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铁路信号联锁逻辑形式化建模研究贺鑫

发表时间：2021/4/22 来源：《基层建设》2020年第33期作者：贺鑫

[导读] 摘要：铁路车站信号联锁逻辑的形式化描述无论对计算机联锁软件的开发,还是对联锁软件的测试都是非常重要的。

        内蒙古集通铁路（集团）有限责任公司锡林浩特综合维修段内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市 026000
        摘要：铁路车站信号联锁逻辑的形式化描述无论对计算机联锁软件的开发,还是对联锁软件的测试都是非常重要的。铁路大站的联锁逻辑十分复杂,对其进行形式化描述是一项艰难的工作。文章针对铁路信号联锁逻辑形式化建模展开了分析，并且从有色Petri网结构、建模实践等方面进行论述，目的在于探究更有效率的建模方案，为今后相关工作的顺利进行提供参考。
        关键词：铁路信号；联锁逻辑形式化；建模
        引言
        铁路车站信号联锁逻辑形式化，不管是研发计算机联锁软件，还是测试联锁软件，其本身都极为关键。但是这种逻辑非常繁琐，要实现形式化建模是一项系统性的工作。在微电子技术普及的现在,为了能够全面提升铁路车站信号联锁系统运行效率，逐渐开始以计算机联锁系统代替电联锁设备。本文以安全软件测试评估等一系列研究为前提，通过有色Petri网以及层次化的形式，重点探究了铁路信号联锁逻辑形式化建模这一工作。
        一、铁路信号联锁逻辑Petri网结构
        层次有色Petri网，即HCPN，是体现了层次结构的有色Petri网，其中包含了若干个非层次有色Petri网。层次化有色Petri网主要研究是将多个HCPN模型进行整合，使其成为更大规模的模型，为大规模、复杂系统描述工作提供支持。层次Petri网概念的提出与形成，与高级Petri网相比前者较晚，当前主要使用的结构、方式类似于现代化高级程序设计语言所使用的层次、模块结构与方法。HCPN内，变迁主要分为源变迁与替代变迁两种。其中替代变迁可以使用CPN代替，一般是对变迁结构与机理进行描述。具体定义为层次有色Petri网是一多元组，HCPN=（S，SN，SA，PN，PT，PA，FSPS，FT，PP）。具体体现了如下要求：a.S为有限页集合，并且满足如下要求：∀s∈S，其中s为CPN，s=（Σs，Ps，Ts，As，Ns，Cs，Gs，Es，Is）；∀s1，s2∈S：[s1≠s2]（Ps1∪Ts1∪As1）∩（Ps2∪Ts2∪As2）=U]；b.SN⊆T，其本身是由替换节点构成；c.SA为页指派函数。即SA：SN→S，{s0s1…sn∈S*，U∈N+∧s0=sn∧k∈1…n：sk∈SA（SNSk-1）}=φ；d.PN⊆P是全部端口节点构成的集合；e.PT为端口类型函数。即PT：PN→{in，out，i/o，general}；f.PA为端口指派函数，可以在1、2元关系中反映SN，满足如下要求：插口节点和端口节点二者关联，即∀t∈SN：PA（t）⊆X（t）×PNSA（t）；插口节点准确性比较高的种类为：∀（p1，p2）∈PA（t）：[PT（p2）≠general]ST（p1，t）=PT（p2）]；相关联的节点颜色集与初始化表达式均相同，即∀t∈SN∀（p1，p2）∈PA（t）：[C（p1）=C（p2）∧I（p1）<>=I（p2）<>]。g.FSPS为有限熔合集，在一个熔合集内所有元素均为一个颜色集，且初始化表达式相同，∀fs∈FS：∀p1，p2∈fs：[C（p1）=C（p2）∧I（p1）<>=I（p2）<>]；h.FT为熔合函数，可以在集合中反映熔合集：{global，page，instance}，其中page与instance熔合集在相同的一页，也就是满足：∀fs∈FS：[FT（fs）≠globals∈S：fsPs]；i.PP∈SMS，为主页多重集。

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        二、铁路信号联锁逻辑形式化建模
        2.1信号联锁逻辑属性与特征
        铁路中的车站信号联锁系统，主要作用是对行车安全进行保护,通过现代化技术达到进路控制或者联锁的目的。针对系统功能,联锁系统中包含了信号机控制技术、道岔控制技术、进路空闲检测技术、联锁技术、故障-安全技术等。车站技术在实际作业期间，主要被分为列车作业与调车作业。但是不管是其中任何一种，都需要从一个指定地点向另外一个指定地点运行。列车车列位于两点之间的线路空间为进路，所以对车站列车操作与调车操作的安全性进行保证,其实也是在进路范围内对列车、调车车列运行安全提供保障。要想实现这一目的，会在进路入口位置，也就是进路始端放置防护信号机设备。一般铁路车站中线路比较多,线路两端分别连接道岔。按照道岔位置不同可以构成相应的进路,列车与车列是否可以顺利进行到进路，主要是通过信号机来实现。若信号机中所显示信号为指示列车、车列进入股道,但是道岔开通位置却是在另外的股道,便会导致行车事故。鉴于此，为了保证安全,需要充分发挥信号机、进路、道岔的制约关系,也就是所谓的联锁。
        2.2建模
        铁路信号系统联锁逻辑关系的形成，与其本身的复杂性、车站规模、车站作业种类、车站地理环境等因素有非常紧密的关系。如果规模较小、作业形式单一，并且地理环境简单，那么信号联锁逻辑也就相应比较简单，如果规模较大，作业形式和地理环境繁琐，那么信号联锁逻辑也就相应比较复杂。使用Petri网来描述这一类联锁逻辑形式化,即便是应用CPN也无法解决模型结构复杂性的问题。所以,可以使用HCPN，展开分层次形式化描述。第一,根据系统结构基础理论，铁路信号系统所呈现的特征,对车站信号系统内联锁逻辑关系层次结构进行抽象概括,对于各个层面中联锁实体，组建HCPN模型。第二，按照HCPN基础理论，针对同层应用的实体HCPN模型，将其整合之后形成模型。第三，针对全部HCPN模型整合之后便可以形成联锁系统HCPN模型。在铁路信号系统内部,信号机、道岔、轨道区段并非只有联锁关系,还有其运行规律。车站信号系统联锁逻辑形式化建模，主要目的是更加精准的通过形式化模式将联锁设备变化规律、联锁设备的联锁逻辑关系进行呈现。基于此，可以将车站信号联锁系统划分层次，第一层是联锁设备层,第二层是联锁设备的联锁逻辑关系层。为了更好的理解以上理论，主要通过某轨道区段案例的方式，对联锁设备层HCPN建模进行分析。进路轨道区段最为常见的状态是“空闲”,一般以“S-Empty”代表。一旦出现故障，这时轨道区段会变更为“故障”状态,以“S-Fault”代表。根据车站信号联锁系统选排进路的具体形式,其中一个进路中的轨道区段，建立进路期间也包含了“预选”“锁闭”两个状态，以“S-Selected”“S-Locked”代表。区段状态的改变和联锁逻辑关系层传递的联锁命令，和带有联锁关系、联锁设备的列车行驶状态之间的关系非常紧密,区段状态也会对区段带有联锁关系的联锁设备状态造成影响。所以,轨道区段HCPN模型内，也要具备输入(In)与输出(Out)两个标签库所,以“Incoming”“Outgoing”代表。3启示与日后工作要点在铁路信号联锁逻辑形式化建模的基础上，其他系统也会越来越成熟。
        结束语：
        铁路信号联锁逻辑控制电路入手，结合站场图，重点分析了信号开放控制、四线制道岔控制电路、进路建立和分段解锁等联锁关键环节，铁路信号联锁逻辑系统非常繁琐，为了使铁路信号联锁设备运行更为流畅，铁路信号联锁逻辑形式化建模非常必要，可以提高大规模形式化模型的清晰性。
        参考文献：
        [1]李钰龙.浅谈工业园西区铁路信号联锁系统方案设计[J].中国新技术新产品，2015（10）：17-18.
        [2]李春莹，陈邦兴，吴昕.浅谈铁道信号联锁设备的故障分析[J].信息通信，2014（12）：14.
        [3]赵军.对一起铁路信号联锁机脱机故障的分析研究[J].科技创新与生产力，2014（11）：55-56.