基于Petri網的崇憑鐵路車站聯鎖進路建模與仿真

王陸睎

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

車站聯鎖系統是鐵路信號系統的重要組成部分，它反映了信號設備間的相互制約和集中控制。進路是列車或者調車車列在站內走行的路徑，當進路被一個車列聲明后，它將進入鎖閉狀態，不會被別的車列占用直到車列出清相關軌道區段。本文的Petri 網模型中將站內每個軌道區段視為一種資源，聲明的進路會帶走其涉及軌道區段的占有權，當列車出清相關軌道區段后，占有權才會被重新歸還給相應的軌道區段（即可以被其他進路聲明使用）。

崇左至憑祥鐵路位于廣西壯族自治區的西南部，為在建南寧至崇左鐵路的延伸，是南寧至憑祥鐵路的一部分。新建線路東起崇左市的崇左南站，終到憑祥市的憑祥東站，線路長81.482 km，設計速度250 km／h。本文以崇左南站作為示例車站，構建相應的計算模型，輸入站內調度計劃為模型中對應變遷的延時，使用Petri 網仿真軟件計算其可達圖并進行站內調度計劃的安全性和可行性分析。本文針對示例站建立的模型可應用于所有該車站的站內調度計劃的仿真驗證，研究成果可為車站聯鎖進路安全性驗證提供思路和方法。

1 崇憑鐵路示例站介紹

崇左南站是南寧到崇左城際鐵路的終點，同時也是崇左到憑祥鐵路的起點。該線路是廣西境內的大動脈，建成后可極大的方便人們的出行。崇左南站是一個綜合交通樞紐，考慮到本文只研究車站內聯鎖進路控制的問題，因此對該站站形進行了一定的簡化，主要包括：（1）去除了綜合工區；（2）股道5G1 和5G2合并成一個股道5G；（3）一個股道只能同時被一列車占用；（4）不考慮反向接車進路。崇左南站軌道劃分示意如圖1所示。

圖1 崇左南站平面圖

崇左南站是雙線雙向自動閉塞的車站，該站有8 個股道，包括下行方向3 個股道和上行方向5 個股道，IG 和IIG 分別為雙線區段下、上行方向的正線股道。道岔有定位和反位兩種狀態，道岔狀態與進路的路徑有關，對IG 的接車進路來說，道岔區段1DG、7DG、13DG 中的道岔均為定位狀態。

本線路的列車設計速度250 km／h，道岔為18 號道岔。為簡化計算過程，考慮反應時間等其余無關時間，本文擬定列車在道岔定位時按照54 km／h 的固定速度運行，在道岔反位時按照27 km／h 的固定速度運行。列車在站內同一道岔區段的定反位出清時間不同，站內軌道區段的長度如表1所示。

表1 崇左南站站內軌道區段長度及出清時間表

2 Petri 網在本文的應用

Petri 網主要針對離散事件系統進行建模，是形式化建模常用的工具，以事件作為推動來反映實際運行過程。鐵路領域有很多Petri 網的應用，主要包括：使用Petri 網建立車間作業流程模型［1］，編程實現了作業車間系統的建模與調度平臺，利用該模型可簡單快速的實現修改，從而為作業車間系統調度提供便利；文獻［2］建立的模型克服了Petri 網在系統描述上的不足，本文參考了其中將Petri 網模型、路網數據、運行圖分離的方法，使系統具有良好的普適性和廣泛的應用；采用Petri 網系統建模方法以及基于此模型預測的列車運行調整算法研究了列車運行計劃相關問題［3］；王詩慧提出一種擴展的模糊Petri 網，為托肯賦予時間特征，并利用Petri 網結構建模嚴謹、仿真性能好的特點，研究了在列車準時性優先的情況下如何避免列車發生沖突等問題［4］；文獻［5］介紹了一種可應用于鐵路系統安全性形式化建模的方法，并用鐵路信號領域一個簡單示例說明；將Petri 網這一形式化建模工具用于驗證軌道拓撲和列車運行條件，并建立了一個鐵路信號系統驗證來保證信號系統的可靠性和安全性［6］；采用Petri 網形式化驗證方法對車站內部調度進行了故障定位［7］；針對計算機聯鎖系統的安全性提出了系統性分析方案及故障處理方法［8-9］。

基于以上研究，本文的時延Petri 網模型將延時賦予變遷，每個變遷的延時對應于列車出清區段的時間，Petri 網的庫所、變遷延時和托肯在本文中分別對應于軌道區段、列車出清對應軌道區段的時間和列車，通過這三要素把列車在站內按計劃調度運行的過程動態仿真，進而進行形式化驗證。

2.1 排列進路模型

崇左南站IG 平面如圖2所示，基于圖2所建立的站內調度綜合模型如圖3所示。IG 接車進路在模型中開始的庫所為XI1，當道岔區段1DG、7DG、13DG所對應的庫所S1、S7和S13均被標記時，變遷tI1使能并帶走庫所XI1、S1、S7和S13的托肯，同時發射一個托肯給庫所XI1-begin，表示IG 接車進路開始，相關資源的占有權都被IG 接車進路占據。變遷trelease-S1的延時表示列車出清1DG區段的時間，當延時耗盡，變遷trelease-S1發射一個托肯給庫所p1 同時帶走庫所XI1-begin

圖2 崇左南站IG 平面圖

圖3 基于圖2所建立的站內調度綜合模型圖

的托肯并返還一個托肯給庫所S1，表示道岔區段S1解鎖并可被別的進路使用，庫所S7和S13同理。當變遷trelease-S13延時耗盡時，它使能發射帶走庫所p2的托肯同時返還一個托肯給庫所S13，至此IG 的接車進路結束，此時庫所S1、S7和S13均被標記，可以被下行方向其它接車進路聲明占用。當列車在IG 停靠時間結束后，即模型中變遷trelease-P1使能發射后，此時庫所XI2被標記，如果庫所S2和S10被標記，即道岔區段10DG 和2DG 處于解鎖狀態，發車進路可以被聲明，后續過程同理。

2.2 故障診斷模型

故障報警系統是對可能發生的故障和風險進行警報，對進路來說，按照計劃進行時故障報警系統不會涉及，一旦進路不能按照計劃進行，必要的報警系統就十分必要。故障報警系統可在列車站內調度計劃實施之前對可能的危險進行防護。以IG 發車進路為例，當列車想要進行發車進路時，首先要檢查相關的軌道區段是否空閑，如果10DG 和2DG 同時處于解鎖狀態，發車進路聲明后10DG 和2DG 的占有權被剝奪，最后順序占用出清解鎖相關軌道區段直到出站后，發車進路才可以繼續聲明。但是，如果列車按照計劃需要建立發車進路，但此時2DG 的占用權被拿走，不論是故障原因還是調度計劃排列不當的原因，發車進路都不能按照原計劃進行，本文的模型需要對其進行故障報錯。

故障診斷模型如圖3模型的虛線部分所示，它不是獨立存在的模型，需要與其它模型配套使用。對于前文中說的IG 發車進路，它開始于庫所XI2被標記，此時如果庫所S2和S10均被標記，變遷tI2使能并帶走庫所XI2、S2和S10的托肯，同時發射一個托肯給庫所XI2-begin，表示發車進路開始；如果S2和S10沒有同時被標記，變遷tI2的使能條件不滿足，此時變遷te2使能帶走庫所XI2的托肯的同時發射一個托肯給故障庫所Pe2，故障報警，并根據故障庫Pe2所被標記的含義定位出問題所tI2在，同時針對其問題進行修改。需要說明的是，變遷te2和tI2雖然延時相同，但變遷te2具有較低的發射優先級，即兩者同時使能時變遷tI2發射，本文其余部分同理。

3 崇左南站綜合模型建立

崇左南站的站內調度計劃可行性驗證綜合模型主要由前文中故障診斷模型和排列進路模型兩部分組成，按照上、下行運行方向分別建立，下行方向一共有6 條進路，上行方向有8 條進路，每條進路有對應的故障檢測模塊，便于定位出現問題的部分。

3.1 下行方向綜合模型

下行方向站內調度計劃可行性驗證的綜合模型如圖4所示，每條進路以股道作為分割點將進路分為2 個小進路。以3G 的進路為例，它的2 個進路分別為接車進路和發車進路，接車進路涉及的軌道區段依次為1DG 定位、7DG 定位、13DG 反位、17DG 定位和3G。發車進路涉及到3G、12DG 定位、10DG 反位和2DG 定位。圖中關鍵庫所被標記和變遷的含義如表2和表3所示，需要說明的是，庫所的物理含義指的是其被標記時的物理含義，變遷是其延時長度的物理含義。

表2 模型中關鍵庫所／變遷含義表

表3 模型中故障診斷部分庫所／變遷含義表

圖4 崇左南站下行方向站內調度綜合模型圖

在后續進行實際站內調度計劃仿真模擬時，如果故障診斷模塊的庫所被標記，可根據其對應的物理含義精確定位故障所在，并針對故障部分進行修改。

3.2 上行方向綜合模型

上行方向站內調度計劃可行性驗證的綜合模型如圖5所示，上行方向涉及的進路有8 條4 個股道，建模與分析方法與下行方向完全一致。

圖5 崇左南站上行方向站內調度綜合模型圖

3.3 模型的創新點和使用

本文采用的Petri 網建立的模型主要有3 個創新點。第一個創新點是普適性，崇左南站的站形已經固定，本文建立的模型以此站形為依據，可以實際仿真模擬出列車在站內走行的過程。建立的模型適用于所有與本站相關的列車運行計劃，如果后期站形發生變化，只需對模型進行修改即可。第二個創新點是直觀的形式化驗證，對于給定的列車運行計劃，使用仿真軟件仿真計算可以得出故障庫所的標記情況，通過觀察故障庫所的標記得出運行計劃的可行性，并能對不可行的計劃指出問題所在，具有簡單直觀的特點。第三個特點是通用性，本文建立崇左南站的方法一樣可以應用于別的車站，不管是高速鐵路還是普速車站。同時，本文的方法可以推廣到區間，后續可以形成一整條線路的整體列車運行計劃仿真驗證。

4 站內調度計劃的仿真驗證

對模型進行實際運行計劃的仿真驗證是驗證模型可用性的關鍵一步，給定預設會出現故障的站內調度計劃如表4所示，將其時間因素對應于模型中的變遷延時，采用Petri 網的仿真驗證工具TINA 對其進行仿真驗證，如果出現故障所在與預設問題一致說明模型可行，具有良好的應用價值。

表4 站內列車調度計劃表

4.1 數據準備

給定的站內列車調度計劃一共涉及7 輛列車，其中下行方向3 列（分別為列車01、02 和03），上行方向4 列（分別為04、05、06 和07 車）。停站時間與股道出清時間累加，比如IG 和IIG 列車不能停靠，到發時間之差為列車出清股道的時間40 s，其3G 到發時間之差為2 min 40 s，除去列車出清股道時間的停站時間為2 min。本文在上、下行方向都預設了故障部分，利用模型仿真驗證給定的站內調度計劃，是否有對應部分的故障庫所被標記。

4.2 站內調度計劃可行性驗證

在將列車運行計劃轉換為模型中各個變遷的延時，采用10 s 為1 個單位時間，則列車出清股道的變遷延時為40／10=4 個單位時間，出清1DG 的時間為2 個單位時間，同理，可計算出別的軌道出清時間所對應的變遷延時。

將02 車和04 車的進站時間作為時間基準線，其余列車進站時間與時間基準線的差值先按照單位時間計算方法得出數值，并添加到代表列車進站庫所，所連接的變遷延時中，使得出發時間的差值得以體現在模型中。

將各軌道區段的出清時間與相應的變遷延時一一對應，賦予圖4和圖5的模型中，網結構的故障庫所初始標識，由于初始狀態下所有的故障庫所都沒有被標記，所以。至此模型就可以進行仿真驗證。使用時延Petri 網的仿真軟件TINA，計算模型中可達標識圖，只觀察其中的故障庫所，選出其中不為0 的可達標識。

通過觀察可達標識的計算結果，觀察在各個可達標識下故障庫所不為0，標識如表5所示。

表5 計算的可達標識結果表

4.3 結果分析

由表5的可達標識計算結果可知，故障庫所和被標記。給定的站內調度計劃不可行。根據表3中各故障庫所被標記的含義可定位問題的所在為3G 和4G 的發車進路不能按計劃進行，需對相應的運行計劃進行調整。調整后的列車運行計劃如表6所示，主要調整了02 車和05 車發車進路的時間，并將修改后的延時一一賦予模型中進行驗證，結果表明修改后的運行計劃可行。

表6 修改后可行的站內列車調度計劃表

5 結束語

本文將Petri 網技術應用于新建的崇憑高速鐵路上，創新性地將站內聯鎖進路進行Petri 網建模及仿真驗證，建立的Petri 網模型不僅可以對崇左南站站內所有的調度計劃進行可行性驗證，還可以為別的車站提供借鑒。此外，通過對崇左南站模型進行仿真驗證，可計算出站內調度計劃的可行性，如果不可行也會對出現問題的部分進行定位并解決。將本文的方法擴展到區間建模，就可以完成一整條線上的列車運行過程建模，進而為整條線的列車運行計劃安全性提供驗證和保障。