基于Petri网的车站预叠加发码建模与仿真

摘  要：普速铁路站内轨道电路预叠加ZPW-2000电码化技术成为既有线车站改造或新建车站施工采用的主流技术，为普速铁路实现多次提速提供了有效的技术保障和安全屏障。文章通过离散事件系统建模工具Petri网对站内预叠加电码化进行建模与仿真，仿真模拟列车在站内走行过程中预叠加发码过程，实现对电码化安全性的提升。

关键词：电码化；Petri网；预叠加发码；故障—安全原则

中图分类号：U273.4；TP391.9  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）01-0084-03

Modeling and Simulation of Station Pre-stacking Sending Code Based on Petri Net

WANG Luxi

（China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu  610031， China）

Abstract： The pre-stacking ZPW-2000 coding technology of track circuit in the ordinary speed railway station has become the mainstream technology used in the reconstruction of existing railway stations or the construction of new stations， providing effective technical guarantee and safety barrier for the ordinary speed railway to achieve multiple speed increases. In this paper， the modeling and simulation of pre-stacking coding in the station is carried out by using Petri net， a discrete event system modeling tool， to simulate the pre-stacking sending coding process of the train during running in the station， so as to improve the security of coding.

Keywords： coding; Petri net; pre-stacking sending code; fail-safety principle

0  引  言

近年来我国铁路建设成果显著，列车的准时性、舒适性、安全性得到大家的肯定，极大地改善人们的出行方式，信号专业作为列车运行的重要保障，在技术上也快速发展。普速铁路站内轨道电路预叠加ZPW-2000电码化技术为既有线车站改造或新建车站施工的主流技术，为普速铁路实现多次提速提供了有效的技术保障和安全屏障[1]。文献[2]通过分析一个实际车站动车所在电码化实施过程中遇到的问题，提出股道分割情况下预叠加电码化的不同需求，根据原理设计提出几种预发码改进功能的方案，方案的提出可有效减少列车因运行速度过快接收不到码的情况，提升了列车运行速度和效率。为提升列车安全运行和运输效率，文献[3]提出一种使机车信号和列控车载设备在站内能连续不断地接收到地面信号而不间断显示的方法，对在站内原轨道电路的基础上进行电码化进行了升级和革新。通过此技术实现了铁路提速，同时也提高了站内轨道电路施工的安全性。安海君等针对广泛采用的用于保证行车安全的站内电码化预发码技术，从预叠加电码化的技术指标、原理、基本控制电路和主要类型等几个方面进行了分析和研究，给本文了提供借鉴[4]。针对轨道区段中现有的一种室外加绝缘分割和室内联锁按一个区段处理的情形，文献[5]分析了25 Hz相敏轨道电路配套二元二位继电器和微电子接收器出现该故障的原因，提出对应解决措施，并从施工难度、投资量、适用性方面进行比较，对其他类似情况具有参考价值。文献[6]主要研究采用25 Hz相敏轨道电路的CTCS-2级列控系统车站，当区间第一离去区段长度较短，不满足动车组侧向发车运行对有码区长度的要求时，需采取补充发码措施的这一问题，以实际工程案例为依据，详细介绍了在既有电码化电路基础上完成补充发码电路的设计技巧和实施方案，为全线类似问题的解决提供了方案。文献[7]根据CTCS-2级列控系统运行的动车组ATP逻辑处理原则，针对非全进路发码的站场中无码区段对动车组运行的影响，提出了3种不同情况下的补码，并阐述了实施方案，为工程设计、实施提供了参考。文献[8]分析了侧线股道采用叠加发码或预叠加发码的发码时机、断码时机，同时对电码化发码通道电路进行了分析并提出意见。

1  Petri网建模原理

本文主要研究预叠加发码原理的Petri网建模实现，Petri网是形式化建模的工具，与传统的时间作为推动模式不同，它以事件作为推动，预叠加电码化也可以理解为列车从一个轨道区段连续进入另一个轨道区段的事件变化，发码过程是伴随进行的事件。

使用Petri网完成电码化是从另一个角度进行预叠加发码的复示，可以实现同一车站多车次的进路整体输入和冒进判断，且当某一列车发生冒进时可以指出故障所在，可以预先对多车次各自进路的安全性进行提前判断，极大减少了人工成本，具有一定的应用价值。

如图1所示，Petri网具有三个基本的元素分别为库所（圆圈，表示资源）、变迁（黑色线条，表示状态变化）以及托肯（黑点，表示列车）。托肯存在于库所之中，在本文中表示列车在轨道区段上。图1表示Petri網的发射规则，在图1（a）中托肯在p1，经过变迁e1的发射之后，拿走p1的托肯，发送给p2形成图1（b）。图1（c）表示Petri网的选择结构，图1（d）表示并发结构。时延Petri网是在变迁上赋予延时，延时结构后才可以使能发射。

2  预叠加发码模型的建立

图2是示意站预叠加电码化电路展示。正线有接车进路和发车进路两条进路，轨道区段D为股道，YG是接近区段，1LQ表示1离去区段。本文以正线接发车进路为例，进行预叠加发码的Petri网建模与仿真。

图3是利用Petri建立的示意站预叠加电码化原理模型。图中的库所表示两种资源：轨道区段和发码装置，分别用库所pi和pjf表 示，具体表示意义如表1所示。Petri网模型中托肯表示列车，当托肯在库所pi中表示列车在i区段，托肯在pjf表示对应的轨道区段发码。变迁表示状态变化，比如列车从一个区段到另一个区段。变迁是有延时的，延时表示列车在这一区段的走行时间，比如变迁t2表示列车从轨道区段YG到A，延时为列车在轨道区段YG的走行时间。

3  模型仿真验证

为了验证模型的正确性和可用性，本文建立一个实际的列车运行计划进行仿真模拟。在进行模拟之前需要进行一定的假设：

（1）假设列车01、02和03是同类型列车，即出清同一轨道区段时间相同。

（2）列车没有长度，股道D也没有长度。

（3）规定列车在区段YG的走行时间为15秒，其他非股道区段的走行时间为10秒，股道D停车时间视列车运行计划而定。

列车运行计划如表2和3所示，列车01起始时刻在接近区段YG，且已走行5秒，即从起始时刻起只需10秒即可到达轨道区段A，经过轨道区段A、B、C后到达股道D，停车20秒后开始发车进路。列车02完成的是通过进路，起始时刻也在接近区段YG，但没有走行过，所以需要15秒到达站内轨道区段A。经过轨道区段运行且在股道不停车，直接越过出站信号机出站。列车03起始时刻也在接近区段YG，但也是刚进入轨道区段，也需要15秒到达站内轨道区段A。经过轨道区段运行且在股道停车15秒后进行发车进路。

对于冒进信号，需要视具体的延时来考虑。冒进信号的判断是本文研究的重点。

根据时刻表将各区段运行时间作为延时赋予图2建立的模型中，本文采用统一的时间刻度，以5秒作为模型变迁（黑色线条）的一个单位时间延时。例如列车在股道的停站时间为20秒，则变迁的延时为20/5=4个单位时间。

设置一个冒进信号检测模型的性能，将接车进路至轨道区段C的时间改为08：00：25，即在轨道区段走行时间为5秒，01车冒进轨道区段C，此时变迁te4的延时为5/5=1个单位时间，其他关于冒进信号的变迁延时与实际延时相同，但具有较低的发射优先级，即当变迁t1和te1同时使能时，变迁t1先发射。最后将计算好的变迁延时赋予模型中形成01车最终仿真模拟的模型，如图4所示。

使用Petri网仿真软件对模型的仿真分析，结果如图5所示。

本文的仿真结果一共展示了3张结果图，图5（a）表示列车在轨道区段B且完成了B区段和C区段的发码，正在轨道区段B中运行。图5（b）表示列车在轨道区段B中运行时间结束，正要进入轨道区段C，表现在模型上为变迁te4使能。图5（c）中表示列车到达轨道区段C，但是由于托肯在库所pC中陷入了死锁，仿真结束，表现在模型中为库所pC被标记但由于库所p4 f未被标记，模型无法继续运行，陷入死锁。通过查阅表1中库所pC死锁的物理含义可知01车在轨道区段C产生了冒进，导致轨道电路不能发码，与实际情况相符，模型正确。

4  结  论

本模型完成了预叠加发码原理的功能实现，还可以对列车冒进信号进行故障诊断，准确定位某一车次在哪里会发生冒进，从而可以及时地给出修改意见。同时本模型可以完成同一车站所有车次的冒进判断，对同一车站可以天为单位，所有车次进路一起检测，整体化进行修改，使冒进信号的发生降到最低，为车站预叠加发码提供了一种新的方法。本文中模型的结果是一个逻辑上的复示，即得出的结果是列车进入了轨道区段，这会提示应该发出来什么样的码，是否发生了冒进。可以极大地提升预叠加发码的安全性，扩展了Petri网的应用。

参考文献：

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[4]安海君，李建清，李建春.站内电码化预发码技术[J].铁道通信信号，2002（12）：6-8+25.

[5]程忆佳.站内特殊区段电码化设计[J].铁道通信信号，2018，54（8）：22-25.

[6]唐强.CTCS-2级列控系统车站补充发码电路设计技巧[J].高速铁路技术，2022，13（2）：76-79.

[7]解峰，孙永侠.CTCS-2级列控区段侧向进路电码化研究[J].铁道通信信号，2017，53（4）：10-12.

[8]邓伟龙.车站侧线股道电码化预叠加发码电路方案探讨[J].铁道通信信号，2015，51（11）：31-34.

作者简介：王陆睎（1995—），男，汉族，山西永济人，助理工程师，硕士，主要研究方向：铁路信号控制系统与离散事件系统的建模与仿真。

收稿日期：2022-08-30