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淺談Petri網(wǎng)的地鐵信號(hào)系統(tǒng)可靠性分析論文
引言
地鐵信號(hào)系統(tǒng)故障極有可能造成列車相撞追尾等事件,因此,加強(qiáng)地鐵信號(hào)系統(tǒng)安全性下的可靠性理論分析對(duì)減少系統(tǒng)故障隱患、提高地鐵系統(tǒng)整體安全性均具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
1地鐵信號(hào)系統(tǒng)功能與故障分析
1.1地鐵信號(hào)系統(tǒng)功能分析
由于城市軌道交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展,地鐵信號(hào)系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的“根據(jù)地面信號(hào)顯示傳遞行車命令,司機(jī)按行車規(guī)則操縱列車運(yùn)行的方式”發(fā)展到“按地面發(fā)送的信息自動(dòng)監(jiān)控列車速度和自動(dòng)調(diào)整列車追蹤間隔的方式”�，F(xiàn)代化的地鐵信號(hào)系統(tǒng)包括地鐵信號(hào)設(shè)備、連鎖設(shè)備和閉塞設(shè)備組成。
信號(hào)設(shè)備由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC系統(tǒng),AutomaticTrainControl)、信號(hào)燈系統(tǒng)組成。ATC系統(tǒng)是在機(jī)車信號(hào)和列車自動(dòng)停車裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,包括三大子系統(tǒng):列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS系統(tǒng),AutomaticTrainSupervision)、列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)(ATP系統(tǒng),AutomaticTrainProtection)和列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)(ATO系統(tǒng),AutomaticTrainOperation),簡(jiǎn)稱3A系統(tǒng)。它是一套完整的控制、監(jiān)督、管理系統(tǒng),三個(gè)子系統(tǒng)之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。
1.2地鐵信號(hào)系統(tǒng)故障類型分析
根據(jù)南京地鐵信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行故障,總結(jié)歸納了地鐵信號(hào)系統(tǒng)故障的主要類型為系統(tǒng)缺陷、材質(zhì)不良及軟件故障三大類型見(jiàn)表1。從故障主要類型可以看出,故障發(fā)生原因絕大多數(shù)追溯于地鐵信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)備故障。
2地鐵信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及設(shè)備層次劃分
2.1地鐵信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
地鐵信號(hào)系統(tǒng)由信號(hào)設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備和閉塞設(shè)備組成,信號(hào)設(shè)備則主要由ATC控制系統(tǒng)和信號(hào)等構(gòu)成,聯(lián)鎖設(shè)備和閉塞設(shè)備則涉及到聯(lián)鎖閉塞計(jì)算機(jī)、道岔、軌道電路、信號(hào)燈等。地鐵信號(hào)系統(tǒng)不僅控制著列車在軌道上安全行駛的過(guò)程,同時(shí)還控制著列車站臺(tái)�？慷ㄎ患捌帘伍T的開(kāi)啟。
參照南京地鐵1號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)例,構(gòu)建了地鐵信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)模型。
2.2地鐵信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備層次劃分
根據(jù)地鐵信號(hào)設(shè)備中各模塊的功能及性能標(biāo)準(zhǔn),對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)備重要程度進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)劃分。從表中可以看出,重要程度最高的為:聯(lián)鎖系統(tǒng)(用于正線的信號(hào)控制)和軌旁ATP;其次是道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路;再次是信號(hào)電源、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、同步環(huán)線;重要程度最低的是ATS(自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng))、LOW(本地操作站,放置于聯(lián)鎖站)、DTI(發(fā)車計(jì)時(shí)器)和PIIS(旅客向?qū)到y(tǒng))。
3地鐵信號(hào)系統(tǒng)Petri網(wǎng)可靠性模型
為了便于研究地鐵信號(hào)系統(tǒng)整體效能,根據(jù)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分,將地鐵信號(hào)系統(tǒng)Petri模型對(duì)象分為5大子類:閉塞機(jī)子類、信號(hào)燈子類、列車子類、軌道區(qū)段子類、通信子類。圖3構(gòu)建的對(duì)象子類間的Petri模型表現(xiàn)了地鐵信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各子類模塊間信息傳輸及相互影響關(guān)系,各對(duì)象子網(wǎng)間消息托肯的傳遞具。根據(jù)地鐵信號(hào)系統(tǒng)功能和故障類型分析以及設(shè)備層次劃分,假設(shè)重要設(shè)備發(fā)生故障的情況下,構(gòu)建地鐵信號(hào)系統(tǒng)Petri網(wǎng)可靠性模型,模型包括五個(gè)Petri子類網(wǎng)。
3.1信號(hào)燈類子網(wǎng)Petri網(wǎng)模塊
信號(hào)燈發(fā)生故障情況下信號(hào)燈類Petri子網(wǎng)如圖4所示,圖中矩形方框表示對(duì)象模塊的封裝,橢圓表示消息庫(kù)所。子網(wǎng)定義為:Signalnet={P11,P12,V11,V12,f10,f11,f12,T11,T12,T13}
消息庫(kù)所P11表示閉塞機(jī)通過(guò)信號(hào)燈給出的路段閉塞信息,P12表示信號(hào)燈控制區(qū)域的狀態(tài)信息(即路段有車或路段空閑),庫(kù)所f10表示信號(hào)燈正常工作,庫(kù)所f11表示信號(hào)燈關(guān)閉,庫(kù)所f12表示信號(hào)燈開(kāi)放,托肯T11表示列車進(jìn)路信號(hào)燈關(guān)系(閉塞聯(lián)鎖關(guān)系)滿足,T12表示不滿足進(jìn)路條件,信號(hào)燈關(guān)閉,T13表示信號(hào)燈故障。消息庫(kù)所V11表示給列車的狀態(tài)信息,V12表示給閉塞機(jī)的狀態(tài)信息。
3.2區(qū)段類子網(wǎng)Petri網(wǎng)模塊
區(qū)段軌道發(fā)生故障情況下區(qū)段類Petri子網(wǎng)如圖5所示。圖中矩形方框表示對(duì)象模塊的封裝,橢圓表示消息庫(kù)所。子網(wǎng)定義為:Railnet={P21,P22,V21,V22,f21,f22,f23,T21,T22,T23}
圖5中,消息庫(kù)所P21表示閉塞機(jī)處理路段消息,P22表示列車請(qǐng)求進(jìn)入?yún)^(qū)段消息,庫(kù)所f21表示軌道區(qū)段空閑,f22表示軌道區(qū)段被占有或不可用,f23表示軌道無(wú)故障狀態(tài),托肯T21表示列車占有區(qū)段,區(qū)段托肯變?yōu)楸徽加?T22表示列車離開(kāi)區(qū)段或軌道修復(fù)好,區(qū)段托肯變?yōu)榭臻e,T23表示軌道出現(xiàn)故障,消息庫(kù)所V21表示反饋給信號(hào)燈的消息,V22表示反饋給閉塞機(jī)的消息。
3.3列車類子網(wǎng)Petri網(wǎng)模塊
列車發(fā)生故障情況下,列車類Petri子網(wǎng)如圖6所示,圖中矩形方框表示對(duì)象模塊的封裝,橢圓表示消息庫(kù)所。子網(wǎng)定義為:Trainnet={P31,P32,V31,V32,f31,f32,f33,f34,f35,T31,T32,T33,T34,T35,T36,T37}
圖6中,消息庫(kù)所P31表示列車接收到信號(hào)燈的消息,P32表示列車回復(fù)信號(hào)燈的信息,f31表示列車處于停止?fàn)顟B(tài),庫(kù)所f32表示列車處于行駛狀態(tài),f33表示列車處于通信狀態(tài),f34表示列車處于無(wú)故障狀態(tài),f35表示列車故障狀態(tài),變遷T31表示列車接受信號(hào)轉(zhuǎn)為行駛狀態(tài),T32表示列車由準(zhǔn)備出發(fā)狀態(tài)變?yōu)樾旭偁顟B(tài),T33表示列車由停止?fàn)顟B(tài)變?yōu)闇?zhǔn)備出發(fā)狀態(tài),T34表示條件未滿足后列車由準(zhǔn)備出發(fā)狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài),T35表示行駛完成后列車由停止?fàn)顟B(tài)變?yōu)闇?zhǔn)備出發(fā)狀態(tài),T36表示列車由行駛狀態(tài)變?yōu)檐囌就ㄓ崰顟B(tài),消息庫(kù)所V31表示列車行駛區(qū)段的占有情況,V32表示列車對(duì)車站請(qǐng)求操作。
3.4閉塞類子網(wǎng)Petri網(wǎng)模塊
閉塞機(jī)發(fā)生故障情況下,閉塞類Petri子網(wǎng)如圖7所示,圖中矩形方框表示對(duì)象模塊的封裝,橢圓表示消息庫(kù)所。子網(wǎng)定義為:Blocknet={P41,P42,P43,P44,P45,V41,V42,V43,f41,f42,f43,f44,f45,T41,T42,T43,T44,T45,T46,T47}
圖7中,消息庫(kù)所P41表示列車對(duì)車站請(qǐng)求,P42表示閉塞機(jī)對(duì)站內(nèi)信號(hào)機(jī)的操作,P43站間區(qū)段狀態(tài)信息(占有或空閑),表示P44表示站間通訊設(shè)備獲得的鄰站信息,P45表示軌道區(qū)段信號(hào)燈的返回消息,V41表示向相關(guān)區(qū)段發(fā)出請(qǐng)求消息,V42表示閉塞機(jī)對(duì)站內(nèi)信號(hào)燈的操作,V43表示向站間發(fā)送發(fā)車請(qǐng)求信息,變遷T41表示閉塞機(jī)接受列車請(qǐng)求,將消息傳送到區(qū)段通訊設(shè)備,T42表示條件滿足后,列車由請(qǐng)求發(fā)車轉(zhuǎn)為發(fā)車狀態(tài),T43表示列車進(jìn)入?yún)^(qū)間,車站狀態(tài)變?yōu)檎鹃g閉塞狀態(tài),T44表示車站狀態(tài)由閉塞變?yōu)榭臻e狀態(tài),T45表示發(fā)車站接受不到接車站的回執(zhí),發(fā)車任務(wù)取消,T46表示閉塞機(jī)出現(xiàn)故障,T47表示故障修復(fù),資源變得可用,庫(kù)所f41表示請(qǐng)求發(fā)車狀態(tài),f42表示發(fā)車狀態(tài),f43表示車站處于閉塞狀態(tài),f44表示資源不可用狀態(tài),f45表示資源空閑狀態(tài)。
3.5通信類子網(wǎng)Petri網(wǎng)模塊
通訊設(shè)備發(fā)生故障情況下,通信類Petri子網(wǎng)如圖8所示,圖中矩形方框表示對(duì)象模塊的封裝,橢圓表示消息庫(kù)所。子網(wǎng)定義為:Communicationnet={P51,P52,V51,V52,f51,f52,f53,T51,T52,T53,T54,T55}
圖8中,消息庫(kù)所P51表示車站甲閉塞機(jī)發(fā)送至站間通訊設(shè)備的信息,P52表示車站乙閉塞機(jī)發(fā)送至站間通訊設(shè)備的消息,V51表示站間通訊設(shè)備將站間信息發(fā)送至車站甲閉塞機(jī),V52表示站間通訊設(shè)備將站間信息發(fā)送至車站乙閉塞機(jī),變遷T51表示通訊設(shè)備接受閉塞機(jī)甲的信息,信道由空閑轉(zhuǎn)為占有狀態(tài),變遷T52表示站間信息傳輸完,通訊設(shè)備的信道變?yōu)榭臻e狀態(tài),變遷T53表示通訊設(shè)備接受閉塞機(jī)乙的信息,信道由占有轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)或通信設(shè)備修復(fù)好,變遷T54表示站間信息傳輸完,通訊設(shè)備的信道變?yōu)榭臻e狀態(tài)或通信設(shè)備修復(fù)好,變遷T55表示通訊設(shè)備出現(xiàn)故障,庫(kù)所f51表示車站甲乙通信信號(hào)空閑狀態(tài),庫(kù)所f52表示車站甲乙通信信號(hào)占有狀態(tài)或不可用,庫(kù)所f53表示通訊設(shè)備無(wú)故障狀態(tài)。
4結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)地鐵信號(hào)系統(tǒng)常發(fā)故障分析,構(gòu)建了系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備故障情況下地鐵信號(hào)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型,動(dòng)態(tài)體現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備故障模式下系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程。分析成果不僅可供維檢修人員參考安排日常工作計(jì)劃重點(diǎn),而且對(duì)緊急情況下救急預(yù)案的制定有著重要的參考意義,以利于保障地鐵系統(tǒng)的安全準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。
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