在道岔反位時(shí)按照27 km／h 的固定速度運(yùn)行。列車在站內(nèi)同一道岔區(qū)段的定反位出清時(shí)間不同，站內(nèi)軌道區(qū)段的長度如表1所示。

表1 崇左南站站內(nèi)軌道區(qū)段長度及出清時(shí)間表

2 Petri 網(wǎng)在本文的應(yīng)用

Petri 網(wǎng)主要針對(duì)離散事件系統(tǒng)進(jìn)行建模，是形式化建模常用的工具，以事件作為推動(dòng)來反映實(shí)際運(yùn)行過程。鐵路領(lǐng)域有很多Petri 網(wǎng)的應(yīng)用，主要包括：使用Petri 網(wǎng)建立車間作業(yè)流程模型［1］，編程實(shí)現(xiàn)了作業(yè)車間系統(tǒng)的建模與調(diào)度平臺(tái)，利用該模型可簡單快速的實(shí)現(xiàn)修改，從而為作業(yè)車間系統(tǒng)調(diào)度提供便利；文獻(xiàn)［2］建立的模型克服了Petri 網(wǎng)在系統(tǒng)描述上的不足，本文參考了其中將Petri 網(wǎng)模型、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、運(yùn)行圖分離的方法，使系統(tǒng)具有良好的普適性和廣泛的應(yīng)用；采用Petri 網(wǎng)系統(tǒng)建模方法以及基于此模型預(yù)測(cè)的列車運(yùn)行調(diào)整算法研究了列車運(yùn)行計(jì)劃相關(guān)問題［3］；王詩慧提出一種擴(kuò)展的模糊Petri 網(wǎng)，為托肯賦予時(shí)間特征，并利用Petri 網(wǎng)結(jié)構(gòu)建模嚴(yán)謹(jǐn)、仿真性能好的特點(diǎn)，研究了在列車準(zhǔn)時(shí)性優(yōu)先的情況下如何避免列車發(fā)生沖突等問題［4］；文獻(xiàn)［5］介紹了一種可應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)安全性形式化建模的方法，并用鐵路信號(hào)領(lǐng)域一個(gè)簡單示例說明；將Petri 網(wǎng)這一形式化建模工具用于驗(yàn)證軌道拓?fù)浜土熊囘\(yùn)行條件，并建立了一個(gè)鐵路信號(hào)系統(tǒng)驗(yàn)證來保證信號(hào)系統(tǒng)的可靠性和安全性［6］；采用Petri 網(wǎng)形式化驗(yàn)證方法對(duì)車站內(nèi)部調(diào)度進(jìn)行了故障定位［7］；針對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性提出了系統(tǒng)性分析方案及故障處理方法［8-9］。

基于以上研究，本文的時(shí)延Petri 網(wǎng)模型將延時(shí)賦予變遷，每個(gè)變遷的延時(shí)對(duì)應(yīng)于列車出清區(qū)段的時(shí)間，Petri 網(wǎng)的庫所、變遷延時(shí)和托肯在本文中分別對(duì)應(yīng)于軌道區(qū)段、列車出清對(duì)應(yīng)軌道區(qū)段的時(shí)間和列車，通過這三要素把列車在站內(nèi)按計(jì)劃調(diào)度運(yùn)行的過程動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)而進(jìn)行形式化驗(yàn)證。

2.1 排列進(jìn)路模型

崇左南站IG 平面如圖2所示，基于圖2所建立的站內(nèi)調(diào)度綜合模型如圖3所示。IG 接車進(jìn)路在模型中開始的庫所為XI1，當(dāng)?shù)啦韰^(qū)段1DG、7DG、13DG所對(duì)應(yīng)的庫所S1、S7和S13均被標(biāo)記時(shí)，變遷tI1使能并帶走庫所XI1、S1、S7和S13的托肯，同時(shí)發(fā)射一個(gè)托肯給庫所XI1-begin，表示IG 接車進(jìn)路開始，相關(guān)資源的占有權(quán)都被IG 接車進(jìn)路占據(jù)。變遷trelease-S1的延時(shí)表示列車出清1DG區(qū)段的時(shí)間，當(dāng)延時(shí)耗盡，變遷trelease-S1發(fā)射一個(gè)托肯給庫所p1 同時(shí)帶走庫所XI1-begin

圖2 崇左南站IG 平面圖

圖3 基于圖2所建立的站內(nèi)調(diào)度綜合模型圖

的托肯并返還一個(gè)托肯給庫所S1，表示道岔區(qū)段S1解鎖并可被別的進(jìn)路使用，庫所S7和S13同理。當(dāng)變遷trelease-S13延時(shí)耗盡時(shí)，它使能發(fā)射帶走庫所p2的托肯同時(shí)返還一個(gè)托肯給庫所S13，至此IG 的接車進(jìn)路結(jié)束，此時(shí)庫所S1、S7和S13均被標(biāo)記，可以被下行方向其它接車進(jìn)路聲明占用。當(dāng)列車在IG ?？繒r(shí)間結(jié)束后，即模型中變遷trelease-P1使能發(fā)射后，此時(shí)庫所XI2被標(biāo)記，如果庫所S2和S10被標(biāo)記，即道岔區(qū)段10DG 和2DG 處于解鎖狀態(tài)，發(fā)車進(jìn)路可以被聲明，后續(xù)過程同理。

2.2 故障診斷模型

故障報(bào)警系統(tǒng)是對(duì)可能發(fā)生的故障和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行警報(bào)，對(duì)進(jìn)路來說，按照計(jì)劃進(jìn)行時(shí)故障報(bào)警系統(tǒng)不會(huì)涉及，一旦進(jìn)路不能按照計(jì)劃進(jìn)行，必要的報(bào)警系統(tǒng)就十分必要。故障報(bào)警系統(tǒng)可在列車站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃實(shí)施之前對(duì)可能的危險(xiǎn)進(jìn)行防護(hù)。以IG 發(fā)車進(jìn)路為例，當(dāng)列車想要進(jìn)行發(fā)車進(jìn)路時(shí)，首先要檢查相關(guān)的軌道區(qū)段是否空閑，如果10DG 和2DG 同時(shí)處于解鎖狀態(tài)，發(fā)車進(jìn)路聲明后10DG 和2DG 的占有權(quán)被剝奪，最后順序占用出清解鎖相關(guān)軌道區(qū)段直到出站后，發(fā)車進(jìn)路才可以繼續(xù)聲明。但是，如果列車按照計(jì)劃需要建立發(fā)車進(jìn)路，但此時(shí)2DG 的占用權(quán)被拿走，不論是故障原因還是調(diào)度計(jì)劃排列不當(dāng)?shù)脑颍l(fā)車進(jìn)路都不能按照原計(jì)劃進(jìn)行，本文的模型需要對(duì)其進(jìn)行故障報(bào)錯(cuò)。

故障診斷模型如圖3模型的虛線部分所示，它不是獨(dú)立存在的模型，需要與其它模型配套使用。對(duì)于前文中說的IG 發(fā)車進(jìn)路，它開始于庫所XI2被標(biāo)記，此時(shí)如果庫所S2和S10均被標(biāo)記，變遷tI2使能并帶走庫所XI2、S2和S10的托肯，同時(shí)發(fā)射一個(gè)托肯給庫所XI2-begin，表示發(fā)車進(jìn)路開始；如果S2和S10沒有同時(shí)被標(biāo)記，變遷tI2的使能條件不滿足，此時(shí)變遷te2使能帶走庫所XI2的托肯的同時(shí)發(fā)射一個(gè)托肯給故障庫所Pe2，故障報(bào)警，并根據(jù)故障庫Pe2所被標(biāo)記的含義定位出問題所tI2在，同時(shí)針對(duì)其問題進(jìn)行修改。需要說明的是，變遷te2和tI2雖然延時(shí)相同，但變遷te2具有較低的發(fā)射優(yōu)先級(jí)，即兩者同時(shí)使能時(shí)變遷tI2發(fā)射，本文其余部分同理。

3 崇左南站綜合模型建立

崇左南站的站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃可行性驗(yàn)證綜合模型主要由前文中故障診斷模型和排列進(jìn)路模型兩部分組成，按照上、下行運(yùn)行方向分別建立，下行方向一共有6 條進(jìn)路，上行方向有8 條進(jìn)路，每條進(jìn)路有對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)模塊，便于定位出現(xiàn)問題的部分。

3.1 下行方向綜合模型

下行方向站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃可行性驗(yàn)證的綜合模型如圖4所示，每條進(jìn)路以股道作為分割點(diǎn)將進(jìn)路分為2 個(gè)小進(jìn)路。以3G 的進(jìn)路為例，它的2 個(gè)進(jìn)路分別為接車進(jìn)路和發(fā)車進(jìn)路，接車進(jìn)路涉及的軌道區(qū)段依次為1DG 定位、7DG 定位、13DG 反位、17DG 定位和3G。發(fā)車進(jìn)路涉及到3G、12DG 定位、10DG 反位和2DG 定位。圖中關(guān)鍵庫所被標(biāo)記和變遷的含義如表2和表3所示，需要說明的是，庫所的物理含義指的是其被標(biāo)記時(shí)的物理含義，變遷是其延時(shí)長度的物理含義。

表2 模型中關(guān)鍵庫所／變遷含義表

表3 模型中故障診斷部分庫所／變遷含義表

圖4 崇左南站下行方向站內(nèi)調(diào)度綜合模型圖

在后續(xù)進(jìn)行實(shí)際站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃仿真模擬時(shí)，如果故障診斷模塊的庫所被標(biāo)記，可根據(jù)其對(duì)應(yīng)的物理含義精確定位故障所在，并針對(duì)故障部分進(jìn)行修改。

3.2 上行方向綜合模型

上行方向站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃可行性驗(yàn)證的綜合模型如圖5所示，上行方向涉及的進(jìn)路有8 條4 個(gè)股道，建模與分析方法與下行方向完全一致。

圖5 崇左南站上行方向站內(nèi)調(diào)度綜合模型圖

3.3 模型的創(chuàng)新點(diǎn)和使用

本文采用的Petri 網(wǎng)建立的模型主要有3 個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。第一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是普適性，崇左南站的站形已經(jīng)固定，本文建立的模型以此站形為依據(jù)，可以實(shí)際仿真模擬出列車在站內(nèi)走行的過程。建立的模型適用于所有與本站相關(guān)的列車運(yùn)行計(jì)劃，如果后期站形發(fā)生變化，只需對(duì)模型進(jìn)行修改即可。第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是直觀的形式化驗(yàn)證，對(duì)于給定的列車運(yùn)行計(jì)劃，使用仿真軟件仿真計(jì)算可以得出故障庫所的標(biāo)記情況，通過觀察故障庫所的標(biāo)記得出運(yùn)行計(jì)劃的可行性，并能對(duì)不可行的計(jì)劃指出問題所在，具有簡單直觀的特點(diǎn)。第三個(gè)特點(diǎn)是通用性，本文建立崇左南站的方法一樣可以應(yīng)用于別的車站，不管是高速鐵路還是普速車站。同時(shí)，本文的方法可以推廣到區(qū)間，后續(xù)可以形成一整條線路的整體列車運(yùn)行計(jì)劃仿真驗(yàn)證。

4 站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃的仿真驗(yàn)證

對(duì)模型進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行計(jì)劃的仿真驗(yàn)證是驗(yàn)證模型可用性的關(guān)鍵一步，給定預(yù)設(shè)會(huì)出現(xiàn)故障的站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃如表4所示，將其時(shí)間因素對(duì)應(yīng)于模型中的變遷延時(shí)，采用Petri 網(wǎng)的仿真驗(yàn)證工具TINA 對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如果出現(xiàn)故障所在與預(yù)設(shè)問題一致說明模型可行，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

表4 站內(nèi)列車調(diào)度計(jì)劃表

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

給定的站內(nèi)列車調(diào)度計(jì)劃一共涉及7 輛列車，其中下行方向3 列（分別為列車01、02 和03），上行方向4 列（分別為04、05、06 和07 車）。停站時(shí)間與股道出清時(shí)間累加，比如IG 和IIG 列車不能?？浚桨l(fā)時(shí)間之差為列車出清股道的時(shí)間40 s，其3G 到發(fā)時(shí)間之差為2 min 40 s，除去列車出清股道時(shí)間的停站時(shí)間為2 min。本文在上、下行方向都預(yù)設(shè)了故障部分，利用模型仿真驗(yàn)證給定的站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃，是否有對(duì)應(yīng)部分的故障庫所被標(biāo)記。

4.2 站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃可行性驗(yàn)證

在將列車運(yùn)行計(jì)劃轉(zhuǎn)換為模型中各個(gè)變遷的延時(shí)，采用10 s 為1 個(gè)單位時(shí)間，則列車出清股道的變遷延時(shí)為40／10=4 個(gè)單位時(shí)間，出清1DG 的時(shí)間為2 個(gè)單位時(shí)間，同理，可計(jì)算出別的軌道出清時(shí)間所對(duì)應(yīng)的變遷延時(shí)。

將02 車和04 車的進(jìn)站時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)線，其余列車進(jìn)站時(shí)間與時(shí)間基準(zhǔn)線的差值先按照單位時(shí)間計(jì)算方法得出數(shù)值，并添加到代表列車進(jìn)站庫所，所連接的變遷延時(shí)中，使得出發(fā)時(shí)間的差值得以體現(xiàn)在模型中。

將各軌道區(qū)段的出清時(shí)間與相應(yīng)的變遷延時(shí)一一對(duì)應(yīng)，賦予圖4和圖5的模型中，網(wǎng)結(jié)構(gòu)的故障庫所初始標(biāo)識(shí)，由于初始狀態(tài)下所有的故障庫所都沒有被標(biāo)記，所以。至此模型就可以進(jìn)行仿真驗(yàn)證。使用時(shí)延Petri 網(wǎng)的仿真軟件TINA，計(jì)算模型中可達(dá)標(biāo)識(shí)圖，只觀察其中的故障庫所，選出其中不為0 的可達(dá)標(biāo)識(shí)。

通過觀察可達(dá)標(biāo)識(shí)的計(jì)算結(jié)果，觀察在各個(gè)可達(dá)標(biāo)識(shí)下故障庫所不為0，標(biāo)識(shí)如表5所示。

表5 計(jì)算的可達(dá)標(biāo)識(shí)結(jié)果表

4.3 結(jié)果分析

由表5的可達(dá)標(biāo)識(shí)計(jì)算結(jié)果可知，故障庫所和被標(biāo)記。給定的站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃不可行。根據(jù)表3中各故障庫所被標(biāo)記的含義可定位問題的所在為3G 和4G 的發(fā)車進(jìn)路不能按計(jì)劃進(jìn)行，需對(duì)相應(yīng)的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的列車運(yùn)行計(jì)劃如表6所示，主要調(diào)整了02 車和05 車發(fā)車進(jìn)路的時(shí)間，并將修改后的延時(shí)一一賦予模型中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明修改后的運(yùn)行計(jì)劃可行。

表6 修改后可行的站內(nèi)列車調(diào)度計(jì)劃表

5 結(jié)束語

本文將Petri 網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于新建的崇憑高速鐵路上，創(chuàng)新性地將站內(nèi)聯(lián)鎖進(jìn)路進(jìn)行Petri 網(wǎng)建模及仿真驗(yàn)證，建立的Petri 網(wǎng)模型不僅可以對(duì)崇左南站站內(nèi)所有的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行可行性驗(yàn)證，還可以為別的車站提供借鑒。此外，通過對(duì)崇左南站模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可計(jì)算出站內(nèi)調(diào)度計(jì)劃的可行性，如果不可行也會(huì)對(duì)出現(xiàn)問題的部分進(jìn)行定位并解決。將本文的方法擴(kuò)展到區(qū)間建模，就可以完成一整條線上的列車運(yùn)行過程建模，進(jìn)而為整條線的列車運(yùn)行計(jì)劃安全性提供驗(yàn)證和保障。