基于Petri網的觸網失電應急處置流程優化方法研究

摘要：在地鐵的日常運營中，快速有效地處理突發故障對于緩解交通壓力和減少事故損失至關重要。針對目前地鐵列車觸網失電應急處置過程中存在的信息管理混亂和風險控制不足的問題，詳細解析應急處置的執行流程和信息流動路徑，并構建Petri網模型，對模型的特征值進行深入分析和計算。分析結果表明，現行處置流程中存在信息發布步驟冗余和試送環節資源競爭等顯著問題。通過對模型中具有共同輸入和多個輸出的變遷結構進行優化，提出合并短電纜試送與觸網二次試送失敗后的交路變更處置等改進措施。實踐證明，經過優化后的流程能顯著提升應急處理的效率，可為地鐵觸網失電的應急處置提供有力的參考和指導。

關鍵詞：觸網失電；Petri網；應急處置；流程優化

0引言

在現代城市公共交通體系中，軌道交通的安全與高效運營對于維護城市交通秩序和保障市民出行安全至關重要。接觸網作為電力系統與列車直連的核心設備，其穩定性直接關系到整個系統的正常運行。然而，觸網失電故障會導致列車運行中斷，給市民帶來極大不便。若故障發生在高峰時段，極易引發乘客擁堵和恐慌，對乘客的生命財產安全構成嚴重威脅[1]。近年來，國內針對接觸網的研究逐漸增多。丁晨[2]闡述了觸網失電場景下的調度運營調整措施；彭章碩等[3]對不同的觸網塌網故障場景進行了分析，制訂了優化的行車方案，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濾波跟蹤算法，有效地提高了觸網磨損測量的準確性和效率。上述研究主要聚焦于觸網狀態的物理監測和對行車安全的影響，而對于故障處置過程中涉及的多部門協同作業和信息傳遞方面的研究相對較少。觸網失電應急處置由調度、維保、乘務、車站等共同參與，專業覆蓋面廣、信息交互紛繁復雜，這種跨部門的聯動對信息傳遞的及時性和準確性提出了極高要求，任何一個環節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。

觸網失電應急處置是一個典型的離散事件問題[5]，不僅涉及事件的發生，還涉及處置狀態的改變和轉換。Petri網作為一種強大的建模工具，能夠有效地描述軌道交通系統中的離散事件，包括列車運行控制、車站旅客管理、設備維護等狀態及其轉換關系。通過Petri網，整個流程可以實現數字化和可視化表達[6]，使得應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化方案，還能提高信息流轉效率[7]，從而對保障地鐵系統的穩定性、提高軌道交通運營的安全性和可靠性具有重要意義。

1觸網失電處置流程

以上海市地鐵為例，觸網失電處置流程可以分為扣車與觸網試送、短電纜試送、線路中斷預案執行、區間疏散與故障搶修及故障處置5個階段，處置流程涉及順序處置、同步處置、判斷選擇等，結構復雜。應急處置流程梳理如圖1所示。

（1）扣車與觸網試送。故障發生后，運營調度員采取扣車措施以確保安全，隨后安排鄰線列車司機檢查失電區段的觸網受電弓情況，確認情況后，安排設備調度員進行第一次觸網試送。試送結果分為三種情況：試送成功、一側試送成功和試送不成功。若試送成功或單側成功，則可在確認運行限制后逐步恢復列車啟動；若第一次觸網試送不成功，則由設備調度員判斷短電纜的情況：若短電纜試送成功，則進行第二次觸網試送；若短電纜一側試送成功，則進行短電纜故障報修，同時也需要進行第二次觸網試送；若短電纜試送失敗，則進行短電纜故障報修，做好因運營中斷而需要的后續準備工作。

（2）短電纜試送。若短電纜試送已經完成，則由地鐵線網指揮中心（COCC）發布紅黃牌通知，維保人員按流程實施搶修作業；若短電纜試送尚未完成，則確認列車落弓后，由設備調度員安排短電纜試送工作。

（3）線路中斷預案執行。觸網失電15min或失電10min后，運營調度員從設備調度員及現場搶修人員處確認故障無法排除，申請啟動并執行接觸網中斷的預案。

（4）區間疏散與故障搶修。運營調度員向相關崗位人員發布疏散命令，設備調度員按規定開啟風機與照明等設施，車站人員做好乘客疏散工作。

（5）故障恢復。在確認行車設備已恢復供電、所有線路恢復條件均已滿足后，運營調度員將安排故障區段內的列車升弓、確認車況、取消單線限制，并通知車站和司機取消單線雙向區段列車運行限制，以恢復正常運行。

結合調度細則，對上述流程進行分析，可以發現以下問題：首先，全過程的節點繁雜，關鍵信息不突出。其次，觸網試送與短電纜試送的環節分支眾多，容易陷入“觸網試送—短電纜試送—觸網試送”的封閉循環狀態，不僅會造成人員和設備資源的不合理配置，還會使流程銜接不順暢，增加安全風險。最后，線路中斷預案執行階段信息傳遞過于依賴運營調度，容易導致操作遺漏和處置時間延長。因此，構建觸網失電處置流程的Petri網模型并開展分析，有助于更清晰地識別流程中的問題，并提出有效的優化策略。

2基于Petri網的應急處置流程建模

2.1Petri網的基本原理

Petri網是一種用于描述和分析系統行為的圖形化建模工具。其核心元素包括庫所（Places，用圓形○表示）、變遷（Transitions，用矩形表示）、令牌（Tokens，用黑色實心點表示），以及有向弧線（Arcs）。通常情況下，庫所表征系統的狀態；變遷表征系統中的事件或活動，以及觸發狀態的改變或動作的執行變化；令牌在庫所中的標記，表示狀態的可用性或資源的可獲取性；有向弧連接庫所和變遷，表示變遷依賴于庫所中的令牌來觸發。每一項業務動作的開始和完成由令牌從一個位置向另一個位置的轉移來實現[8]。

2.2模型要素

一個完整的觸網失電處置流程Petri網模型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）為流關系。

（4）K為庫所的容量函數，對于任意庫所p∈P，未加說明默認為∞。

（5）W為 PN 上的權函數，W（f）為弧的權，規定了令牌傳遞中的加權系數。當權值默認為1時，在圖中不進行額外標注。

（6）M0：P→Z（非負整數集合）是庫所集合上的初始標識（Marking）向量。對于任一庫所p∈P，M0（p）表示標識向量M0中庫所p對應的分量，稱為庫所p上的標識或令牌數目，并且必須滿足M0（p）≤K（p），M0為初始標識向量。

3實例分析

3.1觸網失電處置流程的Petri網建模

根據上海市地鐵觸網失電故障處置流程，本文定義了Petri網的基本參數，以便于對流程進行建模和分析。p1表示應急處置的啟動標記；緊隨其后，流程中的第一步操作是扣車（t1）；針對故障區段內的列車（p2代表故障區段內列車信息），需要由運營調度安排這些列車惰行至下一車站（t2）；而在站臺的列車（p3代表在站列車信息）需要執行開門待命操作（t3）。只有在確保這兩種狀態的列車均處置完畢后，才可以進行觸網試送（t4）。可能發生的情況（p6代表需要根據觸網試送情況判斷后續處置）包括以下三種之一：兩側試送均成功；僅有一側成功；試送不成功。針對不同的情況，分別進行不同的操作，即t5、t6、t7。

按照上述思路，建立從故障開始到處置結束的觸網失電應急處置Petri網模型，如圖2所示。

3.2Petri網性能分析

在處理初始模型時，由于元素數量龐大，直接進行計算和分析存在困難。為了簡化問題，本文首先對模型按照順序結構、分支結構和并列結構進行了結構化簡[10]，將同一主體所涉及的連續處置過程合并為一個綜合的變遷，對于模型中的部分并發結構化簡為單個變遷。通過等價化簡，一方面，顯著減少了系統在計算時間性能時所需的計算量[11]；另一方面，清晰地揭示了應急處置過程中產生分支的關鍵結構，有效減輕了節點繁雜的問題，為應急處置提供了更為清晰和高效的操作路徑。

在遵循實際應急處置要求的前提下，本文對上海市地鐵觸網失電故障處置流程進行了合理化簡，以提高模型的可處理性和分析效率：扣車時，在站列車與區間列車都需要在站臺進行清客后確認弓網情況，可以視為同一個變遷，因此化簡為ta；觸網/短電纜任一側試送成功后，都需要安排列車啟動，主要操作流程一致，因此將t5、t6化簡為tb，t11、t12化簡為td；觸網試送失敗且短電纜試送已完成時（p8），需要調度調整交路并發布通知等，是連續的處置過程，因此化簡為tc；擬訂線路中斷方案后的操作（t15到t27，p14到p25）僅有順序結構，可化簡為te。簡化后的Petri網模型如圖3所示。

構造圖3的關聯矩陣A，其行序標集為p， 列序標集為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，0代表未觸發。由上述T不變量構成的變遷序列可知，每個變遷均為活的，即實例中的處置都有可能發生，故模型滿足活性[12]。

令牌經過的變遷序列為

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。每個庫所包含的令牌數量均小于等于1，即實例中同一時刻傳遞的信息無重復，故模型滿足有界性和安全性[13]。

以本文中的觸網失電處置流程為例，上述三個路徑表示：

（1）應急響應觸發—在站列車扣車，區間列車惰行至車站扣車—確認弓網狀態—有任一側觸網試送成功，安排故障區段列車逐列啟動。

（2）應急響應觸發—在站列車扣車，區間列車惰行至車站扣車—確認弓網狀態—觸網試送不成功，向行調申請列車落弓，通知COCC—任一側短電纜試送成功，進行第二次觸網試送—第二次觸網試送成功，安排列車啟動。

（3）應急響應觸發—在站列車扣車，區間列車惰行至車站扣車—確認弓網狀態—觸網試送不成功，向行調申請列車落弓，通知COCC—任一側短電纜試送成功，進行第二次觸網試送—第二次觸網試送失敗，執行線路中斷方案，進行搶修—設備恢復正常供電—恢復正常運行方式。

經過與調度員的確認，上述過程均符合實際處置操作，進一步驗證了模型的有效性。

3.3結構優化與分析

使用關聯矩陣A對Petri網的行列關系進行分析[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-1，即變遷t14存在共同輸入，其觸發需要多個令牌，因此這些變遷之間存在依賴關系，因此將它們合并。在實例中，當第一次觸網試送不成功時，短電纜試送失敗或短電纜試送成功但觸網二次試送失敗的狀態是一致的，均表示為p11。此外，變遷p6、p8、p10存在多個輸出，通過模型化簡，已減少了p6、p10的第三分支。在實例中，這減少了列車停站后設備調度只需要面臨的選擇。優化后的模型如圖4所示。

計算優化后的關聯矩陣A如下

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

計算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。

優化后的路徑更加全面，可以在短電纜試送完成后，由運營調度員安排故障區段前后列車進行扣車、清客、調整始發站發點、變更交路、終點站收車回庫、折返線路做備車，并完成后續操作。同時，在發現第二次觸網試送不成功后，設備調度對觸網的處置過程已經結束，后續需重點關注施工進度。此外，如短電纜試送不成功，列車駛離故障區間以及觸網二次試送操作無法進行，則直接執行中斷方案。因此，在實際工作中，當連續發生觸網試送失敗、判斷短電纜未完成試送、短電纜試送又失敗后，應直接通過短信續發并上報COCC，同時完成扣車、擬訂中斷方案等操作，以避免陷入循環。

基于Petri網模型的計算分析結果，可對觸網失電應急處置流程進行以下優化：

（1）簡化次要流程，突出主線預案。在發生故障后，運營調度員只需要確認列車處置是否完成，具體細節由當班司機完成并匯報。設備調度在進行觸網及短電纜的試送操作時，若發現具備行車條件，應優先考慮安排列車啟動，這有利于避免引起乘客恐慌，防止事故擴大。

（2）制定資源調配方案。從第一次觸網試送開始，結構連續產生分支，意味著在活動進行時存在資源競爭。在實際工作中，應重點關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，同時避免浪費和重復勞動。

（3）改串聯關系為并聯關系。在執行線路中斷方案流程時，將原順序結構改為并行結構，使發布信息通知、上報COCC、現場疏散、臨線疏散等操作同步進行，這可以縮短處置時間，提高效率，盡快恢復正常運營。

4結語

本文通過引入Petri網模型對觸網失電應急處置流程進行了結構化分析，并通過網絡特征值的分析與計算，對現行的處置流程進行了優化和改進。優化后的應急處置流程不僅提高了效率，還降低了安全風險，提高了軌道交通運營的安全性和可靠性。此外，本文還對處置過程中可能出現的資源競爭問題進行了討論，并提出了相應的注意事項和建議，研究成果可以為城市軌道交通的運營管理提供理論支持和實踐指導，對應急處置流程的優化和改進具有一定的參考價值。

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收稿日期：2024-08-25

作者簡介：

申亞雷（1999—），男，研究方向：城市軌道交通運營管理與安全、人因工程。

王奮（通信作者）（1986—），女，博士，副教授，研究方向：城市軌道交通運營優化、安全風險管理、人因工程。

劉志鋼（1974—），男，博士，教授，研究方向：軌道交通運營管理優化及安全技術、人因工程。

*基金項目：國家自然科學基金項目（52072235）。