基于Petri网模型的高铁6‰下坡道延续进路防护方法.pdf

2023 年 10 月第 59 卷 第 10 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationOctober 2023Vol.59 No.10基于Petri网模型的高铁6下坡道延续进路防护方法赵润文摘 要：针对大于6下坡道高铁车站的延续进路防护问题，以成兰线某车站为例，研究基于Petri网模型的防护方法。以车站平面布置图为依据，建立相应的延续进路防护资源分配约束模型，包含6下坡道防护模型和延续进路防护故障诊断模型。通过6下坡道防护模型对延续进路涉及到的轨道区段占用权进行分配，实现延续进路的安全性防护；延续进路防护故障诊断模型采用形式化验证方法，通过被标记的故障库所对不可行的延续进路排列报错，实现延续进路运行计划的安全性验证。利用Petri网的可达性、有界性、安全性，对车站延续进路可能产生的列车碰撞和冲突进行仿真验证，验证结果可为列车运行计划的排列提供参考。关键词：车站延续进路；安全性防护；Petri网；形式化验证；站内运行计划中图分类号：U283.5 文献标识码：A Protection Method for Successive Route of High-speed Railway 6 Down-slope Based on Petri Net ModelZHAO RunwenAbstract：Aiming at the problem of successive route protection for down-slope greater than 6 in high-speed railway stations,a station of Chengdu-Lanzhou high-speed railway is used as an example to research the protection method based on Petri net model.A corresponding successive route protection resource allocation constraint model is established based on its station layout,including 6 down-slope protection model and successive route protection fault diagnosis model.Through the 6 down-slope protection model,the occupation rights of the track sections are allocated to realize the safety protection of successive route.The fault diagnosis model of successive route protection adopts the method of formal verification,and realizes the safety verification of the train operation plan by reporting errors to the unfeasible successive routes with the marked fault 赵润文：四川蜀道铁路投资集团有限责任公司 高级工程师 610045 成都收稿日期：2022-11-03引用格式：赵润文.基于Petri网模型的高铁6下坡道延续进路防护方法J.铁道通信信号,2023,59(10):29-34.Citation：ZHAO Runwen.Protection Method for Successive Route of High-speed Railway 6 Down-slope Based on Petri Net ModelJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(10):29-34.DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-10.22357扫码浏览下载29铁道通信信号 2023年第59卷第10期place.Using the accessibility,boundedness,and security of Petri nets,the possible train collisions and conflicts of station successive routes are simulated and verified,and the results can be used as a reference for train operation plan arrangements.Key words：Station successive route；Security protection；Petri net；Formal verification；Station operation plan根据铁路车站计算机联锁技术条件（TB/T 30272015）1 规定：进站信号机开放应持续检查接车进路及延续进路上的道岔位置正确并被锁闭、轨道区段空闲、敌对信号未开放。列车的制动距离不仅受速度、减速装置等因素的影响，也与下行坡度息息相关。下行坡度越大，列车减速所需制动距离就越长。若接车进路下行坡度过大，可能会导致接车时列车不能及时停车，从而侵入下一个咽喉区，造成严重的事故2-3。因此，延续进路防护的安全性至关重要4-5。基于Petri网严谨的逻辑性特征，采用Petri网模型，对进路内轨道区段的占用权进行防护，具有很高的安全性6-7，可以用于非常站控模式下延续进路的仿真验证，为确定运行计划排列的可行性提供参考8-9。本文以成兰线某大于6下坡道车站为例，根据车站延续进路的建立过程，建立对应的Petri网模型，包含6下坡道防护模型和延续进路防护故障诊断模型。6下坡道防护模型是从轨道区段占用权分配角度进行防护，防止敌对列车进入延续进路选排区段；延续进路防护故障诊断模型是以进路相关轨道区段状态和敌对进路建立情况为依据，通过仿真验证来判断是否会出现延续进路防护不当的情况，并能快速、准确地定位冲突位置，为延续进路排列提供参考。1示例站1.1车站介绍成兰线某车站简化版平面图见图 1。图 1 中，粗线为正线，AG为下行咽喉无岔区段，BG为上行咽喉无岔区段。该站为双线双向自动闭塞车站，采用硬件安全冗余型的计算机联锁设备，满足电气化铁路的需要。本站信号设备均纳入集中联锁控制，能实现调度集中分散自律控制方式和非常站控方式。其上行咽喉进站信号机外方制动距离内存在超过6下坡道，需在上行方向接车进路末端设计延续进路，防止列车溜逸造成危险。1.2延续进路工程设计根 据 铁 路 技 术 管 理 规 程（高 速 铁 路 部分）10第286条规定：进站信号机外方制动距离内，进站方向为超过6的下坡道，而接车线末端无隔开设备时，禁止办理相对方向同时接车和同方向同时接发列车（仅运行动车组列车的区段除外）。依据传统延续进路的防护方法11-12，建立示例站延续进路联锁表（部分），详见表1。由表1可知，4条延续进路均在下行咽喉延续。以进路号码S-1的延续进路为例，该进路始于出站信号机S，延续至XN信号机，进路内的轨道区段为3DG和AG。传统的防护方法是设置敌对信号SD、XN，这些敌对信号可以使本次延续进路选排后，敌对信号的信号机不能开放，进路内的轨道区段不会被别的进路使用，属于硬件系统的防护。如因环境、设备故障等原因导致敌对信号错误显示，可能会造成列车错误进入延续进路选排的区段，产生列车相撞风险；而且，在非常站控模式下，车站进路选排的安全性也大大降低13-14。2Petri网模型建立Petri网建模所需的元素包括库所（place）、变迁（transition）延时和令牌（token），分别对应轨 AGAG1DG3DG3GGG4G4DG2DGBGBG下行方向上行方向4D4#2#3#S3XXNSS4S1#SD1D3X3XXX4D2SN6图1 示例站平面图30Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 2023道区段、列车出清时间和列车。以三要素为基础，构建延续进路防护模型，仿真列车运行过程，以形式化验证方法对延续进路进行安全性验证。2.1Petri网基本原理2.1.1基本结构以示例站下行方向 G接车进路为例，其对应模型见图2。库所xI被标记，表示通过按压进路始、终端按钮选排了G 的接车进路，若库所AG、DG、G同时被标记，表示对应的轨道区段处于空闲状态，符合列车 G接车进路选排的条件。此时，该模型的初始标识为M0=M0(xI)M0(xI-begin)M0(xIDG)M0(xIG)M0(xI-end)M0(AG)M0(IDG)M0(G)T=1 0 0 0 0 1 1 1T（1）2.1.2运行规则变迁的发射过程就是令牌动态运行传递的过程，即利用变迁使能来改变库所中的令牌数目。当且仅当全部输入库所的标识大于等于该库所相连变迁的弧的权重时，该变迁才具备发生权，此时认为该变迁是可以使能的。由图2可知，在标识M0使能条件下，输入库所的标识大于等于相连变迁txI弧的权重，变迁txI使能带走库所xI、AG、DG、G中的令牌，同时发射一个令牌给库所xI-begin，变迁txI发射后模型状态见图3，对应的新标识为M1=M0(xI)M0(xI-begin)M0(xIDG)M0(xIG)M0(xI-end)M0(AG)M0(DG)M0(G)T=0 1 0 0 0 0 0 0T（2）此时，库所 xI-begin被标记，表示该进路建立，始端信号机开放，列车可以驶入该进路。2.26下坡道防护模型以Petri网模型的基本结构和运行规则为基础，建立示例站对应的 6 下坡道防护模型，见图 4（不含虚线框内模型）。模型中关键库所和变迁的含义见表2。2.2.1上行方向接车进路及其延续进路进路排列是一个资源分配的过程。以 G上行方向的接车进路为例，该进路始于区段BG、4DG，到达股道 G后结束。由于存在6下坡道，在排列进路时需考虑延续进路，即 G上行方向接车进路选排前，不仅要确保区段BG、4DG和股道G均处于空闲状态，还需要确保 1DG、AGttttIxII-beginAGrelease-IAGDG1DGrelease-1DGGIGend-xII-endxxxxx图3 变迁txI发射后状态表2模型中关键库所/变迁含义库所/变迁xixi-beginxi-endPitxitrelease-xi物理含义下行方向股道i的接车进路下行方向股道i的接车进路开始下行方向股道i的接车进路结束股道i空闲下行方向股道i的接车进路开始选排下行方向股道i的接车进路结束选排(其余同理)库所/变迁sjsj-beginsj-endBGtsjtrelease-IBG物理含义上行方向股道j的接车进路上行方向股道j的接车进路开始上行方向股道j的接车进路结束轨道区段BG空闲(其余同理)上行方向股道j的接车进路开始选排列车出清轨道区段BG时间(其余同理)表1 示例站延续进路下行咽喉联锁表（部分）进路号码S-1S-1S3-1S4-1进路至X信号机至XN信号机至X信号机至XN信号机进路方式1111排列进路按下按钮XLAXNLAXLAXNLA道岔进路内道岔13(1)(3)防护带动道岔敌对信号SD,D1,XS D,D3,XNS3D,D1,XS4D,D3,XN轨道区段进路内区段1DG,AG3DG,AG1DG,AG3DG,AG超限区段ttttIxII-beginrelease-IAGAGG1DGDGrelease-1DGIGend-xII-endxxxxx图2 下行方向IG接车进路模型31铁道通信信号 2023年第59卷第10期空闲。在确认区段都空闲后，完成 G上行方向接车进路选排。当区段BG、4DG、1DG、AG 和股道G的库所都被令牌标记，变迁 tsI使能并带走区段BG、4DG、1DG、AG和股道G库所中的令牌，同时发射一个新的令牌给库所sI-begin，表示 G上行方向接车进路已排列，列车位于 BG。此时，若有别的进路想要选排并使用 BG、4DG、1DG、AG和股道G的库所资源，是不被允许的，因为其库所中的令牌不被标记，即没有“发生权”，否则可能会导致列车进路冲突。2.2.2下行方向接车进路下行方向接车进路未涉及 6 下坡道，因此不存在延续进路的问题。同样以G 下行方向的接车进路为例，只有当1DG、AG和股道 G空闲时，才能选排G 下行方向的接车进路；若1DG、AG被延续进路选排使用，使其处于空闲状态，也仍然不能被其他进路使用，在模型中表现为其库所中的令牌被带走，不能进行G 下行方向的接车进路。2.3延续进路防护故障诊断模型延续进路防护故障诊断模型作为故障判据输出部分，需要与6下坡道防护模型配套使用，详见图 4（虚线部分），模型中库所/变迁含义见表 3。该模型采用形式化验证的方法，通过故障库所标记情况输出危险侧信息，在进路排列计划实施前进行安全性验证。通过对可能发生的故障和灾难予以警示，可以为进路排列提供参考，尤其是涉及到6下坡道防护这一可能忽略的问题。以G上行方向接车进路为例，当接车进路选排后，进路内的轨道区段占有权被剥夺，列车依次出清各区段时，会顺序解锁 BG、4DG，直到接车IAGIBGIIAGs3-endtend-s3sI-endtend-sItrelease-4DGtrelease-4DGP3trelease-IBG1DG上行方向接车进路s3-begints3trelease-IBGsI-beginPIIPIpe1te1s34DGsII-endtend-sIItend-s4s4-endtrelease-2DG3DGtrelease-2DGP4trelease-IIBGsII-begintrelease-IIBGs4-begints4tsIpe3te3sIpe2te2sIItsIIIIBG2DGs4te4pe4pe5te53 Ipe7pe6te7te6t 3 II 3-begintrelease-IAGtrelease-IAGtrelease-1DGtrelease-1DGtend-3 3-end I-endt I I-begintend-It II II-begintrelease-IIAGtrelease-3DGtend-II II-end 4te8pe8t 4 4-begintrelease-IIAGtrelease-3DGtend-4 4-end下行方向接车进路xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx图4 6下坡道延续进路防护模型表3延续进路防护故障诊断模型中库所/变迁含义库所pe1pe2pe3pe4pe5pe6pe7pe8物理含义上行方向3G接车进路不能按计划进行上行方向G接车进路不能按计划进行上行方向G接车进路不能按计划进行上行方向4G接车进路不能按计划进行下行方向3G接车进路不能按计划进行下行方向G接车进路不能按计划进行下行方向G接车进路不能按计划进行下行方向4G接车进路不能按计划进行变迁te1te2te3te4te5te6te7te8物理含义上行方向3G接车进路故障诊断上行方向G接车进路故障诊断上行方向G接车进路故障诊断上行方向4G接车进路故障诊断下行方向3G接车进路故障诊断下行方向G接车进路故障诊断下行方向G接车进路故障诊断下行方向4G接车进路故障诊断32Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 2023进路完成后再解锁 G、AG和 DG。但是，无论是设备故障还是调度指挥不当等原因，如果想要同时建立下行方向3G的接车进路，此时 AG、DG的占用权并未被释放，该模型需对其进行故障报错。上述情形与图4所示模型对应，即 G上行方向接车进路开始于库所sI被标记，变迁tsI使能并带走库所BG，4DG、1DG、AG、G 的令牌，同时发射一个新的令牌给库所SI-begin；当库所x3同时被标记，表示需排列3G下行方向接车进路，但由于库所1DG和 AG不被标记，此时变迁tx3的使能条件不满足，导致变迁te5使能，带走库所x3的令牌，同时发射新的令牌给故障库所pe5；故障库所pe5被标记，表示模型输出了危险侧的信息，列车存在不安全因素，并能定位故障位置。3站内列车运行仿真验证本文采用预设验证法，给定一个预设会出现故障的列车站内运行计划，将其延时对应于模型中的变迁；采用Petri网的仿真验证工具确认运行计划的可行性。如果输出的故障与预设问题一致说明模型可用，具有应用价值。3.1数据准备示例站本次仿真走行的列车共6辆，按照车次号0106依次命名，站内列车运行计划见表4，G和G列车不能停靠。进路排列涉及到的时间因素为进站时间、到达股道时间和发车时间。到达股道时间和发车时间的差值是停站时间与股道出清时间之和。规定轨道区段的出清时间均为30 s，即列车在所有区段的运行时间均为30 s。上、下行方向都预设了故障点，将有预设故障的列车运行计划输入到仿真模型中，进行形式化验证，判断对应的故障库所是否被标记。3.2可行性验证Petri网模型的变迁具有时间特性，站内列车运行计划经转换计算得出变迁延时。以 30 s为一个单位时间戳，0：00 为时间基准线，04 车是4：00 进入车站，时间差值为 4 min，即 8 个单位时间戳。将其添加至列车进站库所连接的变迁延时中，在模型中准确体现列车到站时间差。通过软件仿真，对已赋予变迁延时的 Petri网模型进行验证，计算网结构中故障库所标记情况Mi=pe1，pe2，pe3，pe4，pe5，pe6，pe7，pe8，i1，n。由于初始状态下所有的故障库所均未标记，所以网结构的初始标识M0=0，计算的可达标识结果详见表5。表5中计算结果为1，表示对应故障库所被标记。通过筛选故障库所为1的可达标识，即可定位故障位置。由表5可知，故障库所pe2、pe3被标记，即表示给定的站内运行计划存在不安全因素。由表 3 可知，库所pe2被标记表示03车上行方向G接车进路不能按计划进行。经核对，03车上行方向接车进路的延续进路需要选排的轨道区段 AG、DG，已被下行方向01车前往3G的接车进路先行选排占用；若强行进行03车上行方向 G接车进路可能会发生列车冲突，导致列车非安全运行。库所pe3被标记情况同理。根据验证结果，对列车运行计划进行调整，再将修改后的延时通过模型进行验证，直至运行计划可行。经验证，安全可行的运行计划见表6。表4站内列车运行计划方向下行上行车次号010203040506进站时间(分:秒)00:0000:0000:3004:0000:3004:00到达股道3G4GG3GG4G到/发时间(分:秒)01:00/02:3001:00/02:3001:30/01:3005:00/06:3001:30/01:3005:00/06:30表5可达标识结果可达标识M0M39M40M43M40结束值0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0 0表6可行的列车运行计划方向下行上行车次号010203040506进站时间(分:秒)00:0000:0001:3004:0002:0004:00到达股道3G4GG3GG4G到/发时间(分:秒)01:00/02:3001:00/02:3001:30/01:3005:00/06:3003:00/03:0005:00/06:3033铁道通信信号 2023年第59卷第10期4结论1）以标准站为例，建立对应的6下坡道Petri网模型。该模型考虑了延续进路资源分配问题，通过仿真验证的方法为验证延续进路运行计划的可行性提供参考。在非常站控模式下，应用效果更显著。2）将Petri网应用于大于6下坡道的延续进路防护，便于提前发现问题、定位故障点，为延续进路运行计划安全性验证提供了新的思路和方法。该模型是一种针对所有进路的整体防护手段，可为类似车站进路安全防护提供借鉴。参考文献1 国家铁路局.TB/T 30272015 铁路车站计算机联锁技术条件S.北京:中国铁道出版社,2015.2 李永强,陈洪雨,冯振国.智能CTC系统中延续进路的选用分析J.铁道通信信号,2022,58(12):9-12.LI Yongqiang,CHEN Hongyu,FENG Zhenguo.Analysis on the Selection of Successive Route in Intelligent CTC SystemJ.Railway Signalling&Communication,2022,58(12):9-12.3 戴明福.基于虚拟信号的跨场延续进路应用J.铁道通信信号,2022,58(7):48-52.DAI Mingfu.Application of Cross-yard Successive Approach Based on Virtual SignalJ.Railway Signalling&Communication,2022,58(7):48-52.4 郑子涛.高速铁路安全线及延续进路设置问题的探讨J.铁道运输与经济,2014,36(1):14-17.ZHENG Zitao.Discussion on Problems Existing in Setting up of Safety Siding and Successive Route of High-speed RailwaysJ.Railway Transport and Economy,2014,36(1):14-17.5 王强.高速铁路延续进路的设计分析J.中国铁路,2011(9):6-8.WANG Qiang.Analysis on Design of Extra Routing on High Speed RailwayJ.China Railway,2011(9):6-8.6 徐鑫.铁道信号系统安全性能及安全管理问题研究J.交通世界,2022(Z1):225-227.7 巴宝莲，李珊珊，王雅孝，等.基于Petri网的车站计算机联锁系统建模与仿真 J.中国标准化，2020（5）：194-199.BA Baolian，LI Shanshan，WANG Yaxiao，et al.Modeling and Simulation of Station Computer Interlocking System Based on Petri NetJ.China Standardization，2020（5）：194-199.8 薛丰,杨扬,谢林.基于UML建模的计算机联锁进路模块Petri网验证J.铁路计算机应用,2017,26(4):10-14.XUE Feng,YANG Yang,XIE 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