基于Petri 網的平交道口信號設備故障診斷方法

朱 明

（中鐵二院工程集團有限責任公司 通信信號設計研究院，成都 610031）

平交道口是鐵路和公路的交匯點，一旦發生交通事故，不僅影響整個交通運營效率，還會引起嚴重的人員傷亡，因此，平交道口的安全性對軌道交通和公路交通至關重要。

完善的安全防護措施，既能保證行人和車輛可以預先避讓列車，又能加強對道口的監護，有效地避免交通事故的發生[1]。文獻[2]研制了一款鐵路平交道口預警和管理設備，該設備能夠提高平交道口的管理效率，降低平交道口發生事故的概率；文獻[3]在鐵路平交道口設置雙向智能報警系統，有效減少了平交道口交通事故的數量和交通擁堵的頻次；文獻[4]研究并建立了平交道口安全評價體系；文獻[5]提出的多參數道口作業流程更符合實際情況，改進了多列車接車流程，并提出了接車過程中異常情況下的應對方案；文獻[6]通過計算機聯鎖系統驅動相應報警繼電器，結合DX3 型道口信號設備，實現道口的自動報警，再通過延時開放信號顯示的方法確保通過道口的列車、汽車、行人的安全；文獻 [7]利用自主設計的AV-FMS 計算機視覺系統實現對鐵路平交道口的安全監測；文獻[8]采用基于模型的方法對平交道口進行建模，基于模型檢驗的方法分析平交道口的安全性，驗證了有色Petri 網用于平交道口安全性分析的可行性。

本文在分析和研究前人所做工作的基礎上，研究基于Petri 網的平交道口信號設備故障診斷方法。

1 平交道口信號設備及其工作原理

平交道口設置于鐵路與公路在同一平面交匯的地方。其適用于道路通行量低或立交無法設置的位置。

1.1 平交道口信號設備組成

道口信號設備包括公路側信號設備和鐵路側信號設備。公路側信號設備由自動欄木、道口音響和道口信號機等組成。

鐵路側信號設備由遮斷信號機、聯鎖單元、傳感器和控制器等組成，典型的平交道口如圖1 所示。圖1 中，傳感區域是傳感器能檢測出列車接近、通過及出清狀態的區域；控制器接受傳感器指令，對被控單元進行控制。被控單元包括自動欄木、道口音響和信號機（道口信號機和遮斷信號機）。

1.2 平交道口信號設備工作原理

列車接近道口時，傳感器檢測到其狀態并將接近信息發送給控制器。控制器對信息進行處理，并生成控制指令，控制自動欄木落下、道口信號機顯示禁止通過信號、道口音響鳴響。

此時，傳感器實時檢測列車通過狀態信息并向控制器發送。當列車完全出清平交道口區域時，控制器接收到列車完全離開信息，生成控制信號，控制自動欄木升起、道口音響靜音、道口信號機顯示允許通過信號、遮斷信號機顯示紅燈。

2 Petri 網簡介

2.1 Petri 網定義

Petri 網從形式上是一種描述分布式系統的模型，在描述系統結構的同時也能模擬系統的狀態。在Petri 網中，描述系統結構的部分稱之為網。網由庫所、變遷和弧組成，弧是帶有方向的有向弧，庫所和變遷依靠有向弧連接，有向弧上帶有權值，托肯表示圖中的狀態信息。在Petri 網模型的圖像表達中，庫所用圖形圓表示，變遷用細長的矩形表示，托肯用小黑點表示，庫所中可以有若干托肯，當托肯數量較大時可用數字替代小黑點。基本定義如下。

Petri 網是一個四元組，用N=(P,T;Pre,Post)表示，其中：

P表示有限庫所（Place）的合集，P={p1,p2,···,pm}；

T表示有限變遷（Transition）的合集，T={t1,t2,···,tn}。

庫所集和變遷集必須滿足如下關系：

Pre表 示Petri 網的前置關聯矩陣，Pre∈(P×T)，物理含義是從庫所到變遷的有向弧的權重；

Post表 示Petri 網的后置關聯矩陣，Post∈(T×P)，物理含義是從變遷到庫所的有向弧的權重。

2.2 Petri 網基本模型

Petri 網的基本模型有順序模型、選擇模型和并發模型等。本文通過這些模型來描述平交道口信號設備的控制過程。

（1） 順序模型

當給定初始標識時，只有在事件e1觸發后，事件e2才 能發生，事件e3也 只能在e2觸發之后發生。順序模型如圖2 所示。

圖2 Petri 網順序模型

（2）選擇模型

模擬事件之間的選擇情形。給定托肯，事件e1，e2和e3都是使能的，但是，如果這些事件中的任意一個發生，那么其他事件就是禁用的，也可以說這些事件是相互沖突的。選擇模型如圖3 所示。

圖3 Petri 網選擇模型

（3）并發模型

在唯一給定托肯的變遷觸發后，在最初的標識中，所有事件e1，e2和e3是獨立觸發并且可以按任何順序發生，甚至可以同時發生。并發模型如圖4 所示。

圖4 Petri 網的并發模型

3 平交道口信號設備 Petri 網模型

從離散事件系統的角度來看，平交道口的運行是列車和車輛在確保安全運行條件下有序利用平交道口資源的過程，這一過程中有大量的并發和并行事件發生，事件與事件之間存在著沖突和資源競爭等現象，平交道口的控制是對平交道口處這些大量并行、并發事件控制策略的智能處理。

本文針對平交道口3 種主要信號設備，即傳感器、控制器設備和被控單元的控制邏輯及控制過程，以Petri 網為工具，分別建立它們對應功能的Petri 網模型，完成對平交道口信號設備的智能控制。

3.1 傳感器Petri 網模型

傳感器Petri 網模型如圖5 所示。在本模型中，傳感器檢測到的狀態變化一次，變遷的使能就發射一次。庫所pf表示平交道口的路權；庫所ps1被標記，表示列車在平交道口區域外；當庫所ps1和pf同時被標記時，變遷tap的 使能發射并帶走庫所ps1和pf中的托肯，同時，發送一個新的托肯給庫所ps2； 庫所ps2被標記，表示列車在平交道口區域內且正在接近道口危險區域，此時平交道口的路權賦予給該列列車，庫所pf不被標記，不能賦予路權給下一列車及公路上的行人和汽車等。同理，當庫所ps2被 標記，變遷ten的使能發射并帶走庫所ps2中的托肯，發送一個新的托肯給庫所ps3，表示列車進入平交道口危險區域；庫所ps3被 標記，變遷tlv的 使能發射并帶走庫所ps3中的托肯，同時，發送新的托肯給庫所ps4和pf，表示列車離開平交道口危險區域，平交道口重新獲得路權，允許下一列列車使用該平交道口。

圖5 傳感器Petri 網模型

3.2 控制器Petri 網模型

平交道口控制器Petri 網模型如圖6 所示。

圖6 控制器Petri 網模型

本模型網結構需要結合圖5 傳感器Petri 網模型進行說明。當列車進入平交道口區域，即庫所ps2被標記，傳感器檢測到列車狀態信息，將其發送給控制器，通過變遷tap使能發送一個托肯給庫所ps5；控制器分析該信息，計算并生成控制命令，將其發送到被控單元，表示在網結構中變遷tcl使能發送托肯給庫所ps7和ps9。 需要說明的是，庫所ps6表示被控單元處于空閑狀態，只有當傳感器檢測到列車進入道口區域且被控單元處于空閑狀態時，控制器才能改變被控單元的狀態，即變遷tcl的使能發射；庫所ps7被標記，表示列車在平交道口中。

當列車離開平交道口區域時，傳感器檢測到列車位置變化信息，通過變遷tlv使能發送一個托肯給庫所ps8， 表示這一信息發送到控制器；當庫所ps6和ps8同時被標記時，變遷top使 能發射托肯到庫所ps10中，表示被控單元的自動欄木升起、道口音響靜音和道口信號機顯示允許通行信號的條件滿足。

3.3 被控單元Petri 網模型

被控單元主要指自動欄木、道口音響和信號機，被控單元Petri 網模型如圖7 所示，其中，變遷tdn和tup的使能發射分別表示被控單元的自動欄木向下和向上、道口音響鳴響和靜音、道口信號機顯示禁止通行和允許通行燈光，以及遮斷信號機不顯示和顯示紅燈。由于被控單元的這3 種設備是并發狀態，故采用同一模型表示。本文不考慮自動欄木升起/落下等過程的時延，默認被控單元動作的瞬時性。只有在滿足關閉和開放的條件時，被控部件才能動作，阻止和允許車輛和行人通過。庫所ps11被標記表示被控單元已完成狀態變化，即自動欄木落下、道口音響鳴響、道口信號機顯示禁止信號、遮斷信號機無顯示，此時允許列車進入危險區域。

圖7 被控單元Petri 網模型

4 平交道口信號設備故障診斷

4.1 鐵路平交道口整體建模

根據上述3 個主要信號設備Petri 網模型的內在邏輯關系，將它們整合成一個具有故障診斷功能的平交道口信號設備Petri 網模型，如圖8所示。

圖8 具有故障診斷功能的平交道口信號設備Petri 網模型

該模型反映平交道口信號設備的控制邏輯。當列車通過未被前車占用路權的道口（庫所pf被標記）時，會先占據該道口的路權，并通過傳感器發送一個指令給控制器（變遷tap使能發送一個托肯給庫所ps5）；控制器接收到命令后進行分析、計算，生成控制命令發送給被控單元（變遷tap使能發送托肯給庫所ps7和ps9）；當被控單元接收到控制命令后，進行相應的動作（變遷tdn使能發射托肯給庫所ps13和ps11），此時，列車可以安全通過。

在圖8 中，用紅色變遷示意故障設備，完成故障診斷功能。例如，紅色變遷te1使能發射，表示傳感器故障，導致列車在自動欄木放下之前就進入平交道口區域；紅色變遷te2使能發射，表示被控單元發生故障，導致自動欄木錯誤抬升、道口音響錯誤靜音、道口信號機錯誤表示。故障庫所pe1和pe2用陰影示意，其被標記的含義分別為列車因傳感器故障錯誤進入道口危險區域和因被控單元錯誤動作而導致列車、行人、汽車等進入危險區。

4.2 平交道口信號設備Petri 網模型可達圖

本文采用仿真軟件TINA 實現平交道口信號設備Petri 網模型可達圖，通過可達圖遍歷列車在道口運行過程中可能出現的情況。圖8 的可達標識M中涉及16 個庫所，為

網結構的初始標識值M0為

生成的部分可達圖如圖9 所示，用灰色部分表示出現故障的可達狀態。青色部分表示列車安全通過過程。由于故障庫所pe1和pe2被標記后，表示已經有故障出現，網結構的繼續運行失去了意義。故當可達狀態中出現故障庫所pe1或pe2的值為1 時，網結構之后的可達狀態不再示意。表1 是基于圖8 生成的部分平交道口信號設備Petri 網可達標識。

表1 基于圖8 生成的部分平交道口信號設備Petri 網可達標識

圖9 平交道口模型的部分可達圖

通過本模型可以實現平交道口的列車接近—進入—離開全過程離散事件系統形式化驗證，對過程中可能出現的問題進行實時診斷。以可達標識M11為例，它的運行過程為列車獲得平交道口的路權，但還未進入危險區域，傳感器發送指令給控制器，控制器控制被控單元；由于被控單元錯誤動作，導致道路側行人和車輛進入危險區，表現在網結構上，變遷te2使 能發射一個托肯給庫所pe2，在可達圖上的過程為M0→M3→M11。同理可得其他含有故障庫所的可達狀態。利用本模型可實現對所有故障的診斷和反饋，提升了平交道口的安全性。

5 結束語

本文引入離散事件的理論，研究平交道口信號設備故障診斷方法。針對平交道口主要信號設備的內部機理，分別建立起對應的Petri 網模型，按照邏輯關系，將它們整合成一個具有故障診斷功能的平交道口信號設備模型。該模型能診斷傳感器和受控單元的故障，當這些設備發生錯誤動作時進行報警，從而提高平交道口的安全性。下一步的工作是進一步改進該故障診斷方法并將其應用到實際道口中。