基于自動Petri網的聯鎖邏輯設計*

謝 林 楊 揚

(西南交通大學信息科學與技術學院,611756,成都//第一作者,碩士研究生)

基于自動Petri網的聯鎖邏輯設計*

謝 林 楊 揚

(西南交通大學信息科學與技術學院,611756,成都//第一作者,碩士研究生)

聯鎖軟件的邏輯嚴密性和安全性對于行車有很大的影響。利用自動化Petri網,根據軌道電路、信號機和道岔之間相互制約的關系以及狀態的轉換,分別建立了信號機、道岔和進路模型,并根據列車的運行狀態細化模型從列車壓入進路到出清進路的過程,建立進路解鎖的模型。基于上述分析,設計了一種基于可編程邏輯控制器的聯鎖軟件設計方案,實現對聯鎖的邏輯控制。

軌道交通信號系統; 聯鎖; 邏輯控制; Petri網

Author′s address College of Information Science Technology,South West Jiaotong University,611756,Chengdu,China

計算機聯鎖軟件對軌道交通信號設備進行實時控制[1],以確保行車安全和提高列車運行效率。在車站信號控制系統中,聯鎖設計是確保列車運行安全的最關鍵因素之一。為滿足聯鎖軟件SIL4的要求,在聯鎖設計中減少軟件的邏輯錯誤,提出一種基于自動化Petri網(APN)的聯鎖設計。

Petri網是一種網狀信息流模型,包括條件和事件兩類節點,在條件和事件為節點的有向二分圖基礎上添加表示狀態信息的Token分布,并按引發規則使得事件驅動狀態演變,從而反映系統動態運行過程。 Petri網通過令牌來演化狀態,可以很容易地實現邏輯傳遞[2]。

1 Petri網

Petri網是一個加權雙向有向圖,主要包括位置、變遷、向弧和令牌[3]。

本文中可能用到的自動化Petri網定義有:

P:{p1,p2,…,pn},表示有限位置集合,可用來表示道岔在定位/反位、信號機的狀態等。

T:{t1,t2,…,tn},表示有限個變遷集合,如道岔從定位到反位,信號機從禁止信號到允許信號,進路鎖閉解鎖等。

χ:{χ1,χ2,…,χn},發生變遷的點火條件,如軌道繼電器吸起或者落下。

M0:p→N,表示初始化狀態(其中N為非負整數,表示令牌(Token)個數),如常態下列車信號機為紅燈,道岔在定位,無進路選排等。

Ini:抑制弧,阻止令牌從前一個狀態傳遞到后一個狀態,如列車進入軌道區段時道岔不能動作。

En:使能弧,允許令牌從前一個狀態傳遞到后一個狀態。

如圖1所示,要想傳輸過程t1點火,必須滿足位置p3和位置p1有令牌(調度臺發送的控制命令),位置p4禁止動作,點火條件χ1滿足(沿觸發,采集軌道電路的狀態)。

2 聯鎖系統模型化

車站聯鎖邏輯運算的過程,實質是根據列車的運行狀態,信號機、道岔、區段之間不同狀態的相互轉換。運用Petri網的特性可對聯鎖的整個過程進行建模[5]。本文以圖2所示站場圖來分析聯鎖建模的過程。

圖1 自動Petri網

2.1 道岔建模

道岔用來改變列車的運行方向,有定位和反位2種狀態。道岔平時在解鎖狀態,處于常態(定位/反位),當轉換條件滿足時,根據控制命令動作。假設9號道岔平時處于定位,令牌從初始狀態p91傳到定位狀態p93。如果道岔需要從定位轉換到反位狀態,首先必須滿足3個條件:①9號道岔在解鎖狀態;②9DG必須空閑;③有9號道岔從定位到反位的控制命令。3個條件滿足可以從狀態p93到達狀態p94(道岔需要轉到反位),相當于道岔正在轉換過程。要使9號道岔能轉到反位狀態p95,還必須要求轉換時間小于13 s。圖3為9號道岔模型,表1是對應的狀態使能事件解釋。其中,p表示狀態,e為使能。

表1 9號道岔位置事件解釋

圖3 9號道岔模型

2.2 信號機建模

信號機是列車能否行車的關鍵憑證,因此信號機開放的條件非常苛刻。本文對進站信號機XD進行建模,XD共有白、上黃、紅、綠、黃5個燈位。圖4的模型對各個燈位開放的條件進行了詳細的分析,表2是對應的解釋。例如,XD要從紅燈狀態轉換到綠燈狀態,必須建立了一條由XD經過IG的正線接車進路,對應的軌道區段空閑,道岔位置正確并鎖閉,迎面敵對進路沒有建立且被鎖閉在沒有建立的狀態;信號開放后,只要有一個條件不滿足,立即轉換到紅燈狀態。對于引導接車進路,需人工確認軌道區段空閑,檢查本咽喉道岔位置正確并被鎖閉在規定位置,另一咽喉敵對進路未建立且被鎖在未建立狀態。根據故障狀態,排列引導接車進路有多種操作方法：①當確認是信號機燈絲斷絲而不能正常開放信號時,先按下進路的始終端按鈕,選通進路,然后將進路取消,再按下引導按鈕,開放引導信號;②進路中某段軌道區段故障時,將道岔單獨操作到規定位置,在人工確認進路無車的情況下,按下引導按鈕,開放引導信號。

圖4 信號機XD模型

表2 XD狀態使能事件解釋

2.3 進路建模

進路建模主要分為進路選排、進路鎖閉、信號開放三個過程。按壓始終端按鈕,形成合法的操作命令,實現進路建立過程;鎖閉條件滿足,區段空閑,道岔鎖閉且位置正確;敵對進路沒有建立,且被鎖閉在沒有建立的狀態,進路鎖閉過程滿足。進路鎖閉過程中,應注意區分區段鎖閉和進路鎖閉。區段鎖閉是指軌道區段鎖閉繼電器落下使道岔不能轉換[4]。進路鎖閉指辦理進路后,將進路中的道岔鎖在規定的位置,并使敵對進路不能建立。

列車通過進路以后,利用3點解鎖檢查條件,進入解鎖過程,進路依次解鎖。檢查條件中,由于道岔位置只能排出一條符合要求的進路,所以抵觸進路可不必檢查。例如,D3-IG的調車進路和S3-D3的調車進路是抵觸進路,但由于9號道岔位置不同,確保每次只能建立一條調車進路,因此在建立D3-IG的調車進路時,不必要求檢查信號機S3處于關閉狀態。圖5所示為進路建立到進路解鎖的整個過程,從選排進路、進路鎖閉到列車通過進路后自動解鎖。表3為對應的解釋。圖6為區段3點解鎖模型細化過程,待解鎖區段要解鎖,必須證明前一區段占用后出清狀態,本區段占用后出清狀態,下一區段占用狀態。圖7為整條進路利用3點檢查正常解鎖的過程。

圖5 進路建立到進路解鎖

圖6 區段3點解鎖過程

圖7 進路正常解鎖

表3 解鎖過程位置事件解釋

對于調車進路,當調車轉線作業時往往走不完牽出進路的全程,就根據折返信號機折返了,因此牽出進路的部分區段無法采用3點解鎖方式解鎖。如果建立的牽出進路是一條長調車進路,可能導致牽出進路的全部區段不能按正常方式來解鎖。例如,將2G上的車列轉線到IG去,首先要建立由SII到D7的一條牽出進路,當車列越過反向信號機D5后停車,再建立由D5至SI的折返進路,車列折返,此時11DG可以按正常方式解鎖,但由于車列沒有進入3AG,所以1-7DG無法按正常方式解鎖,必須采用調車中途折返解鎖方式。如圖8所示。表4為調車中途折返解鎖過程位置事件解釋。牽出進路部分區段按調車中途折返解鎖方式解鎖時,必須滿足兩個條件：①應證明牽出進路部分區段解鎖,部分未解鎖;②證明列車已進入折返進路,退出原來的牽出進路。

圖8 調車中途折返解鎖

3 聯鎖邏輯設計

聯鎖軟件APN模型建立好以后,可對其邏輯狀態進行軟件設計。聯鎖邏輯設計一般有兩種方法,一種是定義輸入輸出口來實現令牌邏輯傳送;另一種用單片機來實現,根據模型設計流程圖,編寫軟件進行控制。本文主要介紹PLC (可編程邏輯控制器)設計。

表4 調車中途折返解鎖過程位置事件解釋

定義抑制弧為常閉節點,使能弧為常開節點,9號道岔的梯形圖設計如圖9所示。根據道岔狀態完成對I/O (輸入/輸出)的分配(見表5)。要使道岔從定位轉到反位(10.02→10.04),必須道岔在未鎖閉狀態(0.01為常閉接點)、9DG空閑(0.02為常閉接點)、有反位轉換命令(0.03為常開接點),上述條件滿足后,接點10.03為ON,接通定時器TIM000,定時13 s,13 s內TIM000接點為常閉(OFF狀態),道岔可轉換到反位(10.04),13 s后TIM000為ON,切斷反位電路,復原,道岔轉換到反位。如果在13 s內道岔不能轉換到位,視為故障,通過定時器的觸點切斷道岔轉換電路,道岔不能繼續轉換。

從圖9可以看出,當道岔需要轉換時,可隨時從當前狀態轉換到另一個狀態,因此整個道岔模型是動態的。最重要的一點,從表5列出的輸入輸出口來分析,該模型沒有任何沖突或者危險的狀態輸出,整個邏輯是安全的。

圖9 9號道岔PLC梯形圖

表5 I/O口定義

4 結語

本文利用Petri網的優點,根據軌道交通信號系統聯鎖相互的制約關系,將Petri網控制監督的理論運用到聯鎖建模中,綜合考慮各種狀態下可能出現的故障來作為令牌傳送的抑制條件,結合道岔轉換需要滿足的技術條件和要求,建立了道岔從定位轉到反位,再從反位轉到定位的模型;以5顯示進站信號機XD為例,分析了各個燈位點燈和滅燈的時機以及故障狀態下的處理流程,得出了信號機的狀態轉換模型;隨著列車運行狀態的變化,進路的狀態變化由建立、保持再到解鎖,將進路模型細化到從進路建立到解鎖的過程,著重研究了正常解鎖、調車中途折返解鎖中涉及區段的鎖閉和解鎖的變化過程。基于以上模型,以9號道岔Petri網模型為例,分析了基于PLC的聯鎖邏輯設計方案,來對建好的模型進行邏輯控制。該梯形圖將道岔轉換過程中可能涉及到的錯誤基本考慮在內,有效提高了軟件的可靠性。

[1] 魏臻,周霞,鮑紅,等。基于Petri網的聯鎖軟件安全性測試的研究[J].計算機工程與應用.2005(3):123.

[2] DURMUS M S ,S?YLEMEZ M T.Railway Signalization and Interlocking Design via Automation Petri Nets[C]//Hong Kong:7th ASCC,2009:1558-1559.

[3] BIDHAN Malakar,ROY B K.Railway fail-safe signalization and interlocking design based on automation petri net [C]//ICICES2014.Chennai,Tamil Nadu,India:S.A.Engineering College,2014:1-4.

[4] 楊揚.車站信號控制系統[M].成都:西南交通大學出版社,2012:150-180.

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[6] Emre Dincel,Oytun Eris,Salman Kurtulan.Automata-Based Railway Signaling and Interlocking System Design[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2013,55(4):309-311.

[7] KATO E R R,Morandin O,POLITANO P R,et al.A modular modeling approach for CNC machines control using Petri Nets[J].IEEE International Conference on Systems,2000,5(5):3147-3152.

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Automation Petri Net for Interlocking Logical Design

XIE Lin, YANG Yang

Interlocking rigor and logic of the software has a great impact on traffic safety.With automated Petri net and according to the conversion of mutual restraints between the track circuit signal,switch and the states of transition,models of signal,turnout and route are established respectively.Then,according to a refined model of train running from train pushed approach to the process of clearing approach,an unlock model is established.On this basis, a PLC-based interlocking software is designed to achieve the interlock logic control.

rail transit signal system; interlocking; logic control; Petri net

*中國鐵路總公司科技研究計劃項目(2015X007-5,2015X009-D,2014X008-A)

U231.7;U284.3

10.16037/j.1007-869x.2017.04.024

2015-06-30)