基于Petri网模型的高铁6‰下坡道延续进路防护方法

赵润文

根据《铁路车站计算机联锁技术条件》（TB/T 3027—2015）［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。

图1 示例站平面图

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。

表1 示例站延续进路下行咽喉联锁表（部分）

以进路号码SⅡ-1的延续进路为例，该进路始于出站信号机SⅡ，延续至XN信号机，进路内的轨道区段为3DG和ⅡAG。传统的防护方法是设置敌对信号SⅡD、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］。

2 Petri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。

2.1 Petri网基本原理

2.1.1 基本结构

以示例站下行方向ⅠG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ⅠG的接车进路，若库所ⅠAG、ⅠDG、ⅠG同时被标记，表示对应的轨道区段处于空闲状态，符合列车ⅠG接车进路选排的条件。此时，该模型的初始标识为

图2 下行方向IG接车进路模型

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、ⅠAG、ⅠDG、ⅠG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

图3 变迁txI发射后状态

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。

2.2 6‰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。

表2 模型中关键库所/变迁含义

图4 6‰下坡道延续进路防护模型

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ⅠG上行方向的接车进路为例，该进路始于区段ⅠBG、4DG，到达股道ⅠG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ⅠG上行方向接车进路选排前，不仅要确保区段ⅠBG、4DG和股道ⅠG均处于空闲状态，还需要确保1DG、ⅠAG空闲。在确认区段都空闲后，完成ⅠG上行方向接车进路选排。

当区段ⅠBG、4DG、1DG、ⅠAG和股道ⅠG的库所都被令牌标记，变迁tsI使能并带走区段ⅠBG、4DG、1DG、ⅠAG和股道ⅠG库所中的令牌，同时发射一个新的令牌给库所sI-begin，表示ⅠG上行方向接车进路已排列，列车位于ⅠBG。此时，若有别的进路想要选排并使用ⅠBG、4DG、1DG、ⅠAG和股道ⅠG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ⅠG下行方向的接车进路为例，只有当1DG、ⅠAG和股道ⅠG空闲时，才能选排ⅠG下行方向的接车进路；若1DG、ⅠAG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ⅠG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。

表3 延续进路防护故障诊断模型中库所/变迁含义

以ⅠG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ⅠBG、4DG，直到接车进路完成后再解锁ⅠG、ⅠAG和ⅠDG。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ⅠAG、ⅠDG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ⅠG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ⅠBG，4DG、1DG、ⅠAG、ⅠG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ⅠAG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01～06依次命名，站内列车运行计划见表4，ⅠG和ⅡG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。

表4 站内列车运行计划

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]，i∈1，…，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。

表5 可达标识结果

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ⅠG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ⅠAG、ⅠDG，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ⅠG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6 可行的列车运行计划

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。