基于Petri網(wǎng)的觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置流程優(yōu)化方法研究

摘要：在地鐵的日常運(yùn)營(yíng)中，快速有效地處理突發(fā)故障對(duì)于緩解交通壓力和減少事故損失至關(guān)重要。針對(duì)目前地鐵列車觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置過程中存在的信息管理混亂和風(fēng)險(xiǎn)控制不足的問題，詳細(xì)解析應(yīng)急處置的執(zhí)行流程和信息流動(dòng)路徑，并構(gòu)建Petri網(wǎng)模型，對(duì)模型的特征值進(jìn)行深入分析和計(jì)算。分析結(jié)果表明，現(xiàn)行處置流程中存在信息發(fā)布步驟冗余和試送環(huán)節(jié)資源競(jìng)爭(zhēng)等顯著問題。通過對(duì)模型中具有共同輸入和多個(gè)輸出的變遷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出合并短電纜試送與觸網(wǎng)二次試送失敗后的交路變更處置等改進(jìn)措施。實(shí)踐證明，經(jīng)過優(yōu)化后的流程能顯著提升應(yīng)急處理的效率，可為地鐵觸網(wǎng)失電的應(yīng)急處置提供有力的參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：觸網(wǎng)失電；Petri網(wǎng)；應(yīng)急處置；流程優(yōu)化

0引言

在現(xiàn)代城市公共交通體系中，軌道交通的安全與高效運(yùn)營(yíng)對(duì)于維護(hù)城市交通秩序和保障市民出行安全至關(guān)重要。接觸網(wǎng)作為電力系統(tǒng)與列車直連的核心設(shè)備，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。然而，觸網(wǎng)失電故障會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)行中斷，給市民帶來極大不便。若故障發(fā)生在高峰時(shí)段，極易引發(fā)乘客擁堵和恐慌，對(duì)乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。近年來，國(guó)內(nèi)針對(duì)接觸網(wǎng)的研究逐漸增多。丁晨[2]闡述了觸網(wǎng)失電場(chǎng)景下的調(diào)度運(yùn)營(yíng)調(diào)整措施；彭章碩等[3]對(duì)不同的觸網(wǎng)塌網(wǎng)故障場(chǎng)景進(jìn)行了分析，制訂了優(yōu)化的行車方案，以提高行車效率；于秋波等[4]以天津地鐵為例，提出了一種基于通道可靠性的多尺度背景感知相關(guān)濾波跟蹤算法，有效地提高了觸網(wǎng)磨損測(cè)量的準(zhǔn)確性和效率。上述研究主要聚焦于觸網(wǎng)狀態(tài)的物理監(jiān)測(cè)和對(duì)行車安全的影響，而對(duì)于故障處置過程中涉及的多部門協(xié)同作業(yè)和信息傳遞方面的研究相對(duì)較少。觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置由調(diào)度、維保、乘務(wù)、車站等共同參與，專業(yè)覆蓋面廣、信息交互紛繁復(fù)雜，這種跨部門的聯(lián)動(dòng)對(duì)信息傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了極高要求，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的延誤或失誤都可能降低故障處置的效率，甚至加劇事故后果。

觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置是一個(gè)典型的離散事件問題[5]，不僅涉及事件的發(fā)生，還涉及處置狀態(tài)的改變和轉(zhuǎn)換。Petri網(wǎng)作為一種強(qiáng)大的建模工具，能夠有效地描述軌道交通系統(tǒng)中的離散事件，包括列車運(yùn)行控制、車站旅客管理、設(shè)備維護(hù)等狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系。通過Petri網(wǎng)，整個(gè)流程可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和可視化表達(dá)[6]，使得應(yīng)急處置流程更加條理化和清晰，不僅有助于通過定量和定性分析得到優(yōu)化方案，還能提高信息流轉(zhuǎn)效率[7]，從而對(duì)保障地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性具有重要意義。

1觸網(wǎng)失電處置流程

以上海市地鐵為例，觸網(wǎng)失電處置流程可以分為扣車與觸網(wǎng)試送、短電纜試送、線路中斷預(yù)案執(zhí)行、區(qū)間疏散與故障搶修及故障處置5個(gè)階段，處置流程涉及順序處置、同步處置、判斷選擇等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。應(yīng)急處置流程梳理如圖1所示。

（1）扣車與觸網(wǎng)試送。故障發(fā)生后，運(yùn)營(yíng)調(diào)度員采取扣車措施以確保安全，隨后安排鄰線列車司機(jī)檢查失電區(qū)段的觸網(wǎng)受電弓情況，確認(rèn)情況后，安排設(shè)備調(diào)度員進(jìn)行第一次觸網(wǎng)試送。試送結(jié)果分為三種情況：試送成功、一側(cè)試送成功和試送不成功。若試送成功或單側(cè)成功，則可在確認(rèn)運(yùn)行限制后逐步恢復(fù)列車啟動(dòng)；若第一次觸網(wǎng)試送不成功，則由設(shè)備調(diào)度員判斷短電纜的情況：若短電纜試送成功，則進(jìn)行第二次觸網(wǎng)試送；若短電纜一側(cè)試送成功，則進(jìn)行短電纜故障報(bào)修，同時(shí)也需要進(jìn)行第二次觸網(wǎng)試送；若短電纜試送失敗，則進(jìn)行短電纜故障報(bào)修，做好因運(yùn)營(yíng)中斷而需要的后續(xù)準(zhǔn)備工作。

（2）短電纜試送。若短電纜試送已經(jīng)完成，則由地鐵線網(wǎng)指揮中心（COCC）發(fā)布紅黃牌通知，維保人員按流程實(shí)施搶修作業(yè)；若短電纜試送尚未完成，則確認(rèn)列車落弓后，由設(shè)備調(diào)度員安排短電纜試送工作。

（3）線路中斷預(yù)案執(zhí)行。觸網(wǎng)失電15min或失電10min后，運(yùn)營(yíng)調(diào)度員從設(shè)備調(diào)度員及現(xiàn)場(chǎng)搶修人員處確認(rèn)故障無(wú)法排除，申請(qǐng)啟動(dòng)并執(zhí)行接觸網(wǎng)中斷的預(yù)案。

（4）區(qū)間疏散與故障搶修。運(yùn)營(yíng)調(diào)度員向相關(guān)崗位人員發(fā)布疏散命令，設(shè)備調(diào)度員按規(guī)定開啟風(fēng)機(jī)與照明等設(shè)施，車站人員做好乘客疏散工作。

（5）故障恢復(fù)。在確認(rèn)行車設(shè)備已恢復(fù)供電、所有線路恢復(fù)條件均已滿足后，運(yùn)營(yíng)調(diào)度員將安排故障區(qū)段內(nèi)的列車升弓、確認(rèn)車況、取消單線限制，并通知車站和司機(jī)取消單線雙向區(qū)段列車運(yùn)行限制，以恢復(fù)正常運(yùn)行。

結(jié)合調(diào)度細(xì)則，對(duì)上述流程進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)以下問題：首先，全過程的節(jié)點(diǎn)繁雜，關(guān)鍵信息不突出。其次，觸網(wǎng)試送與短電纜試送的環(huán)節(jié)分支眾多，容易陷入“觸網(wǎng)試送—短電纜試送—觸網(wǎng)試送”的封閉循環(huán)狀態(tài)，不僅會(huì)造成人員和設(shè)備資源的不合理配置，還會(huì)使流程銜接不順暢，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。最后，線路中斷預(yù)案執(zhí)行階段信息傳遞過于依賴運(yùn)營(yíng)調(diào)度，容易導(dǎo)致操作遺漏和處置時(shí)間延長(zhǎng)。因此，構(gòu)建觸網(wǎng)失電處置流程的Petri網(wǎng)模型并開展分析，有助于更清晰地識(shí)別流程中的問題，并提出有效的優(yōu)化策略。

2基于Petri網(wǎng)的應(yīng)急處置流程建模

2.1Petri網(wǎng)的基本原理

Petri網(wǎng)是一種用于描述和分析系統(tǒng)行為的圖形化建模工具。其核心元素包括庫(kù)所（Places，用圓形○表示）、變遷（Transitions，用矩形表示）、令牌（Tokens，用黑色實(shí)心點(diǎn)表示），以及有向弧線（Arcs）。通常情況下，庫(kù)所表征系統(tǒng)的狀態(tài)；變遷表征系統(tǒng)中的事件或活動(dòng)，以及觸發(fā)狀態(tài)的改變或動(dòng)作的執(zhí)行變化；令牌在庫(kù)所中的標(biāo)記，表示狀態(tài)的可用性或資源的可獲取性；有向弧連接庫(kù)所和變遷，表示變遷依賴于庫(kù)所中的令牌來觸發(fā)。每一項(xiàng)業(yè)務(wù)動(dòng)作的開始和完成由令牌從一個(gè)位置向另一個(gè)位置的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)[8]。

2.2模型要素

一個(gè)完整的觸網(wǎng)失電處置流程Petri網(wǎng)模型PN=（P，T;F，K，W，M0）滿足以下條件[9]：

（1）P={p1，p2，…，pm}為有限庫(kù)所集合。

（2）T={t1，t2，…，tn}為有限變遷集合（P∪T≠，P∩T=）。

（3）F（P×T）∪（T×P）為流關(guān)系。

（4）K為庫(kù)所的容量函數(shù)，對(duì)于任意庫(kù)所p∈P，未加說明默認(rèn)為∞。

（5）W為 PN 上的權(quán)函數(shù)，W（f）為弧的權(quán)，規(guī)定了令牌傳遞中的加權(quán)系數(shù)。當(dāng)權(quán)值默認(rèn)為1時(shí)，在圖中不進(jìn)行額外標(biāo)注。

（6）M0：P→Z（非負(fù)整數(shù)集合）是庫(kù)所集合上的初始標(biāo)識(shí)（Marking）向量。對(duì)于任一庫(kù)所p∈P，M0（p）表示標(biāo)識(shí)向量M0中庫(kù)所p對(duì)應(yīng)的分量，稱為庫(kù)所p上的標(biāo)識(shí)或令牌數(shù)目，并且必須滿足M0（p）≤K（p），M0為初始標(biāo)識(shí)向量。

3實(shí)例分析

3.1觸網(wǎng)失電處置流程的Petri網(wǎng)建模

根據(jù)上海市地鐵觸網(wǎng)失電故障處置流程，本文定義了Petri網(wǎng)的基本參數(shù)，以便于對(duì)流程進(jìn)行建模和分析。p1表示應(yīng)急處置的啟動(dòng)標(biāo)記；緊隨其后，流程中的第一步操作是扣車（t1）；針對(duì)故障區(qū)段內(nèi)的列車（p2代表故障區(qū)段內(nèi)列車信息），需要由運(yùn)營(yíng)調(diào)度安排這些列車惰行至下一車站（t2）；而在站臺(tái)的列車（p3代表在站列車信息）需要執(zhí)行開門待命操作（t3）。只有在確保這兩種狀態(tài)的列車均處置完畢后，才可以進(jìn)行觸網(wǎng)試送（t4）?？赡馨l(fā)生的情況（p6代表需要根據(jù)觸網(wǎng)試送情況判斷后續(xù)處置）包括以下三種之一：兩側(cè)試送均成功；僅有一側(cè)成功；試送不成功。針對(duì)不同的情況，分別進(jìn)行不同的操作，即t5、t6、t7。

按照上述思路，建立從故障開始到處置結(jié)束的觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置Petri網(wǎng)模型，如圖2所示。

3.2Petri網(wǎng)性能分析

在處理初始模型時(shí)，由于元素?cái)?shù)量龐大，直接進(jìn)行計(jì)算和分析存在困難。為了簡(jiǎn)化問題，本文首先對(duì)模型按照順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和并列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化簡(jiǎn)[10]，將同一主體所涉及的連續(xù)處置過程合并為一個(gè)綜合的變遷，對(duì)于模型中的部分并發(fā)結(jié)構(gòu)化簡(jiǎn)為單個(gè)變遷。通過等價(jià)化簡(jiǎn)，一方面，顯著減少了系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)間性能時(shí)所需的計(jì)算量[11]；另一方面，清晰地揭示了應(yīng)急處置過程中產(chǎn)生分支的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，有效減輕了節(jié)點(diǎn)繁雜的問題，為應(yīng)急處置提供了更為清晰和高效的操作路徑。

在遵循實(shí)際應(yīng)急處置要求的前提下，本文對(duì)上海市地鐵觸網(wǎng)失電故障處置流程進(jìn)行了合理化簡(jiǎn)，以提高模型的可處理性和分析效率：扣車時(shí)，在站列車與區(qū)間列車都需要在站臺(tái)進(jìn)行清客后確認(rèn)弓網(wǎng)情況，可以視為同一個(gè)變遷，因此化簡(jiǎn)為ta；觸網(wǎng)/短電纜任一側(cè)試送成功后，都需要安排列車啟動(dòng)，主要操作流程一致，因此將t5、t6化簡(jiǎn)為tb，t11、t12化簡(jiǎn)為td；觸網(wǎng)試送失敗且短電纜試送已完成時(shí)（p8），需要調(diào)度調(diào)整交路并發(fā)布通知等，是連續(xù)的處置過程，因此化簡(jiǎn)為tc；擬訂線路中斷方案后的操作（t15到t27，p14到p25）僅有順序結(jié)構(gòu)，可化簡(jiǎn)為te。簡(jiǎn)化后的Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

構(gòu)造圖3的關(guān)聯(lián)矩陣A，其行序標(biāo)集為p， 列序標(biāo)集為t，得到

A+=010000000110100000000000001000000000000010000000000100000000000001000000000000010001000000001000000000100000

A－=100000000110011000000000000110000000000001100000000000010000000000010000000000001000000000000100000000000011

A=－1100000001101－1－1000000000001－1－1000000000001－1－1000000001000－100000000010－1000000000001－1001000000001－1000000000000－1－1

由AX=0的齊次方程組，得到T不變量，即

X1=（1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0）T

X2=（1，0，1，0，1，0，1，0，0，0，1，0）T

X3=（1，0，1，0， 1，0，1，0，1，1，0，1）T

其中，1代表觸發(fā)，0代表未觸發(fā)。由上述T不變量構(gòu)成的變遷序列可知，每個(gè)變遷均為活的，即實(shí)例中的處置都有可能發(fā)生，故模型滿足活性[12]。

令牌經(jīng)過的變遷序列為

X1=（ta，tb）T

X2=（ta，t7，t9，td，t29）T

X3=（ta，t7，t9，td，te，t28，t30）T

三種情況的令牌流動(dòng)路徑為：①p1—ta—p6—tb;②p1—ta—p6—t7—p8—t9—p10—td—p28—t29;③p1—ta—p6—t7—p8—t9—p10—td—p28—t30—p13—te—p26—t28。每個(gè)庫(kù)所包含的令牌數(shù)量均小于等于1，即實(shí)例中同一時(shí)刻傳遞的信息無(wú)重復(fù)，故模型滿足有界性和安全性[13]。

以本文中的觸網(wǎng)失電處置流程為例，上述三個(gè)路徑表示：

（1）應(yīng)急響應(yīng)觸發(fā)—在站列車扣車，區(qū)間列車惰行至車站扣車—確認(rèn)弓網(wǎng)狀態(tài)—有任一側(cè)觸網(wǎng)試送成功，安排故障區(qū)段列車逐列啟動(dòng)。

（2）應(yīng)急響應(yīng)觸發(fā)—在站列車扣車，區(qū)間列車惰行至車站扣車—確認(rèn)弓網(wǎng)狀態(tài)—觸網(wǎng)試送不成功，向行調(diào)申請(qǐng)列車落弓，通知COCC—任一側(cè)短電纜試送成功，進(jìn)行第二次觸網(wǎng)試送—第二次觸網(wǎng)試送成功，安排列車啟動(dòng)。

（3）應(yīng)急響應(yīng)觸發(fā)—在站列車扣車，區(qū)間列車惰行至車站扣車—確認(rèn)弓網(wǎng)狀態(tài)—觸網(wǎng)試送不成功，向行調(diào)申請(qǐng)列車落弓，通知COCC—任一側(cè)短電纜試送成功，進(jìn)行第二次觸網(wǎng)試送—第二次觸網(wǎng)試送失敗，執(zhí)行線路中斷方案，進(jìn)行搶修—設(shè)備恢復(fù)正常供電—恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

經(jīng)過與調(diào)度員的確認(rèn)，上述過程均符合實(shí)際處置操作，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的有效性。

3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

使用關(guān)聯(lián)矩陣A對(duì)Petri網(wǎng)的行列關(guān)系進(jìn)行分析[14]，矩陣如下

A=－1100000001101－1－1000000000001－1－1000000000001－1－1000000001000－100000000010－1000000000001－1001000000001－1000000000000－1－1

A矩陣中，第8列存在兩個(gè)-1，即變遷t14存在共同輸入，其觸發(fā)需要多個(gè)令牌，因此這些變遷之間存在依賴關(guān)系，因此將它們合并。在實(shí)例中，當(dāng)?shù)谝淮斡|網(wǎng)試送不成功時(shí)，短電纜試送失敗或短電纜試送成功但觸網(wǎng)二次試送失敗的狀態(tài)是一致的，均表示為p11。此外，變遷p6、p8、p10存在多個(gè)輸出，通過模型化簡(jiǎn)，已減少了p6、p10的第三分支。在實(shí)例中，這減少了列車停站后設(shè)備調(diào)度只需要面臨的選擇。優(yōu)化后的模型如圖4所示。

計(jì)算優(yōu)化后的關(guān)聯(lián)矩陣A如下

A=－1100000001101－1－1000000000001－1－1000000000001－1－1000000001010－1000000000001－1001000000001－1000000001000－1－1

計(jì)算T不變量，如下

X1=（ta，tb）T

X2=（ta，t7，t9，td，t29）T

X3=（ta，t7，tc，t14，te，t28）T

路徑為：①p1—ta—p6—tb；②p1—ta—p6—t7—p8—t9—p10—td—p28—t29；③p1—ta—p6—t7—p8—tc—p11—t14—p13—te—p26—t28。

優(yōu)化后的路徑更加全面，可以在短電纜試送完成后，由運(yùn)營(yíng)調(diào)度員安排故障區(qū)段前后列車進(jìn)行扣車、清客、調(diào)整始發(fā)站發(fā)點(diǎn)、變更交路、終點(diǎn)站收車回庫(kù)、折返線路做備車，并完成后續(xù)操作。同時(shí)，在發(fā)現(xiàn)第二次觸網(wǎng)試送不成功后，設(shè)備調(diào)度對(duì)觸網(wǎng)的處置過程已經(jīng)結(jié)束，后續(xù)需重點(diǎn)關(guān)注施工進(jìn)度。此外，如短電纜試送不成功，列車駛離故障區(qū)間以及觸網(wǎng)二次試送操作無(wú)法進(jìn)行，則直接執(zhí)行中斷方案。因此，在實(shí)際工作中，當(dāng)連續(xù)發(fā)生觸網(wǎng)試送失敗、判斷短電纜未完成試送、短電纜試送又失敗后，應(yīng)直接通過短信續(xù)發(fā)并上報(bào)COCC，同時(shí)完成扣車、擬訂中斷方案等操作，以避免陷入循環(huán)。

基于Petri網(wǎng)模型的計(jì)算分析結(jié)果，可對(duì)觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置流程進(jìn)行以下優(yōu)化：

（1）簡(jiǎn)化次要流程，突出主線預(yù)案。在發(fā)生故障后，運(yùn)營(yíng)調(diào)度員只需要確認(rèn)列車處置是否完成，具體細(xì)節(jié)由當(dāng)班司機(jī)完成并匯報(bào)。設(shè)備調(diào)度在進(jìn)行觸網(wǎng)及短電纜的試送操作時(shí)，若發(fā)現(xiàn)具備行車條件，應(yīng)優(yōu)先考慮安排列車啟動(dòng)，這有利于避免引起乘客恐慌，防止事故擴(kuò)大。

（2）制定資源調(diào)配方案。從第一次觸網(wǎng)試送開始，結(jié)構(gòu)連續(xù)產(chǎn)生分支，意味著在活動(dòng)進(jìn)行時(shí)存在資源競(jìng)爭(zhēng)。在實(shí)際工作中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并合理分配人力和物力資源，確保各崗位的需求得到滿足，同時(shí)避免浪費(fèi)和重復(fù)勞動(dòng)。

（3）改串聯(lián)關(guān)系為并聯(lián)關(guān)系。在執(zhí)行線路中斷方案流程時(shí)，將原順序結(jié)構(gòu)改為并行結(jié)構(gòu)，使發(fā)布信息通知、上報(bào)COCC、現(xiàn)場(chǎng)疏散、臨線疏散等操作同步進(jìn)行，這可以縮短處置時(shí)間，提高效率，盡快恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過引入Petri網(wǎng)模型對(duì)觸網(wǎng)失電應(yīng)急處置流程進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化分析，并通過網(wǎng)絡(luò)特征值的分析與計(jì)算，對(duì)現(xiàn)行的處置流程進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。優(yōu)化后的應(yīng)急處置流程不僅提高了效率，還降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性。此外，本文還對(duì)處置過程中可能出現(xiàn)的資源競(jìng)爭(zhēng)問題進(jìn)行了討論，并提出了相應(yīng)的注意事項(xiàng)和建議，研究成果可以為城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，對(duì)應(yīng)急處置流程的優(yōu)化和改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-08-25

作者簡(jiǎn)介：

申亞雷（1999—），男，研究方向：城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理與安全、人因工程。

王奮（通信作者）（1986—），女，博士，副教授，研究方向：城市軌道交通運(yùn)營(yíng)優(yōu)化、安全風(fēng)險(xiǎn)管理、人因工程。

劉志鋼（1974—），男，博士，教授，研究方向：軌道交通運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化及安全技術(shù)、人因工程。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52072235）。