基于Petri網(wǎng)的車站預疊加發(fā)碼建模與仿真

摘? 要：普速鐵路站內軌道電路預疊加ZPW-2000電碼化技術成為既有線車站改造或新建車站施工采用的主流技術，為普速鐵路實現(xiàn)多次提速提供了有效的技術保障和安全屏障。文章通過離散事件系統(tǒng)建模工具Petri網(wǎng)對站內預疊加電碼化進行建模與仿真，仿真模擬列車在站內走行過程中預疊加發(fā)碼過程，實現(xiàn)對電碼化安全性的提升。

關鍵詞：電碼化；Petri網(wǎng)；預疊加發(fā)碼；故障—安全原則

中圖分類號：U273.4；TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）01-0084-03

Modeling and Simulation of Station Pre-stacking Sending Code Based on Petri Net

WANG Luxi

（China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu? 610031， China）

Abstract： The pre-stacking ZPW-2000 coding technology of track circuit in the ordinary speed railway station has become the mainstream technology used in the reconstruction of existing railway stations or the construction of new stations， providing effective technical guarantee and safety barrier for the ordinary speed railway to achieve multiple speed increases. In this paper， the modeling and simulation of pre-stacking coding in the station is carried out by using Petri net， a discrete event system modeling tool， to simulate the pre-stacking sending coding process of the train during running in the station， so as to improve the security of coding.

Keywords： coding; Petri net; pre-stacking sending code; fail-safety principle

0? 引? 言

近年來我國鐵路建設成果顯著，列車的準時性、舒適性、安全性得到大家的肯定，極大地改善人們的出行方式，信號專業(yè)作為列車運行的重要保障，在技術上也快速發(fā)展。普速鐵路站內軌道電路預疊加ZPW-2000電碼化技術為既有線車站改造或新建車站施工的主流技術，為普速鐵路實現(xiàn)多次提速提供了有效的技術保障和安全屏障[1]。文獻[2]通過分析一個實際車站動車所在電碼化實施過程中遇到的問題，提出股道分割情況下預疊加電碼化的不同需求，根據(jù)原理設計提出幾種預發(fā)碼改進功能的方案，方案的提出可有效減少列車因運行速度過快接收不到碼的情況，提升了列車運行速度和效率。為提升列車安全運行和運輸效率，文獻[3]提出一種使機車信號和列控車載設備在站內能連續(xù)不斷地接收到地面信號而不間斷顯示的方法，對在站內原軌道電路的基礎上進行電碼化進行了升級和革新。通過此技術實現(xiàn)了鐵路提速，同時也提高了站內軌道電路施工的安全性。安海君等針對廣泛采用的用于保證行車安全的站內電碼化預發(fā)碼技術，從預疊加電碼化的技術指標、原理、基本控制電路和主要類型等幾個方面進行了分析和研究，給本文了提供借鑒[4]。針對軌道區(qū)段中現(xiàn)有的一種室外加絕緣分割和室內聯(lián)鎖按一個區(qū)段處理的情形，文獻[5]分析了25 Hz相敏軌道電路配套二元二位繼電器和微電子接收器出現(xiàn)該故障的原因，提出對應解決措施，并從施工難度、投資量、適用性方面進行比較，對其他類似情況具有參考價值。文獻[6]主要研究采用25 Hz相敏軌道電路的CTCS-2級列控系統(tǒng)車站，當區(qū)間第一離去區(qū)段長度較短，不滿足動車組側向發(fā)車運行對有碼區(qū)長度的要求時，需采取補充發(fā)碼措施的這一問題，以實際工程案例為依據(jù)，詳細介紹了在既有電碼化電路基礎上完成補充發(fā)碼電路的設計技巧和實施方案，為全線類似問題的解決提供了方案。文獻[7]根據(jù)CTCS-2級列控系統(tǒng)運行的動車組ATP邏輯處理原則，針對非全進路發(fā)碼的站場中無碼區(qū)段對動車組運行的影響，提出了3種不同情況下的補碼，并闡述了實施方案，為工程設計、實施提供了參考。文獻[8]分析了側線股道采用疊加發(fā)碼或預疊加發(fā)碼的發(fā)碼時機、斷碼時機，同時對電碼化發(fā)碼通道電路進行了分析并提出意見。

1? Petri網(wǎng)建模原理

本文主要研究預疊加發(fā)碼原理的Petri網(wǎng)建模實現(xiàn)，Petri網(wǎng)是形式化建模的工具，與傳統(tǒng)的時間作為推動模式不同，它以事件作為推動，預疊加電碼化也可以理解為列車從一個軌道區(qū)段連續(xù)進入另一個軌道區(qū)段的事件變化，發(fā)碼過程是伴隨進行的事件。

使用Petri網(wǎng)完成電碼化是從另一個角度進行預疊加發(fā)碼的復示，可以實現(xiàn)同一車站多車次的進路整體輸入和冒進判斷，且當某一列車發(fā)生冒進時可以指出故障所在，可以預先對多車次各自進路的安全性進行提前判斷，極大減少了人工成本，具有一定的應用價值。

如圖1所示，Petri網(wǎng)具有三個基本的元素分別為庫所（圓圈，表示資源）、變遷（黑色線條，表示狀態(tài)變化）以及托肯（黑點，表示列車）。托肯存在于庫所之中，在本文中表示列車在軌道區(qū)段上。圖1表示Petri網(wǎng)的發(fā)射規(guī)則，在圖1（a）中托肯在p1，經(jīng)過變遷e1的發(fā)射之后，拿走p1的托肯，發(fā)送給p2形成圖1（b）。圖1（c）表示Petri網(wǎng)的選擇結構，圖1（d）表示并發(fā)結構。時延Petri網(wǎng)是在變遷上賦予延時，延時結構后才可以使能發(fā)射。

2? 預疊加發(fā)碼模型的建立

圖2是示意站預疊加電碼化電路展示。正線有接車進路和發(fā)車進路兩條進路，軌道區(qū)段D為股道，YG是接近區(qū)段，1LQ表示1離去區(qū)段。本文以正線接發(fā)車進路為例，進行預疊加發(fā)碼的Petri網(wǎng)建模與仿真。

圖3是利用Petri建立的示意站預疊加電碼化原理模型。圖中的庫所表示兩種資源：軌道區(qū)段和發(fā)碼裝置，分別用庫所pi和pjf表 示，具體表示意義如表1所示。Petri網(wǎng)模型中托肯表示列車，當托肯在庫所pi中表示列車在i區(qū)段，托肯在pjf表示對應的軌道區(qū)段發(fā)碼。變遷表示狀態(tài)變化，比如列車從一個區(qū)段到另一個區(qū)段。變遷是有延時的，延時表示列車在這一區(qū)段的走行時間，比如變遷t2表示列車從軌道區(qū)段YG到A，延時為列車在軌道區(qū)段YG的走行時間。

3? 模型仿真驗證

為了驗證模型的正確性和可用性，本文建立一個實際的列車運行計劃進行仿真模擬。在進行模擬之前需要進行一定的假設：

（1）假設列車01、02和03是同類型列車，即出清同一軌道區(qū)段時間相同。

（2）列車沒有長度，股道D也沒有長度。

（3）規(guī)定列車在區(qū)段YG的走行時間為15秒，其他非股道區(qū)段的走行時間為10秒，股道D停車時間視列車運行計劃而定。

列車運行計劃如表2和3所示，列車01起始時刻在接近區(qū)段YG，且已走行5秒，即從起始時刻起只需10秒即可到達軌道區(qū)段A，經(jīng)過軌道區(qū)段A、B、C后到達股道D，停車20秒后開始發(fā)車進路。列車02完成的是通過進路，起始時刻也在接近區(qū)段YG，但沒有走行過，所以需要15秒到達站內軌道區(qū)段A。經(jīng)過軌道區(qū)段運行且在股道不停車，直接越過出站信號機出站。列車03起始時刻也在接近區(qū)段YG，但也是剛進入軌道區(qū)段，也需要15秒到達站內軌道區(qū)段A。經(jīng)過軌道區(qū)段運行且在股道停車15秒后進行發(fā)車進路。

對于冒進信號，需要視具體的延時來考慮。冒進信號的判斷是本文研究的重點。

根據(jù)時刻表將各區(qū)段運行時間作為延時賦予圖2建立的模型中，本文采用統(tǒng)一的時間刻度，以5秒作為模型變遷（黑色線條）的一個單位時間延時。例如列車在股道的停站時間為20秒，則變遷的延時為20/5=4個單位時間。

設置一個冒進信號檢測模型的性能，將接車進路至軌道區(qū)段C的時間改為08：00：25，即在軌道區(qū)段走行時間為5秒，01車冒進軌道區(qū)段C，此時變遷te4的延時為5/5=1個單位時間，其他關于冒進信號的變遷延時與實際延時相同，但具有較低的發(fā)射優(yōu)先級，即當變遷t1和te1同時使能時，變遷t1先發(fā)射。最后將計算好的變遷延時賦予模型中形成01車最終仿真模擬的模型，如圖4所示。

使用Petri網(wǎng)仿真軟件對模型的仿真分析，結果如圖5所示。

本文的仿真結果一共展示了3張結果圖，圖5（a）表示列車在軌道區(qū)段B且完成了B區(qū)段和C區(qū)段的發(fā)碼，正在軌道區(qū)段B中運行。圖5（b）表示列車在軌道區(qū)段B中運行時間結束，正要進入軌道區(qū)段C，表現(xiàn)在模型上為變遷te4使能。圖5（c）中表示列車到達軌道區(qū)段C，但是由于托肯在庫所pC中陷入了死鎖，仿真結束，表現(xiàn)在模型中為庫所pC被標記但由于庫所p4 f未被標記，模型無法繼續(xù)運行，陷入死鎖。通過查閱表1中庫所pC死鎖的物理含義可知01車在軌道區(qū)段C產生了冒進，導致軌道電路不能發(fā)碼，與實際情況相符，模型正確。

4? 結? 論

本模型完成了預疊加發(fā)碼原理的功能實現(xiàn)，還可以對列車冒進信號進行故障診斷，準確定位某一車次在哪里會發(fā)生冒進，從而可以及時地給出修改意見。同時本模型可以完成同一車站所有車次的冒進判斷，對同一車站可以天為單位，所有車次進路一起檢測，整體化進行修改，使冒進信號的發(fā)生降到最低，為車站預疊加發(fā)碼提供了一種新的方法。本文中模型的結果是一個邏輯上的復示，即得出的結果是列車進入了軌道區(qū)段，這會提示應該發(fā)出來什么樣的碼，是否發(fā)生了冒進?？梢詷O大地提升預疊加發(fā)碼的安全性，擴展了Petri網(wǎng)的應用。

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作者簡介：王陸睎（1995—），男，漢族，山西永濟人，助理工程師，碩士，主要研究方向：鐵路信號控制系統(tǒng)與離散事件系統(tǒng)的建模與仿真。

收稿日期：2022-08-30