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p e t r i 网在井下机车调度中的建模与仿真 摘要 本文介绍了井下机车调度系统的的发展现状、发展趋势。介绍了建模工具 p e t r i 网的来源以及特点，同时对p e m 网的理论进行了系统的介绍。由于矿井机 车运输监控系统是典型的离散事件系统，采用离散事件系统的建模方法对其进 行建模有助于分析调度联锁过程的正确性和安全性。因而本文着重阐述离散事 件建模工具p e t r i 网对调度规则的建模过程，在文章的最后给出了一套与实 际井下调度系统k j l 5 a 相配套的仿真系统设计方案。 论文主要工作可归纳为： 1 ) 介绍了井下机车调度系统，总结了系统应用的意义，对井下机车调度系 统在我国的发展现状进行了总结，展望了其发展趋势，引入了建模工具p e 伍网， 介绍了它的发展历史。 2 ) 介绍了p e t r i 网的理论体系，p e t r i 网理论体系中的重要部分作了介绍。 3 ) 分析了机车调度联锁的基本规则，采用有色p e t r i 网对矿井机车调度联 锁过程进行了建模。在建模的过程中，对库所和变迁进行了着色：使用约束组 合弧并结合外部输入的车到和过车信息，对机车运行路线错误、任务内闯红灯 等意外情况进行了描述；对进路的闭锁和解锁情况进行了细分，根据保证安全 和兼顾效率的原则，建立了不同的控制方式；最后给出了调度联锁过程的整体 p e t r i 网模型。 4 ) 给出了一套与k j l 5 a 相配套的仿真系统设计方案，为下一步利用p e t r i 网进行仿真提供了支持。 关键词：机车运输监控；有色p e t r i 网；仿真；调度联锁 d i s p a t c h i n gm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go f l o c o m o t i v ei nm i n e b a s e do np e t r in e t a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dw e n do fl o c o m o t i v ed i s p a t c h i n gs y s t e mi nm i l l eh a s b e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n ，o r i g i na n do fp e t r in e th a sb e e ni n t r o d u c e d l o c o m o t i v et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi nm i n ei sak i n do ft y p i c a ld i s c r e t ee v e n t s y s t e m i ti sh e l p f u lt 0a n a l y z ec o r r e c t n e s sa n ds a f e t yo fd i s p a t c h i n ga n di n t e r l o c k i n g p r o c e s sb yb u i l d i n gam o d e lu s i n gs o m em o d e l i n gm e t h o df o rd i s c r e t ee v e n ts y s t e m s m o d e l i n gp r o c e s so fd i s p a t c h i n ga n di n t e r l o c k i n gb a s e do np e t r in e th a sb e e n s t r e s s e de x p a t i a t e d as i m u l a t i n gs y s t e mp r o j e e tw h i c hi sf o rk j l5 ah a sb e e nb r o u g h t f o r w a r d w o r ki nt h i sp a p e r ： 1 1d i s p a t c h i n gs y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d t h e n , m e a n i n go f u s i n gd i s p a t c h i n g s y s t e mh a sb e e ns u m m e du p d e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dt r e n do fl o c o m o t i v e d i s p a t c h i n gs y s t e mi nm i n eh a sb e e nm e n t i o n e d p e t r in e ta n d i t sh i s t o r yh a sb e e n i n t r o d u e e d 2 1i m p o r t a n tp a r to f p e t r in e tt h e o r yh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r 3 1b a s i cr u l e so fd i s p a t c h i n ga n di n t e r l o c k i n ga r ea n a l y z e d t h ec o l o r e dp e t r i n e ti su s e df o rm o d e l i n g i nt h ep r o c e s so fm o d e l i n g p l a c e sa n dt r a n s i t i o n sa r e c o l o r e d ，a n ds o m em i s t a k e s ，s u c ha sm o v i n gi n t oa ne r r o rs e g m e n to ri n t r u d i n gi n t oa r e d - l i g h t sa r e ai n i t sa s s i g n m e n t , a r ed e s c r i b e db yc o m b i n i n gi n h i b i t - c o m b i n a t i o na f c w i t hl o c o m o t i v e sr e a c h i n ga n dp a s s i n gi n f o r m a t i o ni n p u t t e df r o mo u t s i d e d i f f e r e n t c o n t r o lm o d e sa r ee s t a b l i s h e dt os u i td i s t i n c tc a s e so fl o c k i n ga n du n l o c k i n g i nt h e e n d ，t h ew h o l em o d e lo fd i s p a t c h i n ga n di n t e r l o c k i n gp r o c e s sb a s e do np e t r in e ti s o f f e r e d 4 、as i m u l a t i n gs y s t e mp r o j v e tw h i c hi sf o rk j l 5 al i a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d i t w o u l db es u p p o r t e df o rs i m u l a t i n gb a s e do np e t r in e ti nt h en e x ts t e p k e y w o r d s ：l o c o m o t i v et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l ；d i s p a t c h i n ga n di n t e r l o c k i n g ；c p n ； s i m u l a t i o n ； 插图目录 图2 1 有界p e t r i 网。1 2 图2 2 有界p e t r i 网的可达标识图r o ( e ) 1 2 图2 3 渔夫收网1 7 图3 1 k j l 5 a 体系结构1 8 图3 2 第一类约束弧2 2 图3 3 第二类约束弧2 2 图3 4 约束组合弧2 3 图3 5 有色约束组合弧原象2 3 图3 6 机车运行于进路内部。 图3 7 预占用申请 2 9 3 0 图3 8 联锁运算3 l 图3 9 信号灯控制3 2 图3 1 0 进路结合段3 2 图3 1 1 机车运行路线错误3 3 图3 1 2 任务内闯红灯3 3 图3 1 3 机车运行路线错误3 4 图3 1 4 任务内闯红灯3 4 图3 1 5 运行路线错误后区段解锁3 5 图3 1 6 更新错误机车的位置3 5 图3 1 7 异常情况处理3 6 图3 1 8 异常情况恢复3 6 图3 1 9 调度规则p e 仃i 网模型3 7 图4 1 典型集散系统网络逻辑结构示意图3 8 图4 2 典型系统物理结构示意图。3 9 图4 3h c o 网协议层次模型3 9 图4 4 有根子网的站的编址。4 0 图4 5 局间地址4 0 图4 6 系统框架图4 3 图4 7 系统设备表结构4 3 图4 8 路段记录表结构4 3 图4 9 原文件读取模块结构“ 图4 1 0 正常连接模块4 5 图4 1 1 正常连接模块4 7 图4 1 2 正常连接模块流程图4 7 图4 1 3 设备模拟模块4 8 图4 1 4 设备模拟模块流程图4 8 表格目录 表3 1 库所说明2 7 表3 2 变迁说明2 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥日b 王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 姗签名南锯亏 签字日期秒瞻l 月儡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目e 王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 壁王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 铆期：呼 劭茑 名? 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 7 隶 叼 j 刁年t 好婚 f ，葡嗡 致谢 本文是在导师陆阳教授的严格要求和悉心指导下完成的。在三年的研 究生学习期间，陆老师对我的学习和生活均关心备至，倾注了大量的心血， 使我在各方面均有长足的进步。陆老师活跃的学术思想，渊博的知识坚 韧的毅力，忘我的工作态度，对事物敏锐的观察力都令我钦佩不已，给我 留下了深刻的印象。陆老师对我的鼓励和帮助，将使我终生受益。值此论 文完成之际，谨向导师致以衷心的感谢。 同时，感谢杨晴晴、焦亨炼、王俊伟、苑良等同学的关心和帮助。还要感 谢试验室的师兄弟们在学习期间给我的帮助和友情。他们在我遇到困难的时候 给与了我无私的帮助。 最后，真诚地感谢有关专家和学者对本文的评阅和指导。 1 1 井下机车调度系统概述 第1 章绪论 井下机车监控系统，俗称“信、闭、集”系统是列车在运行过程中，通过 各类装置( 如记轴器、红外定位等传感器) 把列车运行的位置、状况实时的传 输给监控系统，系统根据事先定义的调度联锁规则自动为机车开放进路、搬动 道岔、从而指挥机车运行。调度员通过放置在调度室里的各种显示装置，监控 在井下运行的各辆机车，通过调度系统给出的各种控制功能指挥列车的运行。 机车司机只需按照井下信号灯的指示来操纵机车的运行。 1 1 1 矿井采用调度系统的必要性 铁路信号设备是铁路运输生产的基础设备之一，是铁路实现集中统一指挥 的重要手段，是保障行车安全、提高运输效率和运营管理水平的重要设施。目 前，我国许多矿井轨道运输仍采用电话闭塞，人工记忆车辆运行状态，机车开 出后变成了黑车。在一些条件差的矿井，甚至没有任何通讯工具，调度员与司 机之间没有联系，机车运行秩序混乱，事故频繁；电话闭塞和人工记忆机车运 行状态是十分原始的调度形式，本身就含有隐患，调度员长期靠记忆，稍微疏 忽就可能酿成重大行车事故：井下巷道窄，照明度低，且频繁的巷道施工环境 也易发生事故。下面是对某煤矿1 9 7 3 1 9 8 3 年运输事故统计，1 1 年共发生事故 4 7 9 起，伤亡4 6 人，损坏机车1 0 台，矿车5 5 辆，撞坏巷道支护9 6 架，平均每 年事故4 5 6 起，伤亡4 4 人。数据显示我国矿井运输伤亡占事故总量的 2 6 0 0 ，排在各类人身伤亡事故的第二位。 随着我国煤矿生产的发展，井下机车运输有了长足的发展。在许多国家大 型煤矿中，都已采用了运输监控系统来辅助管理机车的调度，以达到提高煤矿 生产效率的同时保障煤矿生产的安全。通过对各个煤矿的具体分析与设计，使 得井下运输路线能够真实的反映在系统调度平台上，调度人员可以清晰的了解 机车运行状况、便捷的调度机车的运行。大大的提高井下运输的效率、保障了 生产的安全。由于调度平台的帮助，工作人员的工作强度也相应的得到了减轻。 采用调度系统的必要性主要是在以下两点： 1 ) 提高调度效率：井下机车运输监控系统，是电脑辅助调度系统。在机车 运行的过程中，首先，调度人员通过监控系统的显示对井下机车的运行情况有 全面的了解可以及时的调整机车运行路线，避免井下机车堵塞。其次，机车的 调度除一些特殊情况外，大多数正常调度是由电脑按照事先设置的调度规则自 动进行的。彻底改变了以前手动板道岔、电话调度的情况。机车司机只需按照 井下信号灯的指示运行，兔去了与监控室时刻保持联系的麻烦，大大提高了运 输的效率。 2 ) 保障了机车运行安全：由于大多数正常调度是由电脑按照事先设置的调 度规则自动进行的。只要事先设定的调度规则是正确的，机车运行就不会出现 调度安全问题，在机车运行的繁重时，调度人员执行调度任务时难免出现疏忽， 而电脑辅助调度则有效的减少了人为事故发生的可能。 由此可以看出，机车调度系统对于井下机车运输的重要性，大力发展井下 机车调度系统是十分必要的。 1 1 2 井下机车调度系统的主要功能 井下机车调度系统的主要功能包括： 1 ) 基本闭锁功能：在巷道口、车场出口等位置设置信号灯，实现了区间联 锁、敌对进路联锁、信号机和电动转辙机联锁等一般“信、闭、集”的全部功 能。 2 ) 显示及重演功能：通过各种井下传感器，井下运行机车各种数据( 运行 位置、速度、车类等) 、各区段占锁情况、道岔位置、信号机状态等信息都能以 模拟图、文字，表格的形式清晰的在调度室显示终端上显示。调度主机记录下 相关信息，在需要的情况下可以在显示终端上重演指定时间内的实际运输过程， 为系统的改进，分析事故原因提供依据。 3 ) 调度功能：系统按照事先设定的调度路线、调度规则，为有明确运输任 机车自动开放进路，以实现机车的自动调度。同时在系统自动调度过程中，调 度员可以根据需要调整机车的运行路线，以满足实际运输的需要。 4 ) 统计功能：在计算机上能打印有关数据。如闯红灯的车号、时间、地点； 统计每班、每日各煤仓的出煤量等。 5 ) 联网功能：系统能方便地与上级计算机联网，纳入矿、局的计算机管理 系统中。 6 ) 故障诊断功能：在显示设备上实时的显示井下各种装置的工作状态，自 动诊断故障性质和位置，在图形界面上显示出发生故障的设备，并以声音或其 它形式提示调度人员。 7 ) 语音功能：语音提示、语音报警、矿井内线电话、远地电话，语音信息 转发等。 1 2 井下机车调度系统的概况 随着煤矿事业的快速发展，煤矿安全高效生产也越来越受到重视。在此形 势下，井下机车监控系统的应用也越来越广泛，其技术也越来越成熟。在此， 介绍一下我国井下机车调度系统的发展情况。 2 1 2 1 我国井下机车调度系统现状 6 0 年代，我国引进了国外矿井“信、集、闭”系统，并在此基础上自主研 发出继电器逻辑控制的“信、集、闭”系统，推动了我国在矿井机车运输事业 发展，成为我国矿井机车运输系统发展的一个里程碑。8 0 年代，由于国家矿井 生产规模的不断扩大，运输量急剧增加，导致运输事故增加、运输效率降低， 造成人力资源严重浪费，我国又引进了匈牙利机车控制系统及加拿大森透里昂 机车监控系统。但由于矿井的特殊情况这些系统应用并不理想，如：现场环境 恶劣，使得系统使用的微波和红外传感器受电干扰严重、机械损坏高，微小的 故障可能使得大面积甚至整个系统无法正常运行。为了使得煤矿事业健康快速 发展，促进机车监控技术的发展，国家煤矿工业部于1 9 8 6 年下发的( 8 6 ) 煤生 字第1 4 3 号“关于加强轨道运输安全工作命令”指出：同一水平同时行使3 台 以上机车时必须设置“信号、集中、联锁”，区间要设置“信号、闭塞”。煤矿 安全规程对此也作了明确规定。在国家大力支持和发展下，国内出现三种计 算机控制的机车监控系统。其一，单板机式分级计算机实时控制系统。如k j 3 系统；其二，以三级计算机或二级计算机网络为核心，在地面主控室对井下大 巷的机车运行实现监控和自动调度，如k j l 5 系统。其中，1 0 3 是控制主机置于 井下调度站内的分站式结构系统；1 5 是控制主桃位于地面调度室的分站式结 构系统。其三，采用p l c 作为控制主机及模拟的集中控制系统，系统不设分站， 主机位于井下，地面设上位机管理系统，如融3 5 ，融4 1 等系统。 虽然，井下机车监控系统得到了长足的发展，但仍存在着一些问题： 1 ) 现有系统使用的电缆较多，使得系统安装工作量加大、维护难度增加。 2 ) 尽管，许多系统采用了相对高性能的主机，在系统系列化、通用化方面 取得了进展，然由于各煤矿井底车场、运输大巷、大巷交叉点、采煤区轨道路 线、机车运行方式有着较大差异，使得系统的设计仍未根本摆脱依据每个矿井 轨道运输具体情况编程的模式，做到像国家铁路信号中的电路模块积木化。 3 ) 系统性能有待提高，如传感器对机车位置判断不准确、道岔搬动不到位、 机车运行路线不合理等情况。 4 ) 硬件适用程度不好，由于井下潮湿、粉尘大等特殊情况，对硬件设备的 损坏较大，所以要求硬件质量进一步提高。 5 ) 各煤矿对系统的应用情况不一，据煤矿工业部1 9 9 4 年的调查显示：调 度系统正常使用并取得显著效益的只占4 0 5 ，相当数量的系统没有按预期正 常投入使用，对国家资源造成了浪费。 1 2 _ 2 我国井下机车调度系统发展趋势 轨道运输是煤矿最早采用、最为普遍的运输方式。虽然也出现了一些其它 形式的运输方式( 如：胶带运输等) ，但几乎所有矿井仍然保有轨道运输。随着 计算机技术的发展，井下监控系统也在不断提高、不断发展。发展的方向主要 体现在以下两个方面： 1 ) 系统的安全性：软件方面来，近年来，各个公司研发出的调度系统层出 不穷，系统的功能也越趋强大，在安全性方面也有了很大进步。然要做到系统 任何部分发生故障都安全尚有一定距离。研发方向以实现故障一安全为原则。 硬件方面，机车位置传感器需要反映机车甚至是一辆矿车的运行位置，传感器 的灵敏度、可靠性，采获数据的真实性直接影响系统的安全。以往采用过的传 感器有继电器、干簧管继电器、超声波、辅助导线、载荷压力、无线感应、红 外线等，这些传感器仍有不同程度受机车行驶速度和电压波动影响的缺点。近 年来，在国家铁路中已大量采用了一种连续式、能真实地反映列车位置的传感 器记轴器，但由于井下恶劣的环境，仍需改进传感头的结构、性能，形成 一独立器件，使得它成为满足通用化要求的。 2 ) 系统的适用性：井下轨道不同于国家铁路，各个煤矿的轨道路线、运行 方式有着很大的差异。但是国家铁路信号己实现的车站站场和区间布置选用模 块化电路，系统积木拼装化，是井下系统设计的发展趋势。同时在硬件的选择 方面，对器件的可靠性、使用寿命等方面要求也越来越高。井下器件的制造工 艺向着安全、可靠、耐用、适应恶劣环境能力强方向发展。 当前，机车监控技术市场混乱，煤矿损失严重，国家已经在其中引入市场 竞争机制，煤炭工业部已正式下文提出贯彻“积极而稳妥地发展矿井信集闭技 术”的方针，要求矿井信集闭项目要搞一个，成功一个，各个发挥效益。与此 同时制定下发了“井下机车信号技术与装备标准”，审定了“矿井信集闭系统合 设备推荐条件”，组织编写了“矿井信集闭项目设计承包资格审查办法”，以适 应市场经济，使技术市场逐步健康、有序发展。 1 3p e t r i 网概述 1 3 1p e t r i 网来源 p o r i 网的概念是1 9 6 2 年由德国科学家c a r la d a mp e t r i 在他的博士论文 “k o m m u n i k a t i o n m i t a u t o m a t e n ”( 用自动机通信) 中首先提出来的。为了使并 发这一概念直观化，论文中提出了一种用于描述物理进程和物理系统组合的网 状模型。由此发展起来的一类系统模型被称之为p e t r i 网。经过4 0 多年的发展， 不仅p e t r i 网理论本身己形成- - f 系统的、独立的学科分支，而且p e t r i 网在计 算机科学技术( 如操作系统、并行编译、网络协议、软件工程，形式语义、人 工智能等) ，自动化科学技术( 如离散事件动态系统、混杂系统等) ，机械设计 与制造( 如柔性制造系统) ，以及其它许多科学领域，都得到广泛应用。 4 1 3 2p e t f i 网的特点 短短几十年的时间，p e t r i 网已成为建模和分析工业系统的成熟工具。在最 近的二十年，经典p e t r i 网已扩展了颜色、时间和层次。这些扩展有利于那些注 重数据和时间的复杂过程建模。之所以如此快的被人们所接受，可以归结到p e t r i 网所具有的特点上： 1 ) 形式化语义：基于p e t r i 网描述的过程系统具有一个清楚明确的定义， 因为经典p e t r i 网和其扩展( 颜色、时间、层次) 的语义都是形式化定义的。 2 ) 图形化本质：p e t d 网是一种图形化语言。因此，p e t r i 网直观且易于学 习。其图形化本质也支持与最终用户的交流。 3 ) 表达能力：p e t r i 网支持过程建模中需要的所有原语。 4 ) 分析：p e t r i 网的特点是它有大量的分析方法。这是人们乐于使用p e t r i 网的一个重要原因。这些方法既能用来证明性质( 安全性、不变量性质、死锁 等) ，也能计算性能指标( 反应时间、等待时间、暂用率等) 。利用它可以评价 不同的设计。 5 ) 生产厂商无关性：p e t f i 网为建模和分析过程提供了一个工具无关的框架 ( 这是与一些模拟工具生产厂商提出的方法相比较而言的) 。p e t r i 网并不基于特 定生产厂商的软件包，并且不会因新版本的发布或一生产商代替另一个而消失。 6 ) p e t r i 网在知识的表示、不确定问题的描述、时间知识的处理方面也有优 势口6 l 眵嗣f 2 9 1 1 3 们。 1 3 3p e t r i 网对机车监控系统建模的优点 机车运输监控系统是典型的离散事件系统，主要的调度控制过程是进路、 机车占用、信号和道岔的联锁处理，具备同步、并发、冲突、互斥、资源共享、 资源竞争等特征。采用一种规范的离散事件系统的形式化建模方法对其进行建 模，有助于调度联锁软件的设计开发，并可通过仿真过程在实际运行前剔除错 误，提高软件的可靠性。选用p e t r i 网对机车监控系统建模的优点包括： 1 ) 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。从p e t f i 网出现到现在的几十年间，利用它建模的 成功案例非常多，为我们提供了许多可借鉴的经验，增加了应用的可行性。 2 ) p e t r i 网模拟能力强，对于机车监控系统的同步、并发、冲突、互斥、资 源共享、资源竞争等的特征能够很好的体现。且区有图形化、直观易懂等特征。 3 ) p e t r i 网认为资源是有限的，这与我们对机车控制系统中轨道、机车的资 源的看法是基本一致的。能够很好的体现机车运输中对各种资源的占用、闭锁。 4 ) p e t r i 网仍在不断的发展，其应用环境愈加深远，理论更加完备，必将为 我们对机车监控系统进一步研究提供更为坚实的理论基础。为机车监控系统的 进一步完善提供有力的支持。 1 4 选题的研究内容及意义 1 4 1 选题的研究内容 本课题的主要研究的内容是井下机车的运行调度及其在系统中的仿真。首 先，要建立井下机车的调度模型，其中包含机车的安全调度和高效率调度。保 证多种、多辆机车在井下的安全运行的基础上，实现较高效率的调度。其次， 在模型建立后，要对机车的运行进行模拟仿真，仿真机车在真实情况下的运行。 目前，国内外已经有许多学者从事于p e t d 网的研究工作，对p e t r i 网的功能及 可应用性提供了很大的支持。也已经有许多的大型项目开始用p e t r i 网进行建模 和仿真，为其他的使用者提供了一定的借鉴和帮助。然对于不同的领域，具体 的应用有着一定的区别，在运输方面，也有部分论文对其进行了研究，然比较 大型的系统很少有论文对其进行详细的研究。本课题对井下机车调度进行了详 尽的研究，为p c t r i 网在运输安全方面的应用提供了一些方法，对以后的研究有 一定的借鉴作用。课题主要关键问题包括： 1 ) 、机车调度p e t r i 网模型的建立。参照现有的调度规则，利用p e t r i 网为 机车调度建立模型。并在此基础上对调度模型进行进一步的改进，使得调度更 加完善。在模型建立的基础上利用高级p e u i 网简化模型规模。在理论的层面上 实现对调度规则的p e t r i 网模型的建立，把传统的自然语言的调度规则描述上升 到规范的建模语言的高度，使得调度规则可以在p e t r i 网的理论体系中进行检验。 该模型要符合实际调度情况，真实反映调度的问题。 2 ) 、建立机车运行模型。现阶段，机车的运行只有在真实的矿井装上调度 软件之后才能在软件平台上显示机车的运行。为了提高软件的安全性，必须在 虚拟的情况下建立机车运行模型，以仿真机车的真实运行。由于软件对仪器位 置的确定是通过各种传感器实现的，所以可以通过模拟矿井下各种传感器发送 的数据帧来模拟机车的运行以及各种设备的运行。该模型是为了在虚拟环境下 实现机车的运行，该模型要考虑到机车的运行速度、运行路线、特殊任务、井 下设备故障、机车司机误行驶等情况。与调度软件配套，能够为调度软件提供 虚拟的信号、数据帧，使得调度软件能够在虚拟的情况下模拟真实状态运行。 机车运行模型必须尽可能的贴近实际情况、真实环境。最后，为调度软件设计 出对应的仿真软件，仿真软件要能够使得调度软件在脱离矿井硬件环境的情况 下，实现机车的调度。同时仿真软件要有多种人性化设计，能够满足调度软件 在设计的各个阶段的仿真要求。可人为设置机车运行模型中机车运行的各种参 数。最后，在下一步建立仿真模型与p e t r i 网的连接，使得k i l 5 a 系统与p e t r i 网的对照运行。从而分析系统的相关功能。 6 1 4 2 选题的意义 介于机车在井下运输中的广泛应用，机车的运输安全就显得的尤为重要。 优秀的机车调度既能保证机车的调度安全又能提高调度的效率。机车调度是典 型的离散事件，而p e 仃i 网是优秀的离散事件系统建模工具。所以利用p e t r i 网 对机车调度建模能够为实际的系统设计及实现提供参考。为最后系统的安全性 和完备性提供保障。 机车调度系统，是实际应用在井下调度的重要部分。系统的安全性是对于 井下安全起到直接影响。在井下实际测试其安全性的难度和结果都是责任重大 的，轻则可能影响机车的运输、矿井的生产；严重的情况下可能会造成井下的 运输安全事故，会给矿井、国家造成难以估计的损失。 p e t r i 网由于其强大的描述能力和成熟的数学分析理论非常适合于系统建模 o z 3 1 4 1 以及对联锁软件的安全性进行分析哪i ，用p e t r i 网建模、仿真可以在虚拟的 条件下，模拟机车运行的路线和运行的方式。在系统使用之前剔除系统中的错 误，提高软件的可靠性。这样就可以为真实的井下调试提供一定的安全保障， 使得系统可以更快、更好的在矿井下应用。 7 第2 章p e t r i 网理论 自从上世纪6 0 年代p e t r i 网出现以来，由于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系统的动态性质，因而受到了越来越 多的有关人士的关注。近年来，由于对p e t r i 网的深入应用，对p e t r i 网的描述 能力要求更高、应用范围更广。p e t r i 网也得到了进一步发展，出现了随机p e t r i 网、着色p e t r i 网、时间p e t r i 网等新的子类。使得它不仅是一种对离散系统建 模的工具，而且能够利用其相关的参数，对模型进行定性及定量分析。 2 1 基本p e t r i 网 p e t d 网的建模是对现实的一种模拟，在建模的过程中有一些基本的术语和 规定，其一，资源是与系统有关的因素，它代表的是系统的一些信息，如工具、 设备、数据、信息等；其二，变迁是资源的消耗或产生，即系统的一些动作， 相当于系统中对资源消耗和新的资源产生，是p e t r i 网动态的表现；其三，位置 是资源的存放处，每一类资源存放于一处，构成资源的集合。其四，容量是每 个位置中资源的数量限制。 p e t r i 网的图形化表示方法是：通用圆圈表示位置( 库所) ，旁边的文字表示 其名称，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 穷大，即表示位置容量足够大，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字，在整个网中也是唯一。圆圈中的黑点叫做 令牌或( t o k e n ) ，它反映着库所代表局部状态的动态实现情况，黑点数量表示该 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流动方向， 即有向线段表示流关系( x ，j ，) ，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 。 下面给出p e t r i 网的形式化定义： 定义2 1 ：一个p e t r i 网结构庐是一个七元组，咖= ( ， l ，d 鳓) 。其中 p = p l - n 29 - 9 p n ，是一个有限位置集合，w o 。1 1 3 1 t = t ls f 2 ，t m ，是一个有限变迁集合，m 2 0 。位置集合和变迁集合不相 交，即p f w ；o 。 ，：t _ p 。，是输入函数，从变迁到空间包的映射。 0 ：t 寸p 。，是输出函数，从变迁到空间包的映射。 肺：p 斗n ，是网络的初始标记，其中，n 是非负整数集合。 其运算规则是： 8 对于t t ，标不中t 发生的条件为： 印e f ： ，) ，) ，即任意标示中，变迁前集的库所中托肯的数量要求能 满足变迁的消耗。 v ，er 一。f ： ，) + ，( f ，) s 置( ，) ，即接收库所的容量要能够容纳新输入的托肯 砌f n 。t ：馥，) + 龟，) 一q ) 5 气，) ，即库所中既是变迁前集又是后集的成员 其容量要能容纳变迁发生将新输入托肯的数量。满足以上条件，我们称变迁t 使 能的。 变迁发生后，其新得到的标示满足： 对于v p e p ： ( ，) = ，) 一d ( ，) ，此时p 。f t 。 ( ，) = ，) 一) ，此时p e f 一。t j ，) = ，) + ，( f ，) 一o ( ，j ) ，此时，e t a t z ( ，) = ，) ，其他 2 2p e t r i 网的动态性质 1 ) 可达性：定义2 2 设= ( 最t ；f ，m 1 为一个p e 仃i 网。如果存在t e t ，使 肘p j i ，。，则称m 为从m 直接可达。如果存在变迁序列f l ，f 2 ，“和标识序列 够，鸠，帆使得 肘l f l m il f 2 m 2 m k l 【t t m k 则称 靠为从m 可达的。 2 ) 有界性和安全性：定义2 3 设= ( s ，t ；f ，m o ) 为一个p e t r i 网，j e s 。若 存在正整数b ，使得v m e 置( ) ：m ( s ) b ，则称库所s 为有界的，并称满足此 条件的最小正整数b 为库所s 的界，记为b ( s 1 。即 嚣0 ) ；m i n 皇 v 矗f e 置( 矗如) ：弄f ( s ) b 当b ( s 1 = 1 时，称库所j 为安全的。若每个j e s 都是有界的，则称是有界p e t r i 网。称e ( z ) o m a x b ( s ) ls e s l 为的界。当口( ) = l 时，称为安全的a 3 ) 活性：定义2 4 设z = ( 文t ；f ，m o ) 为_ 个p e t r i 网，为初始标识，t t 。 如果对任意m e r ( m o ) ，都存在m e 矗( 吖) ，使得m p ) ，则称变迁t 为活的。 如果每个t e t 都是活的，则称艺为活p e 缸 i 网。 4 ) 公平性：定义2 5 设艺= ( 文t ；f ，讯) 为一个p e t r i 网，f l ，t 2e t 。如果存在 正整数t ，使得v m e r ( m 0 1 和v 口t ：m o 都有f ”】 # ( 口) = o # ( o ，口) s k ， 1 ，2 且 则称t 和t 2 处于公平关系。如果中任意两个变迁都处于公平关系，则称 为公平p e t r i 网。显然，如果中不存在可发生的无限变迁序列，则对于任意 f ，t ze t ，上式中的 都是存在的，这样的p e t r i 网总是公平的，只有在可无限运 行时，才讨论其公平性。 9 5 ) 持续性：定义2 6 设= ( 只t ；f ，m o ) 为一个p e t r i 网。如果对任意m r ( z o ) 和任意t l , t 2e t ( t i t 2 ) 有 【m i t l a m h mj 。mh 则称为持续的。即如果在可达标识膨下，变迁t 有发生权，那么从肘发生其 他任意变迁或任意不包含t 的变迁序列后，t 仍有发生权。如果一个p c t r i 网对任 意标识和变迁满足上述性质，则为可持续网系统。 2 3p e t r i 网的结构性质 p e t r i 网有一类这样的性质，这些性质由网结构( 基网) 确定，而同网的初始 标识无关，因而统称为网的结构性质。网的结构性质主要有：结构有界性、守 恒性、可重复性、协调性、结构公平性、活性单调性以及s 一不变量和t 不变量、 可重复向量、死锁与陷阱。它们中大多数可以通过网的关联矩阵给出确定的判 断准则，得到比较完整的分析结果。这些结果又是用代数方法分析p e t r i 网的基 础。 1 ) 结构有界性：定义2 7 设n = ( & t ；f ) 为一个网，如果对n 赋予任意初始 标识鸩。网系统( m ) 都是有界的，则称n 为结构有界网。 2 ) 结构守恒性：定义2 8 设n = ( s , t ；f ) 为一个网。如果存在一个m 叫s i ) 维正整数权向量l ，= ，( 1 ) ，( 2 ) ，j ，( m ) 丁，使得对n 的任一个初始标识帆和任意 m 且( 帆) 都有 茎肘 少( ，) = 垂眠“) y ( ，) 则称为守恒的。 3 ) 可重复标识：定义2 9 设= ( s ，t ；f ) 为一个网。若存在的一个初始标 识m 。和一个无限的变迁序列口，使得蝎p ) ，且v t e t 在仃中无限多次地出现， 则称为一个可重复网。帆称为一个可重复标识。 4 ) 协调网：定义2 1 0 设n = ( s ，f ；f ) 为一个网。若存在n 的一个初始标识犯 和一个无限的变迁序列口t + 使得帆p 帆，而且v t t ：# ( t c r ) 2 1 ，则称为 一个协调网。 5 ) s 一不变量和t - 不变量：定义2 1 1 设n = ( s ，t ；f ) 为一个网。l s l i t ，i r i = 盯， a 为) 、r 的关联矩阵。 如果存在非平凡的的维非负整数的向量l ，满足a y = 0 ，则称l ，为网n 的一 个s 一不变量。 如果存在非平凡的的n 维非负整数的向量x 满足a 7 x ：0 ，则称x 为网n 的 一个t - 不变量。 6 ) 死锁和陷阱：定义2 1 2 设n = ( s ，t ；f ) 为一个网，s 。s