基于故障Petri網(wǎng)的車務(wù)段接發(fā)列車事故建模分析

牟海波，俞建寧

（蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，1.講師，博士研究生；2.教授，博士生導(dǎo)師，甘肅 蘭州 730070）

安全管理是鐵路運(yùn)輸企業(yè)十大管理中最重要的一項(xiàng)，也是鐵路運(yùn)輸?shù)挠篮阒黝}。鐵路車務(wù)段是鐵路運(yùn)輸企業(yè)的基層生產(chǎn)單位，所管轄的車站是構(gòu)成鐵路路網(wǎng)的基本單元，也是為旅客和貨主提供服務(wù)的窗口。加強(qiáng)鐵路車務(wù)段安全管理，提高安全管理水平，是適應(yīng)鐵路跨越式發(fā)展，構(gòu)建和諧鐵路的重要內(nèi)容，也是一個(gè)重要而迫切的課題。文獻(xiàn)〔1-6〕深入分析了車務(wù)段安全管理問題，并提出了相應(yīng)的解決措施。安全工作必須從抓中間站的接發(fā)列車、調(diào)車作業(yè)入手，消滅接發(fā)列車錯(cuò)辦，調(diào)車作業(yè)沖、脫、擠慣性事故，消滅性質(zhì)嚴(yán)重的行車事故。Petri網(wǎng)是一種圖示化描述方法，可以利用圖形語言對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和描述。車務(wù)段接發(fā)列車事故由一些中間事件構(gòu)成，而這些中間事件又具有各自的誘發(fā)原因。從整體上來看，接發(fā)列車事故、中間事件及其誘發(fā)原因之間具有一定的層次關(guān)系，可以用樹形圖來描述。因此，可采用Petri網(wǎng)對(duì)接發(fā)列車事故進(jìn)行建模分析。

1 Petri網(wǎng)的基本理論

Petri網(wǎng)是Petri博士于1962年提出的一種描述同步、并發(fā)行為的信息系統(tǒng)及其相互關(guān)系的網(wǎng)型數(shù)學(xué)模型〔7-8〕。經(jīng)過40多年的發(fā)展，Petri網(wǎng)理論日臻完善，已具有多種分析方法和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

Petri網(wǎng)系統(tǒng)可以用一個(gè)六元組，即Σ=｛P，T，F(xiàn)，K，W，M0｝進(jìn)行定義，其中P表示庫所集，代表了所有可以估計(jì)的系統(tǒng)狀態(tài)，庫所用“○”表示，P=｛P1，P2，…，Pm｝；T表示變遷集，是有限的非空變遷集合，代表了所有可能發(fā)生的事件，變遷用“▃”表示，T=｛T1，T2，…，Tn｝；F?（P×T）∪（T×P）是連接變遷與庫所及庫所與變遷的有向弧的集合，并滿足P∩T=Φ，P∪T≠Φ，F(xiàn)?（P×T）∪（T×P）；K：P→NU｛∞｝是容量函數(shù)，N=｛1，2，3，…｝；W：F→N是權(quán)函數(shù)，N=｛1，2，3，…｝；M0：P→N0稱為初始標(biāo)識(shí)，N0=｛1，2，3，…｝，代表系統(tǒng)的初始狀態(tài)。圖1所示的Petri網(wǎng)具有初始狀態(tài)M0=｛2，1，0｝。

圖1 Petri網(wǎng)示例

與變遷相連代表變遷發(fā)生條件的庫所是輸入庫所，如圖1中庫所P1，P2，而與變遷相連代表變遷發(fā)生結(jié)果的庫所是輸出庫所，如圖1中庫所P3。相應(yīng)的，I（t）=｛p|（p，t）∈A｝和O（t）=｛p|（t，p）∈A｝分別代表變遷t的輸入庫所集和輸出庫所集。由庫所到變遷的有向弧稱為輸入弧，由變遷到庫所的有向弧稱為輸出弧。一旦變遷被觸發(fā)，則輸入庫所將失去托肯而輸出庫所將得到托肯。圖1（a）中庫所P1，P2中分別有2個(gè)和1個(gè)托肯，變遷T1被觸發(fā)后，P1，P2各失去1個(gè)托肯，P3得到1個(gè)托肯，變化后的情況如圖1（b）所示。

Petri網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行具有一定的規(guī)則。設(shè)Σ=（P，T，F(xiàn)，K，W，M0）為一網(wǎng)系統(tǒng)，M為其基網(wǎng)上的一個(gè)標(biāo)識(shí)。1）若Ti∈T，則稱為Ti的外延；2）Ti在M有發(fā)生權(quán)的條件為且，這時(shí)稱為M授權(quán)Ti發(fā)生，記作M[Ti＞；3）當(dāng)Ti在M有發(fā)生權(quán)時(shí)，發(fā)生的結(jié)果把M變成后續(xù)標(biāo)識(shí)M′，記作M[t＞M′。

故障Petri網(wǎng)是Petri網(wǎng)的子網(wǎng)，其由八元組構(gòu)成：Σ=（P，T，F(xiàn)，f，S，K，W，M0）。其中P、T、F、M0含義與上述相同；f：P→S是過程庫所到時(shí)間上的映射；S是時(shí)間的集合；當(dāng)系統(tǒng)的故障與時(shí)間密切相關(guān)時(shí)，f和S具有非常重要的意義；K：P→｛0，1｝稱為故障Petri網(wǎng)的容量函數(shù)，產(chǎn)生故障時(shí)，該庫所就含有1個(gè)托肯（用“·”來表示），反之則沒有托肯；故障Petri網(wǎng)中流關(guān)系的權(quán)值恒為1，即W≡1。故障Petri網(wǎng)中庫所是過程庫所，變遷屬于立即變遷，其作用是反映不同層次或不同階段的故障的躍遷。故障Petri網(wǎng)和原始Petri網(wǎng)的不同之處，在于變遷T被激發(fā)時(shí)，其前集中的任一庫所中的托肯不會(huì)被消耗，這反映了事故的記憶性，即事故由底層擴(kuò)展到上一層，底層的事故依然存在。從宏觀上看是事故從最底層逐漸擴(kuò)展到高層，直到頂層，即系統(tǒng)級(jí)。

2 車務(wù)段接發(fā)列車事故分析

接發(fā)列車作業(yè)是車務(wù)段管轄站日常工作中的一項(xiàng)重要作業(yè)，由于作業(yè)中需要較多人員參與，結(jié)合部較多，很容易因?yàn)槿说氖韬?、設(shè)備的突發(fā)情況發(fā)生性質(zhì)嚴(yán)重的事故。僅對(duì)2004年哈局車務(wù)段接發(fā)列車事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車9起，關(guān)閉折角塞門開車2起，列車抱閘發(fā)車1起。由以上數(shù)據(jù)可以看出錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車事故占很大的比例〔8〕，所以重點(diǎn)對(duì)錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車事故進(jìn)行分析，并找出引起事故發(fā)生的原因，提出解決措施。錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車事故的中間事件由以下6個(gè)庫所構(gòu)成。

2.1 未辦或錯(cuò)辦閉塞發(fā)車 未辦理必要的閉塞手續(xù)，或辦理閉塞的區(qū)間和列車運(yùn)行的區(qū)間不一致。列車前端越過出站信號(hào)機(jī)或警沖標(biāo)即算發(fā)生該類事故。對(duì)于客運(yùn)列車，錯(cuò)辦閉塞的區(qū)間雖與列車的運(yùn)行區(qū)間一致或未按規(guī)定辦理手續(xù)而越出站界調(diào)車時(shí)，也屬于未辦或錯(cuò)辦閉塞發(fā)車。當(dāng)發(fā)生意外情況導(dǎo)致基本閉塞設(shè)備不能使用時(shí)，采用電話閉塞作為替代性的行車閉塞方法。電話閉塞法具有相當(dāng)?shù)陌踩院蛯?shí)用性。但是，由于僅靠人與人之間進(jìn)行聯(lián)系，而人會(huì)經(jīng)常受到各種因素的影響，稍有人為疏忽就可能因“錯(cuò)辦”而釀成行車事故，所以電話閉塞方法缺乏設(shè)備所具有的穩(wěn)定聯(lián)鎖控制能力。

2.2 未準(zhǔn)備好進(jìn)路接發(fā)列車 未準(zhǔn)備好的進(jìn)路指進(jìn)路上的道岔扳動(dòng)出現(xiàn)失誤或轉(zhuǎn)動(dòng)錯(cuò)誤、有能造成脫軌的障礙物、鄰線的機(jī)車和車輛等越出警沖標(biāo)、違反規(guī)定辦理同時(shí)接車或接發(fā)列車、因錯(cuò)誤辦理造成超限列車或客運(yùn)列車進(jìn)入非固定軌道。接入列車時(shí)，列車前端進(jìn)入未準(zhǔn)備好的進(jìn)路的進(jìn)站（進(jìn)路）信號(hào)機(jī)或站界標(biāo)，或在未準(zhǔn)備好的進(jìn)路發(fā)出的列車已經(jīng)啟動(dòng)，均構(gòu)成未準(zhǔn)備好進(jìn)路接發(fā)列車事故。

2.3 錯(cuò)誤辦理或交付行車憑證 錯(cuò)誤辦理或交付行車憑證是指與鄰站已辦妥閉塞手續(xù)，但由于行車憑證的交接或填寫失誤，各類閉塞區(qū)間未開放出站（進(jìn)路）信號(hào)機(jī)發(fā)車或耽誤列車。在顯示發(fā)車手信號(hào)后發(fā)現(xiàn)行車憑證錯(cuò)誤也屬于該類事件。

2.4 錯(cuò)辦或未及時(shí)辦理信號(hào)導(dǎo)致列車非正常停車 錯(cuò)辦或未及時(shí)辦理信號(hào)是指因辦理不及時(shí)或忘辦、錯(cuò)辦信號(hào)使列車在站外或站內(nèi)停車；禁止同時(shí)接車的車站或不準(zhǔn)同時(shí)接入站內(nèi)的列車，誤使2列車均在站外停車；接發(fā)列車人員未及時(shí)或錯(cuò)誤顯示手信號(hào)，使列車停車。

2.5 向占用線接入列車 占用線是指停有機(jī)車、車輛、動(dòng)車、重型軌道車的線路或已封鎖的線路。列車前端進(jìn)入進(jìn)站（進(jìn)路）信號(hào)機(jī)或站界標(biāo)就稱向占用線接入列車（按站內(nèi)無空閑線路接車方法接車時(shí)除外）。

2.6 向占用區(qū)間發(fā)出列車 已進(jìn)入列車的區(qū)間、已被列車取得占用許可或封鎖的區(qū)間稱為占用區(qū)間。同時(shí)機(jī)車、車輛、動(dòng)車、重型軌道車停留或溜入?yún)^(qū)間、禁止在區(qū)間交會(huì)的超限貨物列車進(jìn)入?yún)^(qū)間，列車由正線出發(fā)而道岔向岔線開通的區(qū)間也稱為占用區(qū)間。向占用區(qū)間發(fā)出列車的情況包括：1）列車前端越過出站信號(hào)機(jī)或警沖標(biāo)；2）辦理越出站界調(diào)車后，未辦理取消及閉塞手續(xù)將列車開出。

3 Petri網(wǎng)應(yīng)用

3.1 故障Petri網(wǎng)模型的建立 與故障樹分析法相似，故障Petri網(wǎng)的建模先要確立故障模型的頂事件。根據(jù)對(duì)車務(wù)段接發(fā)列車事故的分析，建立第一層次事件，再依據(jù)頂層事件發(fā)生的直接原因及相互之間的邏輯關(guān)系建立第二層次事件，依此類推，直到找出導(dǎo)致系統(tǒng)故障的最底層原因。根據(jù)分析，建立車務(wù)段接發(fā)列車故障Petri網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖2中，故障Petri網(wǎng)模型的頂事件即為錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車。第一層次事件由6個(gè)中間事件構(gòu)成，分別用庫所P21～26表示；第二層次事件包括庫所P1～20所代表的事件。頂事件與第一層次事件的關(guān)系是，任一第一層次事件的發(fā)生都會(huì)引發(fā)頂事件，即6個(gè)中間事件之一的發(fā)生就意味著接發(fā)列車事故的發(fā)生。第一層次的某個(gè)事件與第二層次的若干事件存在類似的關(guān)系。例如庫所P1，P2，P3所代表的事件中有1個(gè)發(fā)生則意味著發(fā)生“未辦或錯(cuò)辦閉塞發(fā)車”事故。但庫所P1，P2，P3所代表的事件與其他5類第一層次事件無直接關(guān)系，即不存在誘發(fā)關(guān)系。

圖2 接發(fā)列車事故Petri網(wǎng)模型

3.2 故障Petri網(wǎng)事故定性分析 在基于故障Petri網(wǎng)的系統(tǒng)可靠性和故障分析中，庫所用以表示設(shè)備未處于正確狀態(tài)以及人為失誤等；變遷用來表示系統(tǒng)狀態(tài)的變化及故障事件的傳播。庫所和變遷之間的有向連接用來表征故障的傳播方向，托肯表征故障事件的發(fā)生。如果托肯處于故障邏輯關(guān)系的頂庫所，則表示發(fā)生接發(fā)列車事故。庫所中托肯數(shù)目的變化由變遷激發(fā)引起，反映了系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。因此，利用Petri網(wǎng)的圖形元素可以清晰地描述故障事件之間的邏輯關(guān)系及其影響。

如圖2所示，庫所P1中有1個(gè)托肯，表明發(fā)生“發(fā)車站未和鄰站辦理閉塞”事故。因?yàn)樗械淖冞w都是立即變遷，即只要變遷滿足激發(fā)條件就會(huì)被激發(fā)。在故障Petri網(wǎng)中，如果P∈·Ti，且M（P）=1，則變遷T是可被激發(fā)的，其中M（P）是在M狀態(tài)下，庫所P所含的托肯數(shù)目。由于滿足可被激發(fā)條件，變遷T1被激發(fā)。由圖2可知，變遷T1，T2，T3中任一個(gè)被激發(fā)，P21都將得到托肯，所以T1的激發(fā)使得庫所P21得到1個(gè)托肯，這又使得變遷T21被激發(fā)，最終庫所P27得到托肯，即導(dǎo)致“錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車”事故發(fā)生。

故障Petri網(wǎng)定性分析的任務(wù)是尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生（接發(fā)列車事故）的所有可能的失效模式及其狀態(tài)組合，也就是找出故障Petri網(wǎng)全部的最小割集。割集是能使頂事件發(fā)生的底事件集合。如果割集中的任一底事件不發(fā)生時(shí)頂事件也不發(fā)生，則稱這樣的割集為最小割集。最小割集是一種包含了最小數(shù)量且為最必須的底事件的割集。故障Petri網(wǎng)的1個(gè)割集，表示發(fā)生接發(fā)列車事故的1種可能性，即1種失效模式。最小割集發(fā)生時(shí)頂事件必然發(fā)生，因此故障Petri網(wǎng)的全部最小割集代表頂事件發(fā)生的所有可能。從圖2可看出，如果P1中有托肯，則會(huì)導(dǎo)致P21的發(fā)生，進(jìn)而引起P27（即錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車）的發(fā)生。同樣，其余19個(gè)庫所中任意一個(gè)中有托肯，都可以引起接發(fā)列車事故發(fā)生。因此，該故障Petri網(wǎng)模型所有的最小割集為：｛i｝，i=1，2，…，20。說明該系統(tǒng)處于極敏感狀態(tài)，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致車務(wù)段發(fā)生接發(fā)列車事故。

3.3 事故預(yù)防 從割集中的元素分析，可以看出很多錯(cuò)辦接發(fā)列車事故案例的原因，都為監(jiān)控、管理等方面的疏忽。此外，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，工作人員安全意識(shí)淡漠，沒有認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的重要性，片面追求作業(yè)效率，將規(guī)定的作業(yè)程序盲目簡(jiǎn)化，也為安全生產(chǎn)埋下重大隱患。因此，安全管理工作的水平取決于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的落實(shí)情況，以及遵守安全操作規(guī)程和相關(guān)各項(xiàng)規(guī)章制度的嚴(yán)格程度〔9〕。當(dāng)前，鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)形勢(shì)仍不理想，最主要的原因是安全生產(chǎn)培訓(xùn)工作存在不少問題，主要體現(xiàn)在對(duì)安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)的重要性認(rèn)識(shí)不足，重生產(chǎn)作業(yè)，輕培訓(xùn)教育，致使安全生產(chǎn)培訓(xùn)效果不理想，學(xué)習(xí)流于形式，實(shí)際效果不明顯。另因各級(jí)員工學(xué)習(xí)的動(dòng)力不足，使安全素質(zhì)難以得到真正提高。

為減少錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車事故的發(fā)生，首先必須加強(qiáng)對(duì)業(yè)務(wù)干部的適應(yīng)性培訓(xùn)，增強(qiáng)其應(yīng)變能力、聯(lián)系協(xié)調(diào)能力、組織處理能力和把握大局的能力，以起到保證安全生產(chǎn)的核心作用。其次，在現(xiàn)場(chǎng)管理中，要加強(qiáng)思想政治工作。通過思想政治教育疏導(dǎo)職工思想，穩(wěn)定職工情緒，使職工意識(shí)到違章的嚴(yán)重性，從根本上解決問題，以保證工作質(zhì)量和安全。再次，要加強(qiáng)安全生產(chǎn)培訓(xùn)工作，提高培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)實(shí)效。由于各基本事件的重要度是一樣的，所以應(yīng)針對(duì)所有基本事件建立互控、聯(lián)控制度，開展行車班組間、班組成員間的互控、聯(lián)控活動(dòng)，預(yù)防錯(cuò)誤辦理接發(fā)列車事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制下，鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩|(zhì)量對(duì)企業(yè)和社會(huì)都具有不同尋常的意義。車務(wù)段在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中起著重要作用，提高其安全管理能力至關(guān)重要。對(duì)車務(wù)段接發(fā)列車作業(yè)事故構(gòu)建故障Petri網(wǎng)模型并進(jìn)行定性分析的結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確找出行車事故根本原因，對(duì)車務(wù)段制定相應(yīng)措施具有很好的幫助作用，由此增加了一種行車安全的分析手段，有利于提高安全管理水平。

〔1〕鮑楓，唐禎敏.鐵路安全與人為失誤問題的研究〔J〕.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13（10）：45-47.

〔2〕禹志陽.我國鐵路安全管理模式的研究〔J〕.安全科技，2004（3）：8-10.

〔3〕鄭國華，史峰.鐵路安全事故誘因與安全預(yù)控管理模式的探討〔J〕.中國鐵路，2003，7（5）：55-57.

〔4〕萬永欣.提高車務(wù)段安全管理能力的探討〔J〕.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2006，28（10）：23-25.

〔5〕韓景春.車務(wù)段安全管理評(píng)估方法的探討〔J〕.科技信息，2008（2）：143.

〔6〕歐陽展.車務(wù)段安全管理問題的思考〔J〕.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2007（24）：151-153.

〔7〕林闖.隨機(jī)Petri網(wǎng)和系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)〔M〕.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

〔8〕袁崇義.petri網(wǎng)原理〔M〕.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

〔9〕幻俞平.鐵路行車安全事故分析及對(duì)策研究〔D〕.成都：西南交通大學(xué)，2002.