基于Petri网的地铁信号系统可靠性分析

基金项目:住房和城乡建设部科学技术项目“基于运营安全与可靠性的城市轨道交通系统维保关键技术研究(2008

-K 5-10)”及“东南大学优秀青年教师资助计划”资助。

收稿日期—6—作者简介张小辉(5—),男,江苏南通人,硕士研究生。

基于

Petri 网的地铁信号系统可靠性分析

张小辉,何　杰,孙　婧,张　娣(东南大学交通学院,江苏南京　210096)

摘要:地铁信号系统是地铁系统的中枢神经,同时也是提高地铁运营水平的重要保障。在分析信号系统功能及故障类型的基础上,划分了设备重要度水平。通过地铁信号系统Pe tri 网5大对象子类框架的搭建,分析研究了信号系统重要设备发生故障的情况下,系统各子类的动态Petri 网可靠性模型。关键词:地铁信号系统;可靠性;Petri 网;故障中图分类号:U284.95

文献标识码:A

The r eli ab i lity ana lysis of the subwa y

si gna l system ba sed on Pe tr i Nets

ZHANG Xia o -hui,HE J ie,SUN J ing,ZHA N G D i

(Transportation col l ege of Sou t heast University,

J i angsu Nan j ing 210096Ch i na)

Ab stra ct:Subway signal syste m is the central nervous syste m of metr o ,at the sa me ti me,it is the i mportant safeguard of the metro operati on standard i mp rove men ts .Th is p a per divided the i mpo rtant degree of the syste m based on the analysis of syste m functi on and syste m fault ty p e .Constructing the metro signaling Petri N et fra me wo rk of five sub -nets,the paper researches the dyna m ic sub -nets reliability model under the cond iti on of the i mportan t equ i pmen t signal syste m failure .

Key words sub wa y signal s yste m;reliability ;Petri Net;fault

引言

地铁信号系统故障极有可能造成列车相撞追尾等恶性事件,因此,加强地铁信号系统安全性下的可靠性理论分析对减少系统故障隐患、提高地铁系统整体安全性均具有较强的现实意义。

1　地铁信号系统功能与故障分析

1.1　地铁信号系统功能分析

由于城市轨道交通系统的不断发展,地铁信号系统已由传统的“根据地面信号显示传递行车命令,司机按行车规则操纵列车运行的方式”发展到“按地面发送的信息自动监控列车速度和自动调整列车追踪间隔的方式”。现代化的地铁信号系统包括地铁信号设备、连锁设备和闭塞设备组成

[1]

。

信号设备由列车自动控制系统(ATC 系统,Automatic Train Control)、信号灯系统组成。ATC 系统是在机车信号和列车自动停车装置的基础上发展起来的,包括三大子系统

[2]

:列车自动监控子系统(A TS

系统,Au t omatic Train Supervisi on)、列车自动防护子系统(A TP 系统,Au t omatic Train Protecti on )和列车自动运行子系统(ATO 系统,Au t omatic Train Operati on ),简称3A 系统。它是一套完整的控制、监督、管理系统,三个子系统之间既相互独立又相互联系,各功能与相互关系如图1所示

。

图1　A T C 系统各子系统功能及相互关系

1.2　地铁信号系统故障类型分析

根据南京地铁信号系统运行故障,总结归纳了地铁

—

—:2009021

:19801

信号系统故障的主要类型为系统缺陷、材质不良及软件故障三大类型见表1。从故障主要类型可以看出,故障发生原因绝大多数追溯于地铁信号系统的设备故障。

表1　地铁信号系统故障类型统计分析故障名称发生次数

所占比例(%)

检修不良21 3.06材质不良8412.23软件故障10415.14作业影响60.87外界影响11 1.60其他专业影响30 4.37施工质量影响50.73系统缺陷7611.06现象不明679.75原因不明19828.82错误操作48 6.99错误报警

37

5.39

2　地铁信号系统结构模型及设备层次划分

2.1　地铁信号系统结构模型

地铁信号系统由信号设备、联锁设备和闭塞设备组成,信号设备则主要由A T C 控制系统和信号等构成,联锁设备和闭塞设备则涉及到联锁闭塞计算机、道岔、轨道电路、信号灯等

[3]

。地铁信号系统不仅控

制着列车在轨道上安全行驶的过程,同时还控制着列车站台停靠定位及屏蔽门的开启。

参照南京地铁1号线信号系统的实例,构建了地铁信号系统运行结构模型,如图2所示

。

图2　地铁信号系统结构模型

2.2　地铁信号系统设备层次划分

根据地铁信号设备中各模块的功能及性能标准,对信号系统的设备重要程度进行相应的系统划分,如表2所示。从表中可以看出,重要程度最高的为:联锁系统(用于正线的信号控制)和轨旁T ;其次是道岔、信号机、轨道电路;再次是信号电源、计算机联锁、

同步环线;重要程度最低的是ATS (自动列车监控系统)、LOW (本地操作站,放置于联锁站)、D TI (发车计时器)和PIIS (旅客向导系统)

[4]

。

表2　地铁信号系统设备层次划分

系统级别系统名称

最重要SI CAS 、轨旁A TP

重要道岔、信号机、轨道电路

次重要信号电源、微机联锁、同步环线普通级

ATS 、LOW 、DT I 、PII S

3　地铁信号系统Petri 网可靠性模型

为了便于研究地铁信号系统整体效能,根据系统功能模块进行子系统的划分,将地铁信号系统Petri 模型对象分为5大子类:闭塞机子类、信号灯子类、列车子类、轨道区段子类、通信子类

。

图3　地铁信号系统子类Petri 网模型

图3构建的对象子类间的Petri 模型表现了地铁信号系统实际运行过程中各子类模块间信息传输及相互影响关系,各对象子网间消息托肯的传递具体见表3。

表3　子网托肯说明

托肯

说明

M1:列车对车站进行进路请求,车站值班员排列列车进路。M2:同意列车进站、出站进行作业请和车站作业资源允许排列

相关进路。

M3:列车进入所请求轨道区段。

M4:相应信号灯状态信息传至请求列车,即信号灯关闭或开放

信息。

M5:闭塞机对站内相关信号灯发送允许开放消息。

M6:闭塞机对相关区段的占用请求消息。

M7:将请求区段相关信号灯的状态信息传至闭塞机。M8:发送信号机防护区段的状态信息给相应的信号机。M9:区段的状态空闲信息传给闭塞机。M10:闭塞机向站间设备传输本站状态信息。M11:站间通信设备向闭塞机传输站间状态信息。

M 列车经过计轴传感器,计轴器将记录的轴数信息传给闭

塞机。

—

—山东交通科技 2009年第4期A P 12:11

根据地铁信号系统功能和故障类型分析以及设备层次划分,假设重要设备发生故障的情况下,构建地铁信号系统Petri 网可靠性模型,模型包括五个Petri 子类网。

3.1　信号灯类子网Petri 网模块

信号灯发生故障情况下

[5]

信号灯类Petri 子网如

图4所示,图中矩形方框表示对象模块的封装,椭圆表示消息库所。子网定义为:Signalnet ={P11,P 12,V11,V12,f10,f11,f12,T11,T12,T13

}

图4　信号灯类Petri 子网

消息库所P11表示闭塞机通过信号灯给出的路段闭塞信息,P12表示信号灯控制区域的状态信息(即路段有车或路段空闲),库所f10表示信号灯正常工作,库所f11表示信号灯关闭,库所f12表示信号灯开放,托肯T11表示列车进路信号灯关系(闭塞联锁关系)满足,T12表示不满足进路条件,信号灯关闭,T13表示信号灯故障。消息库所V11表示给列车的状态信息,V12表示给闭塞机的状态信息。3.2　区段类子网Petri 网模块

区段轨道发生故障情况下

[6]

区段类Petri 子网如

图5所示。图中矩形方框表示对象模块的封装,椭圆表示消息库所。子网定义为:Rail net ={P21,P 22,V21,V22,f21,f22,f23,T21,T22,T23

}

图5　区段类Petri 子网

图5中,消息库所表示闭塞机处理路段消息,表示列车请求进入区段消息,库所f 表示轨

道区段空闲,f22表示轨道区段被占有或不可用,f23表示轨道无故障状态,托肯T21表示列车占有区段,区段托肯变为被占有,T22表示列车离开区段或轨道修复好,区段托肯变为空闲,T23表示轨道出现故障,消息库所V21表示反馈给信号灯的消息,V 22表示反馈给闭塞机的消息。3.3　列车类子网Petri 网模块

列车发生故障情况下,列车类Petri 子网如图6所示,图中矩形方框表示对象模块的封装,椭圆表示消息库所。子网定义为:Train net ={P31,P32,V31,V32,f31,f32,f33,f34,f35,T31,T32,T33,T34,T35,T36,T37

}

图6　列车类Pe tri 子网

图6中,消息库所P31表示列车接收到信号灯的消息,P32表示列车回复信号灯的信息,f31表示列车处于停止状态,库所f32表示列车处于行驶状态,f33表示列车处于通信状态,f34表示列车处于无故障状态,f35表示列车故障状态,变迁T31表示列车接受信号转为行驶状态,T32表示列车由准备出发状态变为行驶状态,T33表示列车由停止状态变为准备出发状态,T34表示条件未满足后列车由准备出发状态变为停止状态,T35表示行驶完成后列车由停止状态变为准备出发状态,T36表示列车由行驶状态变为车站通讯状态,消息库所V31表示列车行驶区段的占有情况,V32表示列车对车站请求操作。3.4　闭塞类子网Petri 网模块

闭塞机发生故障情况下

[7]

,闭塞类Petri 子网如

图7所示,图中矩形方框表示对象模块的封装,椭圆表示消息库所。子网定义为:B l ock net ={P41,P42,

P43,P44,P45,V 41,V 42,V 43,f41,f42,f43,f44,f45,T41,T42,T43,T44,T 45,T46,T47}

—

—张小辉,何　杰,孙　婧,张　娣:基于Petri 网的地铁信号系统可靠性分析

P21P222121

图7　闭塞类Petri 子网

图7中,消息库所P41表示列车对车站请求,P42表示闭塞机对站内信号机的操作,P43站间区段状态信息(占有或空闲),表示P44表示站间通讯设备获得的邻站信息,P45表示轨道区段信号灯的返回消息,V41表示向相关区段发出请求消息,V42表示闭塞机对站内信号灯的操作,V43表示向站间发送发车请求信息,变迁T41表示闭塞机接受列车请求,将消息传送到区段通讯设备,T42表示条件满足后,列车由请求发车转为发车状态,T43表示列车进入区间,车站状态变为站间闭塞状态,T44表示车站状态由闭塞变为空闲状态,T45表示发车站接受不到接车站的回执,发车任务取消,T46表示闭塞机出现故障,T47表示故障修复,资源变得可用,库所f41表示请求发车状态,f42表示发车状态,f43表示车站处于闭塞状态,f44表示资源不可用状态,f45表示资源空闲状态。3.5　通信类子网Petri 网模块

通讯设备发生故障情况下,通信类Petri 子网如图8所示,图中矩形方框表示对象模块的封装,椭圆表示消息库所。子网定义为:Com municati on net ={P 51,P52,V51,V52,f51,f52,f53,T51,T52,T53,T 54,T55}

[8

]

图　通信类子网

图8中,消息库所P51表示车站甲闭塞机发送至站间通讯设备的信息,P52表示车站乙闭塞机发送至站间通讯设备的消息,V 51表示站间通讯设备将站间信息发送至车站甲闭塞机,V52表示站间通讯设备将站间信息发送至车站乙闭塞机,变迁T51表示通讯设备接受闭塞机甲的信息,信道由空闲转为占有状态,变迁T52表示站间信息传输完,通讯设备的信道变为空闲状态,变迁T53表示通讯设备接受闭塞机乙的信息,信道由占有转为空闲状态或通信设备修复好,变迁T54表示站间信息传输完,通讯设备的信道变为空闲状态或通信设备修复好,变迁T55表示通讯设备出

现故障,库所f51表示车站甲乙通信信号空闲状态,库所f52表示车站甲乙通信信号占有状态或不可用,库所f53表示通讯设备无故障状态。

4　结语

本文根据地铁信号系统常发故障分析,构建了系统关键设备故障情况下地铁信号系统的Petri 网模型,动态体现了关键设备故障模式下系统运营的全过程。分析成果不仅可供维检修人员参考安排日常工作计划重点,而且对紧急情况下救急预案的制定有着重要的参考意义,以利于保障地铁系统的安全准点运行。

参考文献:

[1]　戚磊.基于地铁信号系统中的通信系统[J ].科学大众,2005,(5):67-69.

[2]　吴国新.以可靠性为中心的维修技术在地铁信号系统中的应用[J ].城市轨道交通研究,2007,(9):41-44.[3]　赵惠祥.城市轨道交通系统的运营安全性与可靠性研究[D ].博士学位论文,同济大学,2006.

[4]　南京地铁维保模式与综合评价研究报告[C ].南京:东南大学交通学院,2003.

[5]　Jes u ′s Ca rretero .App l ying RC M in larg e scale syst em s :a cas e study w ith ra il way ne t w orks[J ].Re liability Engineering and Syste m Safe t y,2003,(82):257-273.

[6]　Davi d Ve rnez,Francois V uille .M ethod t o assess and opti m ise dependability of co mplex macro -syst em s :App lica ti on t o a ra il way sig nalli ng syst em [J ].Safety Sc i ence,2009,47(3):382-394.

[7]　A lessandr o Fantechi,E m ili o Spini cci .Modelling and Va lida ting a multi p l e -config uration ra il w ay signa lling system using S DL [J ].

Electronic N ot e s in T heoretica l Co mput e r

Science,2003,82(6):66-76.

[8]　李红建.地铁信号系统中的自动信号功能分析[J ].铁道通信信号,2006,42(2):21-23.

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3—山东交通科技 2009年第4期

8Petri 1