基于Petri網(wǎng)模型的高鐵6‰下坡道延續(xù)進路防護方法

趙潤文

根據(jù)《鐵路車站計算機聯(lián)鎖技術(shù)條件》（TB/T 3027—2015）［1］規(guī)定：進站信號機開放應(yīng)持續(xù)檢查接車進路及延續(xù)進路上的道岔位置正確并被鎖閉、軌道區(qū)段空閑、敵對信號未開放。

列車的制動距離不僅受速度、減速裝置等因素的影響，也與下行坡度息息相關(guān)。下行坡度越大，列車減速所需制動距離就越長。若接車進路下行坡度過大，可能會導(dǎo)致接車時列車不能及時停車，從而侵入下一個咽喉區(qū)，造成嚴(yán)重的事故［2-3］。因此，延續(xù)進路防護的安全性至關(guān)重要［4-5］。基于Petri網(wǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓蕴卣鳎捎肞etri網(wǎng)模型，對進路內(nèi)軌道區(qū)段的占用權(quán)進行防護，具有很高的安全性［6-7］，可以用于非常站控模式下延續(xù)進路的仿真驗證，為確定運行計劃排列的可行性提供參考［8-9］。

本文以成蘭線某大于6‰下坡道車站為例，根據(jù)車站延續(xù)進路的建立過程，建立對應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，包含6‰下坡道防護模型和延續(xù)進路防護故障診斷模型。6‰下坡道防護模型是從軌道區(qū)段占用權(quán)分配角度進行防護，防止敵對列車進入延續(xù)進路選排區(qū)段；延續(xù)進路防護故障診斷模型是以進路相關(guān)軌道區(qū)段狀態(tài)和敵對進路建立情況為依據(jù)，通過仿真驗證來判斷是否會出現(xiàn)延續(xù)進路防護不當(dāng)?shù)那闆r，并能快速、準(zhǔn)確地定位沖突位置，為延續(xù)進路排列提供參考。

1 示例站

1.1 車站介紹

成蘭線某車站簡化版平面圖見圖1。圖1中，粗線為正線，AG為下行咽喉無岔區(qū)段，BG為上行咽喉無岔區(qū)段。該站為雙線雙向自動閉塞車站，采用硬件安全冗余型的計算機聯(lián)鎖設(shè)備，滿足電氣化鐵路的需要。本站信號設(shè)備均納入集中聯(lián)鎖控制，能實現(xiàn)調(diào)度集中分散自律控制方式和非常站控方式。其上行咽喉進站信號機外方制動距離內(nèi)存在超過6‰下坡道，需在上行方向接車進路末端設(shè)計延續(xù)進路，防止列車溜逸造成危險。

圖1 示例站平面圖

1.2 延續(xù)進路工程設(shè)計

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）》［10］第286條規(guī)定：進站信號機外方制動距離內(nèi)，進站方向為超過6‰的下坡道，而接車線末端無隔開設(shè)備時，禁止辦理相對方向同時接車和同方向同時接發(fā)列車（僅運行動車組列車的區(qū)段除外）。依據(jù)傳統(tǒng)延續(xù)進路的防護方法［11-12］，建立示例站延續(xù)進路聯(lián)鎖表（部分），詳見表1。由表1可知，4條延續(xù)進路均在下行咽喉延續(xù)。

表1 示例站延續(xù)進路下行咽喉聯(lián)鎖表（部分）

以進路號碼SⅡ-1的延續(xù)進路為例，該進路始于出站信號機SⅡ，延續(xù)至XN信號機，進路內(nèi)的軌道區(qū)段為3DG和ⅡAG。傳統(tǒng)的防護方法是設(shè)置敵對信號SⅡD、XN，這些敵對信號可以使本次延續(xù)進路選排后，敵對信號的信號機不能開放，進路內(nèi)的軌道區(qū)段不會被別的進路使用，屬于硬件系統(tǒng)的防護。如因環(huán)境、設(shè)備故障等原因?qū)е聰硨π盘栧e誤顯示，可能會造成列車錯誤進入延續(xù)進路選排的區(qū)段，產(chǎn)生列車相撞風(fēng)險；而且，在非常站控模式下，車站進路選排的安全性也大大降低［13-14］。

2 Petri網(wǎng)模型建立

Petri網(wǎng)建模所需的元素包括庫所（place）、變遷（transition）延時和令牌（token），分別對應(yīng)軌道區(qū)段、列車出清時間和列車。以三要素為基礎(chǔ)，構(gòu)建延續(xù)進路防護模型，仿真列車運行過程，以形式化驗證方法對延續(xù)進路進行安全性驗證。

2.1 Petri網(wǎng)基本原理

2.1.1 基本結(jié)構(gòu)

以示例站下行方向ⅠG接車進路為例，其對應(yīng)模型見圖2。庫所xI被標(biāo)記，表示通過按壓進路始、終端按鈕選排了ⅠG的接車進路，若庫所ⅠAG、ⅠDG、ⅠG同時被標(biāo)記，表示對應(yīng)的軌道區(qū)段處于空閑狀態(tài)，符合列車ⅠG接車進路選排的條件。此時，該模型的初始標(biāo)識為

圖2 下行方向IG接車進路模型

2.1.2 運行規(guī)則

變遷的發(fā)射過程就是令牌動態(tài)運行傳遞的過程，即利用變遷使能來改變庫所中的令牌數(shù)目。當(dāng)且僅當(dāng)全部輸入庫所的標(biāo)識大于等于該庫所相連變遷的弧的權(quán)重時，該變遷才具備發(fā)生權(quán)，此時認(rèn)為該變遷是可以使能的。

由圖2可知，在標(biāo)識M0使能條件下，輸入庫所的標(biāo)識大于等于相連變遷txI弧的權(quán)重，變遷txI使能帶走庫所xI、ⅠAG、ⅠDG、ⅠG中的令牌，同時發(fā)射一個令牌給庫所xI-begin，變遷txI發(fā)射后模型狀態(tài)見圖3，對應(yīng)的新標(biāo)識為

圖3 變遷txI發(fā)射后狀態(tài)

此時，庫所xI-begin被標(biāo)記，表示該進路建立，始端信號機開放，列車可以駛?cè)朐撨M路。

2.2 6‰下坡道防護模型

以Petri網(wǎng)模型的基本結(jié)構(gòu)和運行規(guī)則為基礎(chǔ)，建立示例站對應(yīng)的6‰下坡道防護模型，見圖4（不含虛線框內(nèi)模型）。模型中關(guān)鍵庫所和變遷的含義見表2。

表2 模型中關(guān)鍵庫所/變遷含義

圖4 6‰下坡道延續(xù)進路防護模型

2.2.1 上行方向接車進路及其延續(xù)進路

進路排列是一個資源分配的過程。以ⅠG上行方向的接車進路為例，該進路始于區(qū)段ⅠBG、4DG，到達(dá)股道ⅠG后結(jié)束。由于存在6‰下坡道，在排列進路時需考慮延續(xù)進路，即ⅠG上行方向接車進路選排前，不僅要確保區(qū)段ⅠBG、4DG和股道ⅠG均處于空閑狀態(tài)，還需要確保1DG、ⅠAG空閑。在確認(rèn)區(qū)段都空閑后，完成ⅠG上行方向接車進路選排。

當(dāng)區(qū)段ⅠBG、4DG、1DG、ⅠAG和股道ⅠG的庫所都被令牌標(biāo)記，變遷tsI使能并帶走區(qū)段ⅠBG、4DG、1DG、ⅠAG和股道ⅠG庫所中的令牌，同時發(fā)射一個新的令牌給庫所sI-begin，表示ⅠG上行方向接車進路已排列，列車位于ⅠBG。此時，若有別的進路想要選排并使用ⅠBG、4DG、1DG、ⅠAG和股道ⅠG的庫所資源，是不被允許的，因為其庫所中的令牌不被標(biāo)記，即沒有“發(fā)生權(quán)”，否則可能會導(dǎo)致列車進路沖突。

2.2.2 下行方向接車進路

下行方向接車進路未涉及6‰下坡道，因此不存在延續(xù)進路的問題。同樣以ⅠG下行方向的接車進路為例，只有當(dāng)1DG、ⅠAG和股道ⅠG空閑時，才能選排ⅠG下行方向的接車進路；若1DG、ⅠAG被延續(xù)進路選排使用，使其處于空閑狀態(tài)，也仍然不能被其他進路使用，在模型中表現(xiàn)為其庫所中的令牌被帶走，不能進行ⅠG下行方向的接車進路。

2.3 延續(xù)進路防護故障診斷模型

延續(xù)進路防護故障診斷模型作為故障判據(jù)輸出部分，需要與6‰下坡道防護模型配套使用，詳見圖4（虛線部分），模型中庫所/變遷含義見表3。該模型采用形式化驗證的方法，通過故障庫所標(biāo)記情況輸出危險側(cè)信息，在進路排列計劃實施前進行安全性驗證。通過對可能發(fā)生的故障和災(zāi)難予以警示，可以為進路排列提供參考，尤其是涉及到6‰下坡道防護這一可能忽略的問題。

表3 延續(xù)進路防護故障診斷模型中庫所/變遷含義

以ⅠG上行方向接車進路為例，當(dāng)接車進路選排后，進路內(nèi)的軌道區(qū)段占有權(quán)被剝奪，列車依次出清各區(qū)段時，會順序解鎖ⅠBG、4DG，直到接車進路完成后再解鎖ⅠG、ⅠAG和ⅠDG。但是，無論是設(shè)備故障還是調(diào)度指揮不當(dāng)?shù)仍颍绻胍瑫r建立下行方向3G的接車進路，此時ⅠAG、ⅠDG的占用權(quán)并未被釋放，該模型需對其進行故障報錯。

上述情形與圖4所示模型對應(yīng)，即ⅠG上行方向接車進路開始于庫所sI被標(biāo)記，變遷tsI使能并帶走庫所ⅠBG，4DG、1DG、ⅠAG、ⅠG的令牌，同時發(fā)射一個新的令牌給庫所SI-begin；當(dāng)庫所x3同時被標(biāo)記，表示需排列3G下行方向接車進路，但由于庫所1DG和ⅠAG不被標(biāo)記，此時變遷tx3的使能條件不滿足，導(dǎo)致變遷te5使能，帶走庫所x3的令牌，同時發(fā)射新的令牌給故障庫所pe5；故障庫所pe5被標(biāo)記，表示模型輸出了危險側(cè)的信息，列車存在不安全因素，并能定位故障位置。

3 站內(nèi)列車運行仿真驗證

本文采用預(yù)設(shè)驗證法，給定一個預(yù)設(shè)會出現(xiàn)故障的列車站內(nèi)運行計劃，將其延時對應(yīng)于模型中的變遷；采用Petri網(wǎng)的仿真驗證工具確認(rèn)運行計劃的可行性。如果輸出的故障與預(yù)設(shè)問題一致說明模型可用，具有應(yīng)用價值。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

示例站本次仿真走行的列車共6輛，按照車次號01～06依次命名，站內(nèi)列車運行計劃見表4，ⅠG和ⅡG列車不能停靠。進路排列涉及到的時間因素為進站時間、到達(dá)股道時間和發(fā)車時間。到達(dá)股道時間和發(fā)車時間的差值是停站時間與股道出清時間之和。規(guī)定軌道區(qū)段的出清時間均為30 s，即列車在所有區(qū)段的運行時間均為30 s。

表4 站內(nèi)列車運行計劃

上、下行方向都預(yù)設(shè)了故障點，將有預(yù)設(shè)故障的列車運行計劃輸入到仿真模型中，進行形式化驗證，判斷對應(yīng)的故障庫所是否被標(biāo)記。

3.2 可行性驗證

Petri網(wǎng)模型的變遷具有時間特性，站內(nèi)列車運行計劃經(jīng)轉(zhuǎn)換計算得出變遷延時。以30 s為一個單位時間戳，0：00為時間基準(zhǔn)線，04車是4：00進入車站，時間差值為4 min，即8個單位時間戳。將其添加至列車進站庫所連接的變遷延時中，在模型中準(zhǔn)確體現(xiàn)列車到站時間差。

通過軟件仿真，對已賦予變遷延時的Petri網(wǎng)模型進行驗證，計算網(wǎng)結(jié)構(gòu)中故障庫所標(biāo)記情況Mi=[pe1，pe2，pe3，pe4，pe5，pe6，pe7，pe8]，i∈1，…，n。由于初始狀態(tài)下所有的故障庫所均未標(biāo)記，所以網(wǎng)結(jié)構(gòu)的初始標(biāo)識M0=0，計算的可達(dá)標(biāo)識結(jié)果詳見表5。表5中計算結(jié)果為1，表示對應(yīng)故障庫所被標(biāo)記。通過篩選故障庫所為1的可達(dá)標(biāo)識，即可定位故障位置。

表5 可達(dá)標(biāo)識結(jié)果

由表5可知，故障庫所pe2、pe3被標(biāo)記，即表示給定的站內(nèi)運行計劃存在不安全因素。由表3可知，庫所pe2被標(biāo)記表示03車上行方向ⅠG接車進路不能按計劃進行。經(jīng)核對，03車上行方向接車進路的延續(xù)進路需要選排的軌道區(qū)段ⅠAG、ⅠDG，已被下行方向01車前往3G的接車進路先行選排占用；若強行進行03車上行方向ⅠG接車進路可能會發(fā)生列車沖突，導(dǎo)致列車非安全運行。庫所pe3被標(biāo)記情況同理。

根據(jù)驗證結(jié)果，對列車運行計劃進行調(diào)整，再將修改后的延時通過模型進行驗證，直至運行計劃可行。經(jīng)驗證，安全可行的運行計劃見表6。

表6 可行的列車運行計劃

4 結(jié)論

1）以標(biāo)準(zhǔn)站為例，建立對應(yīng)的6‰下坡道Petri網(wǎng)模型。該模型考慮了延續(xù)進路資源分配問題，通過仿真驗證的方法為驗證延續(xù)進路運行計劃的可行性提供參考。在非常站控模式下，應(yīng)用效果更顯著。

2）將Petri網(wǎng)應(yīng)用于大于6‰下坡道的延續(xù)進路防護，便于提前發(fā)現(xiàn)問題、定位故障點，為延續(xù)進路運行計劃安全性驗證提供了新的思路和方法。該模型是一種針對所有進路的整體防護手段，可為類似車站進路安全防護提供借鑒。