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淺談Petri網的地鐵信號系統可靠性分析論文
引言
地鐵信號系統故障極有可能造成列車相撞追尾等事件,因此,加強地鐵信號系統安全性下的可靠性理論分析對減少系統故障隱患、提高地鐵系統整體安全性均具有較強的現實意義。
1地鐵信號系統功能與故障分析
1.1地鐵信號系統功能分析
由于城市軌道交通系統的不斷發展,地鐵信號系統已由傳統的“根據地面信號顯示傳遞行車命令,司機按行車規則操縱列車運行的方式”發展到“按地面發送的信息自動監控列車速度和自動調整列車追蹤間隔的方式”�，F代化的地鐵信號系統包括地鐵信號設備、連鎖設備和閉塞設備組成。
信號設備由列車自動控制系統(ATC系統,AutomaticTrainControl)、信號燈系統組成。ATC系統是在機車信號和列車自動停車裝置的基礎上發展起來的,包括三大子系統:列車自動監控子系統(ATS系統,AutomaticTrainSupervision)、列車自動防護子系統(ATP系統,AutomaticTrainProtection)和列車自動運行子系統(ATO系統,AutomaticTrainOperation),簡稱3A系統。它是一套完整的控制、監督、管理系統,三個子系統之間既相互獨立又相互聯系。
1.2地鐵信號系統故障類型分析
根據南京地鐵信號系統運行故障,總結歸納了地鐵信號系統故障的主要類型為系統缺陷、材質不良及軟件故障三大類型見表1。從故障主要類型可以看出,故障發生原因絕大多數追溯于地鐵信號系統的設備故障。
2地鐵信號系統結構模型及設備層次劃分
2.1地鐵信號系統結構模型
地鐵信號系統由信號設備、聯鎖設備和閉塞設備組成,信號設備則主要由ATC控制系統和信號等構成,聯鎖設備和閉塞設備則涉及到聯鎖閉塞計算機、道岔、軌道電路、信號燈等。地鐵信號系統不僅控制著列車在軌道上安全行駛的過程,同時還控制著列車站臺�？慷ㄎ患捌帘伍T的開啟。
參照南京地鐵1號線信號系統的實例,構建了地鐵信號系統運行結構模型。
2.2地鐵信號系統設備層次劃分
根據地鐵信號設備中各模塊的功能及性能標準,對信號系統的設備重要程度進行相應的系統劃分。從表中可以看出,重要程度最高的為:聯鎖系統(用于正線的信號控制)和軌旁ATP;其次是道岔、信號機、軌道電路;再次是信號電源、計算機聯鎖、同步環線;重要程度最低的是ATS(自動列車監控系統)、LOW(本地操作站,放置于聯鎖站)、DTI(發車計時器)和PIIS(旅客向導系統)。
3地鐵信號系統Petri網可靠性模型
為了便于研究地鐵信號系統整體效能,根據系統功能模塊進行子系統的劃分,將地鐵信號系統Petri模型對象分為5大子類:閉塞機子類、信號燈子類、列車子類、軌道區段子類、通信子類。圖3構建的對象子類間的Petri模型表現了地鐵信號系統實際運行過程中各子類模塊間信息傳輸及相互影響關系,各對象子網間消息托肯的傳遞具。根據地鐵信號系統功能和故障類型分析以及設備層次劃分,假設重要設備發生故障的情況下,構建地鐵信號系統Petri網可靠性模型,模型包括五個Petri子類網。
3.1信號燈類子網Petri網模塊
信號燈發生故障情況下信號燈類Petri子網如圖4所示,圖中矩形方框表示對象模塊的封裝,橢圓表示消息庫所。子網定義為:Signalnet={P11,P12,V11,V12,f10,f11,f12,T11,T12,T13}
消息庫所P11表示閉塞機通過信號燈給出的路段閉塞信息,P12表示信號燈控制區域的狀態信息(即路段有車或路段空閑),庫所f10表示信號燈正常工作,庫所f11表示信號燈關閉,庫所f12表示信號燈開放,托肯T11表示列車進路信號燈關系(閉塞聯鎖關系)滿足,T12表示不滿足進路條件,信號燈關閉,T13表示信號燈故障。消息庫所V11表示給列車的狀態信息,V12表示給閉塞機的狀態信息。
3.2區段類子網Petri網模塊
區段軌道發生故障情況下區段類Petri子網如圖5所示。圖中矩形方框表示對象模塊的封裝,橢圓表示消息庫所。子網定義為:Railnet={P21,P22,V21,V22,f21,f22,f23,T21,T22,T23}
圖5中,消息庫所P21表示閉塞機處理路段消息,P22表示列車請求進入區段消息,庫所f21表示軌道區段空閑,f22表示軌道區段被占有或不可用,f23表示軌道無故障狀態,托肯T21表示列車占有區段,區段托肯變為被占有,T22表示列車離開區段或軌道修復好,區段托肯變為空閑,T23表示軌道出現故障,消息庫所V21表示反饋給信號燈的消息,V22表示反饋給閉塞機的消息。
3.3列車類子網Petri網模塊
列車發生故障情況下,列車類Petri子網如圖6所示,圖中矩形方框表示對象模塊的封裝,橢圓表示消息庫所。子網定義為:Trainnet={P31,P32,V31,V32,f31,f32,f33,f34,f35,T31,T32,T33,T34,T35,T36,T37}
圖6中,消息庫所P31表示列車接收到信號燈的消息,P32表示列車回復信號燈的信息,f31表示列車處于停止狀態,庫所f32表示列車處于行駛狀態,f33表示列車處于通信狀態,f34表示列車處于無故障狀態,f35表示列車故障狀態,變遷T31表示列車接受信號轉為行駛狀態,T32表示列車由準備出發狀態變為行駛狀態,T33表示列車由停止狀態變為準備出發狀態,T34表示條件未滿足后列車由準備出發狀態變為停止狀態,T35表示行駛完成后列車由停止狀態變為準備出發狀態,T36表示列車由行駛狀態變為車站通訊狀態,消息庫所V31表示列車行駛區段的占有情況,V32表示列車對車站請求操作。
3.4閉塞類子網Petri網模塊
閉塞機發生故障情況下,閉塞類Petri子網如圖7所示,圖中矩形方框表示對象模塊的封裝,橢圓表示消息庫所。子網定義為:Blocknet={P41,P42,P43,P44,P45,V41,V42,V43,f41,f42,f43,f44,f45,T41,T42,T43,T44,T45,T46,T47}
圖7中,消息庫所P41表示列車對車站請求,P42表示閉塞機對站內信號機的操作,P43站間區段狀態信息(占有或空閑),表示P44表示站間通訊設備獲得的鄰站信息,P45表示軌道區段信號燈的返回消息,V41表示向相關區段發出請求消息,V42表示閉塞機對站內信號燈的操作,V43表示向站間發送發車請求信息,變遷T41表示閉塞機接受列車請求,將消息傳送到區段通訊設備,T42表示條件滿足后,列車由請求發車轉為發車狀態,T43表示列車進入區間,車站狀態變為站間閉塞狀態,T44表示車站狀態由閉塞變為空閑狀態,T45表示發車站接受不到接車站的回執,發車任務取消,T46表示閉塞機出現故障,T47表示故障修復,資源變得可用,庫所f41表示請求發車狀態,f42表示發車狀態,f43表示車站處于閉塞狀態,f44表示資源不可用狀態,f45表示資源空閑狀態。
3.5通信類子網Petri網模塊
通訊設備發生故障情況下,通信類Petri子網如圖8所示,圖中矩形方框表示對象模塊的封裝,橢圓表示消息庫所。子網定義為:Communicationnet={P51,P52,V51,V52,f51,f52,f53,T51,T52,T53,T54,T55}
圖8中,消息庫所P51表示車站甲閉塞機發送至站間通訊設備的信息,P52表示車站乙閉塞機發送至站間通訊設備的消息,V51表示站間通訊設備將站間信息發送至車站甲閉塞機,V52表示站間通訊設備將站間信息發送至車站乙閉塞機,變遷T51表示通訊設備接受閉塞機甲的信息,信道由空閑轉為占有狀態,變遷T52表示站間信息傳輸完,通訊設備的信道變為空閑狀態,變遷T53表示通訊設備接受閉塞機乙的信息,信道由占有轉為空閑狀態或通信設備修復好,變遷T54表示站間信息傳輸完,通訊設備的信道變為空閑狀態或通信設備修復好,變遷T55表示通訊設備出現故障,庫所f51表示車站甲乙通信信號空閑狀態,庫所f52表示車站甲乙通信信號占有狀態或不可用,庫所f53表示通訊設備無故障狀態。
4結語
本文根據地鐵信號系統常發故障分析,構建了系統關鍵設備故障情況下地鐵信號系統的Petri網模型,動態體現了關鍵設備故障模式下系統運營的全過程。分析成果不僅可供維檢修人員參考安排日常工作計劃重點,而且對緊急情況下救急預案的制定有著重要的參考意義,以利于保障地鐵系統的安全準點運行。
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