（交通信息工程及控制专业论文）基于Petri网的列车控制系统建模分析与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 安全和效率是铁路运输生产永恒的主题。列车控制系统就是实现这一主 题的最关键一环，也是高速铁路发展中最重要的系统之一。因此，加强对列 车控制系统的研究，对于提高铁路的现代化水平有着至关重要的作用。 本文详细讨论了列车控制系统的结构、功能，对各种控制车模式进行了 分析和研究，并本着学习和借鉴发达国家列车控制系统的目的，对日本及欧 洲国家的列车控制系统进行了研究，从而有助于符合我国国情和路况的列车 控制系统的开发和研制。 对系统进行建模和分析，是系统研究与设计中十分重要的途径。由于 p e 砸网具有控制流式的结构，简洁、直观，使系统设计者、开发者更易于对 实际问题的分析和模型化，而且以其较强的数学基础，能分析系统软、硬件 众多方面的特性，故本文采用p e t r i 网对列车控制系统进行了建模，并对其 可达性、安全性和有界性进行了分析。 关键词：铁路信号；列车运行控制；p e t r i 网 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t s a f e t ya n de 髓c i e n c ya r ee t e m a l 幽e m e sf o rr a 订w a y 订a n s p o n a t i o n ，t t a i n c o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n ts y s t e mf o rm ed e v e l o p m e n th i 出s p e e dr a i l w a y t r a n s p o n a t i o n ，w h i c ha l s oa ni m p o r t a n tf 如t o rf o rt h eg u a r a l l t e eo ft h i st w o 血e m e s f u r t h e rr e s e a r c ho nt r a i nc o n t r o ls y s t c _ mw i l lg r e a t l yc o n 仃i b u t em e m o d e r n i z a t i o no f c h i n e s e 豫i l w a y t h i sp 印e rd i s c u s s e dt h es t n l c t u r ea i l df h n c t i o n so ft r a i nc o n t m ls y s t c mi n d e t a i l s ，卸a l y z e da n dd i ds o m er e s e a r c ho ns e v e m lm o d e l so f t m i nc o n 仃0 1s y s t e m f o rt h ep u r p o s eo fl e a m i n ga n dr e f 毫r e n c e ，t h i sp a p e ra n a l y z c dt h et r a i nc o n t m l s y s t e mo fj 印卸锄de u r o p e a nc o u l l t r i e s ，w 血i c hw j l lb e n e f i tt h er do ft r a i n c o n t r o ls y s t e ms u i t a b 】ef o rc h i n a ， f d rs y s t e m a t i cr e s e a r c ha n dd e s i g n ，s e m n gu pam o d e li sa 1 1i m p o n a n t m e n l o d w i m 也e n c t i o no f i m m e d i a c ya n de f k c t i v e n e s s ，p 出in e t w o r km a k ei t e a s yf o rs y s t e md e s i g n e ra 1 1 dd e v e l o p e rt oa n a l y z e sa i l ds e tu pm o d e lf o rp r a c t i c e m a t t e r s ，w i t hi t s s t r o n gm a t l l e m a t i cf u n c t i o n ，a n dt h e 如i l i t yt oa 1 1 a l y z et h e s p e c i a lf e a t u r e so fs o r w a r ea n dh a r d w a r c ，t h ep a p e ru s e dp 硎n e ts e t t i n gu p m o d e l sf o rt r a i nc o n t r o is y s t e m ，a n da n a l y z e di t s r e a c h a b i l i t y ，s a f e n e s sa n d b o u d e d n e s s k e yw o r d ：r a i l w a ys i g n a l ；r a i l w a y0 p e r a t i o nc o n t r o l ；p e t r in e t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 列车控制系统概述 高速铁路的崛起和发展，给世界铁路事业带来了勃勃生机，使铁路装备 技术水平跃上了一个新的台阶。铁路信号系统从传统的方式，即以地面信号 显示传递行车命令，机车司机按行车规定操作列车运行的方式，发展到了根 据地面发送的信息，自动监控列车速度且自动调节列车运行和追踪间隔的方 式。实现这一方式的关键设备，就是列车控制系统。 1 1 1 高速铁路采用先进列控系统的必要性 一是提高区间线路通过能力的需要。由目前采用的三显示自动闭塞工作 原理可知( 图1 1 ) ：当某段轨道电路被列车占用，其后方的通过信号机显示 为红灯，再下一架显示黄灯，再下一架显示绿灯。三显示自动闭塞每个闭塞 分区的长度，需要大于列车从线路允许的最高速度减速到停车所需走过的制 动距离。为保证后续列车只看见绿灯，先行列车与后续列车头部的正常间隔 为三个闭塞分区长度。高速列车2 0 0 k m m 的紧急制动距离约1 8 0 0 m ，在 3 0 0 k m l l 时紧急制动距离大于3 5 0 0 m 。如果在3 0 0 k m l l 的高速铁路上仍设计 三显示自动闭塞，为保证列车在个闭塞分区内停车，每个闭塞分区可能需 要长达5 6 ：m ，列车之间的正常间隔为1 6 1 8 l 【m 。这么长的列车间隔无 疑降低了线路的通过能力。 绿绿黄红 芒竺刍匕 匕匕苎 图1 1 三显示自动闭塞原理图 二是提高行车安全的需要。列车速度提高后，列车通过闭塞分区的时间 大大缩短，当列车速度达到2 0 0 k m ，l l 时，通过1 | 2 k m 的闭塞分区不到2 2 s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 这就意味着司机每2 0 s 多就要辨认一次信号，这么频繁的了望信弓会使司机 疲劳，出现辨认错误。因此，高速铁路行车必须以机车信号作为行车凭证， 此为其一。其二，当司机按照目前采用的地面信号驾驶时，这种传统的行车 方式列车安全靠司机保证。司机首先要正确地识别信号，正确地理解信号， 然后还要及时正确的执行。这三个环节只要有一个不正确就会出现险情。为 防止因司机失误而影响行车安全，需要使车载信号设备把地面传送上来的信 号命令直接转变为对列车控制系统的控制。 正是因为列控系统具备了高速铁路彳丁军需要的以速度信号代替色灯 信号，以车载信号作为行车凭证，车载信弓恢嘻直接控制列车减速或停车这 三大安全要求。因此，高速铁路必须采审列控系统【”。 1 1 2 中国列车控制系统( c t c s ) 的分类 根据中国列车运行控制系统( 简称c t c s ) 的技术规范，c t c s 根据功 能要求和设备配置划分应用等级分，分为o 一4 级【2 1 。 c t c s 0 级为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构 成。 c t c s l 级一一由主体机车信号+ 加强型运行监控记录装置组成。面向 1 6 0 k m m 以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要 求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。轨道电路完成列车占用检 测及列车完整性检查，连续向列车传送控制信息。 c t c s 2 级基于轨道传输信息的列车运行控制系统，面向提速干线和 高速新线，采用车一地一体化设计。c t c s 2 级适用于各种限速区段，地面可 不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 c t c s 3 级基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用 的列车运行控制系统，面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信 的固定闭塞或虚拟自动闭塞。c t c s 3 级适用于各种限速区段，地面可不设通 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 c t c s 4 级基于无线传输信息的列车运行控制系统，面向高速新线或 特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。c t c s 4 级由r b c 和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，c t c s 4 级 地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 1 - 2 国内外列控系统的发展概况 1 2 1 国外列控系统的发展概况 德国联邦铁路在2 0 世纪5 0 年代就与信号制造厂商合作研制l z b 列车 速度控制系统，1 9 5 9 年进行第一次试验，1 9 6 2 年一1 9 6 3 年在福希海姆一班 贝格2 0 k m 长的线路上先后进行了轨道电缆的传输特性试验及l z b 系统适 应高速行车的试验。1 9 7 8 年，德国联邦铁路装备l z b 的线路共计2 6 0 k m ， 到1 9 9 1 年约有1 0 0 0 k m 线路装备了l z b 设备。1 9 8 8 年5 月2 9 日，在德国 富尔达一维尔茨堡高速新线区段，首次正式采用以l z b 机车信号为主的行 车控制方法，取消了区间地面闭塞机，使列车运行速度保持在2 5 0 l h 以上 【3 1 。 法国已投入运营的高速铁路有巴黎东南新干线和大西洋干线，投入使用 的时间分别为1 9 8 1 年、1 9 8 9 年。法国高速铁路( t g v ) 区段均采用带速度 监督的t v m 3 0 0 型机车信号，地面信息传输采用u m 7 l 型轨道电路。日本东 海道新干线于1 9 6 4 年投入使用，至今已4 0 余年。1 9 7 0 年，日本制定了“全 国新干线铁道整备法”( 简称整备法) ，该法定义“列车在主要区间运行速度 达2 0 0 k m ，l 】以上的干线铁道称为整备新干线。”实施这项法规的目的是为了 使日本国土形成一个全国性的新干线网。 总之，国外由于对铁路列控系统的研究起步较早，因而均拥有比较成熟 的技术。法国的c s e e 公司、a l s t o m 公司，英国的w e s t i n g h o u s e 公司和u s s i 公司、德国s i e m e n s 公司等，都有较成熟的列控产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 我国列控系统的发展概况 目前，我国铁路营业里程7 万多公里，其中自动闭塞2 万多公里，位居 世界第三、亚洲第一。由于我国铁路运输是“客货混跑”，不同速度列车“共 线运行”，加之行车密度高，大重量运输和地面信号制式混杂，线路限速多 样，其运输强度和复杂度为世界之最。因此，在这种模式下，没有适合中国 国情的列车运行控制系统，要求保障行车安全和运输高效显然是不可能的。 自2 0 世纪8 0 年代初以来，我国全路大部分机车都安装了机车三大件”， 即机车信号、自动停车和无线列调。这“三大件”在一定程度上促进了铁路 事业的发展，使全路行车形势大有好转，但仍然存在不少问题。随之国内多 家单位积极开展中国铁路列控系统超速防护系统( a t p ) 的研究，探索中国 铁路列控系统的发展之路。1 9 8 5 年我国开始酝酿引进国外的无绝缘轨道电路 和车载a t p 系统。郑武线电气自动化中引进u m 7 l 型无绝缘轨道电路自动 闭塞和t v m 3 0 0 型超速防护系统，推动了我国多信息速差式自动闭塞和列车 超速防护的发展。郑武线的引进不仅使我们接触到了国外的先进技术，更主 要的是学习到新的理念。作为车载防护的基础地面u m 7 1 系统以及国产 化的u m 7 l 型系统设备，随着郑武、京郑、广深、哈大、武广、京山、沈山 等繁忙干线的成功运用，以及轨道电路可做到一次调整、有断轨检查、抗干 扰性强和工作稳定等显著优势，得到了用户的广泛认可，逐步成为我国铁路 自动闭塞制式的主流。 1 9 8 5 年，国家“八五”攻关项目“l s k 旅客列车速度分级控制系统” 在广深线1 6 0 一2 0 0 k m m 的列车上投入运营，对列车安全、高速地运行起到 了保障作用。l s k 系统作为我国自行研制的准高速列车超速防护，在“人机 联控、人控优先”的设计原则下，综合信息技术、机电控制技术、计算机和 网络通信技术，以及可靠性与故障安全理论，构成新型人机关系的信号安全 防护系统，并首次以车载信号作为行车凭证，实现了我国超速防护系统历史 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 性的突破。1 9 9 5 年以后，由列车运行记录器发展起来的列车运行监控装置 以其特有的车载线路数据存储方式，受到应用主管部门的肯定并迅速在全路 推广。至目前，l k j 一9 3 监控装置加通用式机车信号的车载控制模式已覆盖 全路绝大部分机车( 包括时速2 0 0 舢的高速铁路) 。2 0 0 1 年，l k j 一9 3 的 替代产品l k j 一2 0 0 0 车载设备投入使用，监控模式在我国实现进一步发展。 但是，这种控制方式与国际公认的超速防护系统存在一定的距离，主要表现 为：作为l k j 控制的基础机车信号( 连续信息接收) 系统，尚不能达到 主体化的要求；作为连续信息的补充点式信息，尚未在列控系统中广泛 应用；作为安全的控制输出，还必须依赖司机的正确操作。这些都将是安全 隐患，并随着列车速度的提高而突出。作为超速防护系统，如基本功能、人 机界面、相应的规范和标准不完善：管理者、研制者、使用者和维护者认知 水平存在较大的差异，将很难使我国铁路列控系统的研究达到一个新的层 次。 因此，随着现在既有线提速、准高速及客运专线的开工建设，a t p 在保 证列车安全运行方面显得尤为重要。事实证明，在列车高速运行的条件下地 面信号难以辨认，没有a r p 的车载信号方式难以适应缩小的行车间隔。以地 面自动闭塞为基础，以车载信号为行车凭证的列车控制系统势在必行。目前， 我国铁路信号系统领域能适应的客运专线、高速铁路以及地铁运输需要的列 控系统相对落后，已经成为制约其进一步发展的瓶颈。随着既有线提速、高 速线、客运专线的开工建设，结合中国铁路现状提出适合中国国情的c t c s 标准已是当务之急。 1 3 选题的意义及研究内容 1 3 1 论文研究的意义 安全和效率是铁路运输生产永恒的主题。列车控制系统就是实现这一主 题的最关键一环，也是高速铁路发展中最重要的系统之一。一方面，它由地 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 面轨道电路、车站闭环电码化、应答器设备、车载设备、地面列控中心等组 成，而车载设备又包括车载安全计算机、轨道信息接收单元( s t m ) 、应答器 信息接收单元( b t m ) 、制动接口单元、记录单元、人机界面( d m i ) 、速度传 感器、轨道信息接收天线、应答器信息接收天线等，可谓涉及面广，堪称系 统工程。另一方面，列车控制系统由于物理结构复杂，且必须克服因长期户 外露天作业带来的自然因素、环境因素的多重影响，要求通过通信信号、无 线传输等各种通信手段使各予系统协同配合工作，因而其控制机理相当复 杂，属于大规模的、对实时性、可靠性要求高的一种控制系统。由此可见， 利用合适的工具或手段建立研究平台，对这一大型而重要的系统进行工作过 程及性能分析，显然是十分重要而且也是十分必要的。 p e t r i 网自1 9 6 2 年提出以来，经过4 0 多年的发展，已经成为具有严密 的数学基础，多种抽象层次的通用网论。作为一种重要的形式化方法，p e t r i 网采用了控制流式的结构，不仅简洁、直观，使系统设计者、开发者更易于 对实际问题的分析和模型化，而且以其较强的数学基础，能分析系统软、硬 件众多方面的特性( 如功能性、安全性、可靠性、死锁、实时性等) ，因而 得到了广泛的应用。因此，本谋题用p e t r i 网理论对列车控制系统建模，分 析其动态性能，是十分有意义的。 “十一五”期间，我国将修建京津、武广、郑西等时速在2 0 0 k m h 以上 的客运专线。作为客运专线建设的配套工程或子项目之一，高速列车控制系 统的研究和开发亦正在紧张进行之中。在这种背景下，本课题以c t c s 2 2 0 0 为基础，利用p e t r i 网建立列车运行控制系统模型，并对其进行性能分析， 必将对我国列控系统的研究与开发奠定理论上的基础。 1 3 2 论文研究的内容 在对列车控制系统进行全面分析的基础上，利用p e t r i 网理论建立列车 运行控制系统的工作过程模型，并对其进行安全性、可达性等方面的分析， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 作出列控系统分析报告。具体丽言，一是要研究世界各国列控系统的工作原 理、工作过程及发展情况，并且对其进行定性分析。二是要研究高级p e t r i 网建模的理论与方法。三是要用p e t r i 网对c t c s 2 2 0 0 系统进行建模。四 是要对所建立的列控系统模型进行可达性、安全性等方面的分析。如前所述， p e t r i 网经过4 0 余年的发展，已成为一种十分成熟的理论和工具，其分析过 程可利用计算机进行仿真，并已有应用于线路设计、计算机软件、人工智能、 形式语义、数据管理、柔性制造、系统优化、生产高度、智能交通等方面的 成功实践。因此，本课题利用p e t r i 网对列控系统进行建模、分析，是完全 可行的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章p e t r i 网理论与建模分析方法 p e t r i 网的概念最甲由c a l l a d a m p d d 博士于1 9 6 2 年在他的博士学位 论文用自动机理论通信中首次提出。出于p e t r i 网可以简洁、深刻地刻 划控制系统，尤其是那些含有并行操作成分的系统的动态性质，因而受到了 越来越多的有关几十的关注1 4 】。近年来，为了满足科学研究和实际应用的需 要，p 武“网得到了较快发展，并出现了随机p e 仃i 网、着色p e t r i 网、时间p e t r i 网等新的子类。实践表明，p e 仃i 网的进一步发展，使其不仅为一种对离散系 统建模的r 具，而且能够利用其相关的参数，对模型进行定性及定量分析。 鉴于此，p e t “网的应用也愈加广泛。 2 1p e t r i 网建模与分析的优越性 p e t r i 网最初用来描述模拟通信系统的，后来逐步用于描述网络的通信过 程。通用网论的进一步研究和发展，为p c t r i 网理论奠定了坚实的理论基础， p e t “网的应用也随之日益广泛。大量的实践表明，p e t r i 网建模具有以下特点 和优越性： 1 、从组织结构、管理、控制的角度模拟系统，不涉及系统所依赖的物 理和化学原理i 2 、精确地描述系统中事件间的依赖关系和不依赖关系，或者说，可以 确切地表示某个事件在集合中的因果关系和独立性； 3 、适用于描述以规则的流动为特征的系统； 4 、能够描述系统的复杂关系，如并发、分布、逻辑关系等； 5 、有很好分布式理论基础和直观的图形描述方式”。 如前所述，本论文的研究对象列车控制系统，是车载设备和地面设备的 总称，具有多模块子系统集成的特点，这种结构上的特征使系统具有很强的 总称，具有多模块子系统集成的特点，这种结构上的特征使系统具有很强1 1 i 勺 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 层次性和分布性特性，而且各子模块之间不是孤立运行的，它们相互之间存 在着复杂的交互性。由此可见，p e t r i 网恰恰具有描述列车控制系统的能力。 归结起来讲，利用p e t r i 网对列车控制系统建模具有以下优点： l 、几十年的发展为p e t r i 网奠定了坚实的理论基础，因此将它利用于工 程研究，具有理论上的可行性。不仅如此，它几十年来的成功应用，为我们 的应用研究提供了丰富的经验和可借鉴的范例。 2 、p e t r i 网模拟能力强，可完全满足列车控制系统组成单元多、结构复 杂，对并发性、连续性、可靠性要求较高的需求，并且具有图形化、直观易 懂等特点。 3 、p e t r i 网认为资源是有限的，这与我们对列车控制系统中轨道、机车 的资源的看法是基本一致的。 4 、随着p e t “网的进一步发展，其应用环境愈加深远，因而必将为我们 今后利用其对列控系统作步的研究提供更为坚实的理论基础。 综上所述，用p e t r i 网对列车运行控制系统建模与分析，不仅完全可行， 而且具有明显的优势性。 2 。2 p e t r i 网理论 2 2 1p e t r i 网的基本概念 p c t r i 网的应用是通过模拟实现的。在模拟的过程中，其基本术语和约定 如下： 1 、资源是与系统生变化有关的因素，如工具、设备、数据及信息等； 2 、变迁( t r a n s i t i o n ) 是资源的消耗或产生，对应于位置的变化。 3 、位置( p 1 a c e ) 是资源按其在系统中的作用分类，每一类存放一处； 4 、容量是位置对存储资源的数量限制。 p e t d 网的图形化表示方法是：通用圆圈表示位置，旁边的文字为位置的 名称，在整个网中是唯一的。位置旁边的数字表示其容量，若不标注则为无 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 穷大，即表示位置的容量足够大，不会对系统的行为产生影响。用矩形或粗 杠表示变迁，旁边的文字为变迁的名称，在整个网中也是唯一的。圆圈中的 黑点叫做令牌或托肯( t o k e n ) ，它反映着库所代表的局部状态的动态实现情 况，黑点的数量表示该种资源的数量，若某位置中包含一个托肯，则表示该 位置所代表的局部状态就是一次实现( 条件或结果为真) ，若位置中无托肯， 则表示位置所代表的局部状态尚未实现( 条件或结果为假) ；用从x 到y 的 带箭头的线，表示资源的流动方向，即有向线段表示流关系( x ，y ) ，线上 的数字表示产生或消耗资源的数量，若不标，则默认为1 。 定义2 1 一个四元组n = ( p ，t ；i ，o ，u o ) 是p e t r i 网i 镍 ( 1 ) p u f o ( 网非空) ： ( 2 ) p n p g ( 二元性) ； ( 3 ) i ：p 斗t “为输入函数，它是从位置到变迁的一个映射； ( 4 ) o ：t 叶p m 为输出函数，它是从变迁到位置的一个映射； ( 5 ) u o ：p e t r i 网的初始标识。 2 2 1p e t r i 网的运算规则 定义2 2 在一个带标识u 的p e t r i 网c = ( p ，t ，i ，o ) 中，如果刘予 每一个p i p 都有 u ( p i ) 毒( p i ，i ( 自) ) 则称变迁节t 。是使能的。 定义2 3 在一个带标识u 的p e t r i 网c = ( p ，t ，i ，o ) 中，当变迁节 t ，使能时，它可以引发。引发一个使能的变迁节t 。，产生一个新的标识u ， u ( p i ) 2 u ( p i ) 一# ( p i ，i ( t j ) ) + 拌( p i ，o 妈) ) 2 2 3p e t r i 网的特性 1 可达性 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 定义2 4 若从初始标识m o 开始激发一个变迁序列产生标识舢，则称 m ，是从m o 可达的：若从m o 开始只要激发1 个变迁即可产生m r ，则称m ，是 从m o 立即可达的。所有从m o 可达的标识的集合称为可达标识集。 从直观上看，一个状态标识即“托肯”分布m r 为可达意味着，在给定 的初始标识m 。下经过有限次变迁节点触发到达“托肯”分布m ，【。 2 安全性 定义2 5 在一个带初始标识u 的p e m 网c = ( p ，t ，i ，o ) 中，如果 对任何u r ( c ，u ) ，都有u 1 ( p i ) 1 ，我们称位置p i 是安全的。如果个p e t r i 网的每一个位置都是安全的，我们称这个网是安全的。 3 有界性 定义2 6 在一个带初始标识u 的p e t r i 网c = ( p ，t ，i ，o ) 中，如果 对任何u r ( c ，u ) ，都有u ( p i ) 兰k ，我们称位置p i 是卜安全的。如果一个 位置是k 一安全的，我们说这个位置是有界的。如果一个p e t r i 网的所有位置 都是有界的，我们说这个网是有界的。 2 3p e t “网系统的建模与分析方法 一个大中型的模型库所生成的p e m 网是极其巨大的，它的连线非常复 杂，一般用肉眼很难区别。在利用p e t r i 网进行建模时，因要同时支持不同 层次的用户，所以必须充分利用各类用户的信息，逐渐使模型完善，其主要 过程如下： 1 、系统结构的p e t r i 网表示 这一过程是支持信息用户，用p e t r i 网表示模型的功能流程，描述各个 模型执行的先后次序，面不研究各个子模型的具体内容。在p e t r i 网中，库 所表示各个子模型状态，状态的变化过程就是把模型执行的次序，变迁还是 用来表示子模型的算子，算子不仅仅是个约定的符号。这样，可把子模型 之间连接关系通过p e 撕网表示出来。实际上，这一过程是对系统结构的描 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 述，它体现了整个系统的结构模型。 2 、p e t r j 网的进一步完善 根据上面的p e t r i 网，再进一步明确各个模型，包括输入、输出库所的 连接和算子的刻画。这样，只要确定p e 仃i 网的起始变迁，就可运行和分析。 在运行过程中，若发现它同实际情况不符，可对p e t r i 网进行修改。 3 、p e t r i 网的简化 在模型库中，如果算子被刻画得非常基本，也就是把模型被划分得非常 细，那么它所形成的p e t r i 网将非常大。为了简化p e t r i 网，把可组合的算子 重新组成一个新算子。这样，表示新算子的变迁可代替原有的所有表示被组 合算子的变迁，而且表示中间变量的库所可省略。 下面通过一个实例说明p e 打i 网的应用。图2 。1 形式化描述了列车出站， 作业资源的动作状态。表2 1 给出了此p e t r i 网中各变迁和位置状态的意义。 p = p i ，p 2 ，p 3 ，p 4 ，p 5 ，p 6 ，p 7 ，p 8 ，p 9 ，p l o ，p ) t = t t ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，t 5 ，t 6 ) i ( t 1 ) = p 1 )i ( t 2 ) = p 2 ，p 3 i ( t 3 ) = p 4 ，p 6 ) i ( t 4 ) 2 p 5 ，p 7 i ( t 5 ) = p 8 )i ( t 6 ) = p 9 ，p l o ) o ( t 1 ) 2 ( p 7 ，p 2 )o ( t 2 ) = p 4 ，p 9 )0 ( t 3 ) = p 9 ，p l o o ( t 4 ) 2 p 6 ，p 8 ) o ( t 5 ) = p l o ，p 1 1 )o ( t 6 ) = ( p 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 t l p 7 p 8 b 图2 1 列车出站p e 岍网的图结构 表2 - 1 发车进路p e t r i 网中各变迁，位置的物理意义 位置变迁 p 1 ：列车请求发车t 。：同意请求 p 。：发车命令t 。：锁闭迸路 p 。：进路上设备空闲 t ，：开放信号 p 。：信号开放标志t 。：列车进入进路 p 。：信号关闭标志t ；：列车出站 p 。：列车等待出发t 。：进路解锁 p ，：列车出发 p 日：出站准备状态 p 。：进路中设备锁闭标志 p “列车已出发标志 p = 列车进入区间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 本章小结 本章首先简要介绍了p e t r i 网的发展历程，然后介绍了利用p c t r i 网对离 散系统建模与分析的特点和优势。因p e 衄网的相关内容并非本文的重点， 仅仅只是一种工具而已，因而本文仅根据需要，简单地介绍了p c 仃i 网的相 关概念，运行法则等。最后，给出了一个具体的例子，用以说明用p e 仃i 网 建模与分析的步骤、方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章列车控制系统的工作原理及工作过程 列车控制系统是地面列控中心、车载列控设备、轨道电路、无线通信等 协同配合，用以调整列车运行间隔，确保行车安全的综合自动化控制系统。 其主要作用，一是防止列车冒进关闭的信号机；二是防止列车错误发车；三 是防止列车退行；四是防止列车超速通过道岔；五是防止列车超过线路允许 的最大速度；六是监督列车通过临时限速区段；七是在出入库无信号区段限 制列车速度。本章将首先介绍c t c s 2 2 0 0 列车控制系统的构成，然后对发 达国家的列控系统进行介绍和研究。 3 1 列车控制系统的组成及主要功能 3 1 1 列控系统的结构 根据c t c s 技术规范，c t c s 系统由车载子系统和地面子系统组成( 如 图3 。l 所示) 。 地面子系统由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络( g s m r ) 、列车控制中心( t c c ) 无线闭塞中心( r b c ) 。g s m _ r 不属于c r c s 设备，但为很重要的组成部分。 应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固 定信息，也可连接轨旁单元传送可交信息。轨道电路具有轨道占用检查，沿 轨道连续传送地车信息功能，应采用u m 系统轨道电路或数字轨道电路。无 线通信网络( g s m r ) 是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传 输的车地通信系统。 列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面予系统或来自 外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令， 并通过车地信息传递系统传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内的列 车运行安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 1c t c s 2 2 0 0 列控系统构成国 如果车间距离过大，则每1 5 2 0 k m 还要在区间设立控制中心。图3 2 是列车运行控制系统的地面设备框图。控制中心通过电缆与铁路线上的轨道 电路、信号机等设备相连。地面设备主要完成列车位置检测、形成速度信号 并将此信号传递给列车。车载设备将按照速度信号控制列车运行。 车载子系统由c t c s 车载设备和无线系统车载模块组成，前者是基于安 全计算机的控制系统，通过与地面子系统交换信息来控制列车运行；后者用 于车载予系统和列车控制中心进行双向信息交换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 2 列车运行控制系统地面设备框图 为保证列车运行控制系统不问断地工作和加强设备的维修与管理。在列 车运行控制系统的地面和车上都安装有监视设备。地面监视系统可以检测信 号机、轨道电路、地面控制中心的接收和发送等。检测结果可以在维修工区 显示及储存，也可以通过通信网送往维修基地和调度中心。设备异常前数小 时内信号设备动作情况可以保存下来，供故障分析用。车上监视设备可以将 列车运行过程中速度信号、制动装置以及列车实际速度和司机操作状态保存 下来，一般可保存1 2 7 2 h 有关运行安全的资料，若出现重大事故，这些资 料可用于事故分析。 3 1 2 列控系统的速度控制模式 列控系统按照地面向机车传送信号的连续性来分类，可分为点式和连续 式两大类，一般而言，采用连续式列控系统是主流。连续式列车控制系统按 照超速判定来分，一般分为三种，一种是阶梯速度控制方式，第二种是曲线 控制方式，第三种是目标距离方式( d i s t a n c et og o ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 1 2 1 阶段速度控制方式 v m v 3 v 2 v 1 0h h h 图3 3 列车出口控制方式示意图 所谓阶梯速度控制方式，就是指列车在每个闭塞区间内，只有一种目标 速度。在该区间内，列车无论在何处都按固定的速度来判断列车是否超速运 行。若超过此目标速度，a r p 将实旅制动，使运行速度在目标速度之下。阶 梯速度控制方式又可细分为出口检查和入口检查两种方式。 出口检查方式( 如图3 3 所示) 要求列车在区间运行的过程中，将运行 速度降低至目标速度，设备在闭塞出口时进行检查。如果列车实际运行速度 没有在目标速度以下，则实施自动制动。显然，这种方式由于在区间末即停 车信号处才进行速度检查，因此在要求速度为零处的实际速度却不为零，因 而在制动后列车要走行一段距离才能停车。因此在停车信号后需要有一段防 护区。 胁m 瑚 猢 钟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 l ，m v 埘v 3 v 2 v 1 0 h h h 图3 4 列车入口控制方式示意图 在入口检查方式( 如图3 4 所示) 时，列车在各个闭塞分区的入口收 到目标速度信息，要求立即以此速度对实际运行速度进行检测。若实际运行 速度高于目标速度，则进行制动，使实际运行速度降低至目标速度，以确保 行车安全。 从以上分析可知，阶梯控制方式完全不需要距离信息，只要在停车信号 与最高速度之问增加若干中间速度信号，因此轨道信息量较少，设备相对比 较简单。这位传统的控制方式是目前高速铁路普遍采用的控制方式。 3 1 2 2 曲线控制方式 曲线控制方式来自于阶梯控制方式的原理。它是将阶梯控制中上一个闭 塞分区的入口速度和下一闭塞分区的出口速度用曲线连接起来。这样一来， 歹l j 车在每一个闭塞区闻的运行目标速度不再是一个固定值，甚至不是一个常 数，而是与前方距离的函数。也就是说，列车的实际运行速度将随着目标距 离的临近而渐近降低，直到零速度为止。 上述的速度控制方式存在以下不足之处： 肌瑚 瑚 枷 脚 啪 如 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 一是如果列车实际速度大于信号允许速度自动使列车制动，这时一般采 取最大的制动力，虽然可以保证行车安全，但减速急剧变化影响旅客乘坐舒 适性。 二是线路上运行不同制动性能的列车，为保证安全，闭塞分区长度一般 按照制动性能最差的列车选定。因此，对于制动性能好的列车就会发生不必 要的过早制动，影响行车效率。 三是采用多段制动方式，每个闭塞分区都要考虑列车从入口速度降低到 出口速度减速制动距离。列车实际的减速过程要包括列车在信号设备动作时 间及制动空走时间中走行的距离，此外还要在保护点之前留有一定安全距 离。如果列车从2 0 0 l ( i i l 1 1 分三段降到速度o ，则存在3 个空走距离和3 个安 全距离。如果只用一次制动的话，则只需要一个空走距离和一个安全距离。 分段制制动显然增加了列车的追踪间隔。 四是进一步提高列车速度要改造地面设备，特别是地面a t c 信号投入 使用之后再提速不但要更换设备，还会影响线路的正常营业。 3 1 2 3 目标距离控制方式 通过上述分析可知，对于每个闭塞分区规定一种速度等级，采用入口阶 梯控制、出口阶梯控制，或曲线控制的方式是当前各国高速铁路列控模式的 主流。但是，目标速度一目标距离模式能充分发挥线路的运输能力，一次制 动增加了旅客舒适性。 图3 5 给出了目标速度一目标控制方式的示意图。闭塞分区的分界点处 o 为停车点。从0 点有两条曲线。曲线l 为最大常用制动力时制动初速与制 动距离的函数曲线。曲线2 为小常用制动力时制动初速与制动距离的函数曲 线。 在图中，1 号闭塞分区有车占用，因此o 点为目标点，目标速度为o ， 目标距离l 3 ( 3 号闭塞分区长度) ，5 号闭塞分区传递信息为目标速度o ，目 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 标距离l 3 + l 5 ( 3 号闭塞分区长度+ 5 号闭塞分区长度) ，余此类推。 打 h 绿 、 v 0 t 3 号1 l 号9 号7 号 5 号 3 号 l 号 u k m 图3 5 目标速度一目标距离制动控制方式原理图 假如有一列车以速度v 运行，它驶入1 3 号分区时司机就知道在 l 1 3 + l l l + l 9 + l 7 + l 5 + l 3 处要停车。但由于速度不高，目前不需要减速。当列车 进入7 号分区后走行一段距离，此时水平直线v 与曲线2 相交，表明列车采 用小常用制动可以使列车在0 点前停车。列车继续运行在5 号闭塞分区与曲 线i 相交。此时表明列车只有采用最大常用制动力可以使列车在o 点前停车。 这样速度为v 的水平直线被曲线2 和曲线1 分为三个区域，其中曲线2 的左 侧为绿色区，曲线2 与曲线l 之间为黄色区，曲线1 右侧为红色区。列车在 绿色区间运行，机车信号显示为绿色灯光，表示列车可以按速度v 正常运行。 列车在黄色区运行，机车信号显示黄色灯光表示歹1 j 车应当减速运行。列车进 入红色区域机车信号显示半红半黄色灯光，列车只有采用最大常用制动，强 迫列车在停车点前停车才能防止冒进。 目标速度目标距离控制方式中曲线1 距离的计算公式为： s = s l + s 2 + s 3 + s 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 式中s i 一列控设备响应时间中列车走行距离； s 2 一列车制动空走距离： s ，一最大常用有效制动距离； s 。一防止列车过走的防护距离。 曲线2 距离的计算公式为： s = s l 十s 2 十s 3 + s 4 + s 5 式中s ，一列控设备响应时间中列车走行距离； s 广司机反应时间中列车走行距离； s 3 一列车制动空走距离： s 。一小常用制动力时的制动距离： s 5 一防止列车过走的防护距离。 目标速度一目标距离控制方式中列车追踪间隔时间的估算公式是： i 枷6 查：型辇兰型 v 砭7 其中s 一列车小常用制动时的制动距离，m ； lm 一闭塞分区长度，m ； l 一列车长度，m ； v 坶- 一列车在此区间平均速度，k i n m 。 从上面的计算公式可以看出，目标速度目标距离控制方式中，制动距 离计算只考虑一次制动空走距离，列车追踪间隔并不定是整数个闭塞分区 长度，不同运行速度列车其追踪间隔不同。因此又称之为准移动闭塞方式。 这种控制方式较阶梯曲线控制方式更能发挥线路的通过能力。 3 2 发达国家列控系统研究 随着信息控制技术的进步，世界各国铁路都在开发和使用新的列车控制 系统。早在2 0 世纪7 0 年代，欧洲一些发达国家( 如德国、英国、法国) 已 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 开始在干线铁路及城市轨道交通上安装了各自的自动列车运行控制系统。进 入2 0 世纪9 0 年代后，随着“欧洲统一”大气候的形成，欧洲国家的铁路官 员和主要生产厂商开始研讨适合于全欧铁路干线网的列车速度自动控制系 统的技术标准。总的来说，各国铁路开发新列车控制系统的重点虽各不相同， 但主要目标是相同的，那就是提高列车运行安全性、增强铁路运力、提高服 务质量、提高铁路系统的灵活性和降低成本。“钝山之石，可以攻玉”。认真 研究国外特别是发达国家的列控系统，对于开发我国具有自主知识产权，符 合我国国情和路况的客运专线列控系统，有着十分重要的意义。 3 2 1 日本新干线的a t c 系统 日本铁路集团各公司为提高安全性能和运行时速，在诸如高性能车辆韵 研制等方面作出了不懈的努力。1 9 9 3 年3 月，在东京和博多之间的东海道和 山阳新干线上，开始运行“希望”号列车该车使用了3 0 0 系列多节动车组， 运行时速高达2 7 0 k m 。日本铁路认为，高速行车时，采用常规的以地面信号 为主的闭塞制式已不安全。从2 0 世纪5 0 年代后期，日本就开始发展电源同 步单边速( s s b ) 方式的a r c 系统，从1 9 6 4 年东海道干线开通起投入运营。 a t c 车载设备与我国普通机车信号不同，它不向司机预告前方地面信号的灯 光显示而是给出列车所在区间的目标速度。采用a t c 设备后，司机按照机 车上的a t c 速度信号行车，普通自动闭塞采用的地面信号机就不设了。新 干线a t c 全线采用音频轨道电路，列车经过的正线、到发线、咽喉区都发 送相应的速度信号，司机按照机车上的速度信号进出站。其系统框图如图3 6 所示。系统的主要功能为： ( 1 ) 检查列车在区间的位置( 列车检测) ； ( 2 ) 调整列车间隔区间( 形成速度信号) ： ( 3 ) 向机车传送速度信号( 信号传输) ； ( 4 ) 按照速度信号控制列车制动( 制动控制) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 完成第( 1 ) ( 3 ) 项功能的是a 1 1 c 地面设备，完成第( 4 ) 项功能的 是车上设备。当然，地面设备与车上设备一起才能完成a t c 功能，车上设 备仅是a t c 系统的一个组成部分。 曝 图3 6 日本新干线a 1 c 系统框图 新干线采用速度分级、入口制动、自动缓解的控制方式。以东海道为饲， a t 区间及车站速度控制方式如图3 7 、图3 8 所示。为防止列车冒进信号， a t c 系统除靠轨道电路连续传送速度信号外，还设有一些辅助信号，如信号 机前方设置p 点。当轨道电路发送3 0 信号( 即限速3 0 k l 1 1 ) 时，经过p 点 后变为0 1 停车信号( 即