CN112926229B - 基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统及方法，该系统包括列车运行子系统和车站运作子系统；列车运行子系统包括分别通过建立分层Petri网模型构成的本线运行子系统和直通运行子系统；车站运作子系统包括分别通过建立分层Petri网模型构成的客流发生模块、列车进出站模块和客流运动模块。本发明通过明确列车运行和车站运作过程，分别对每个流程建立Petri网仿真子模型，实现对本线运行、跨线运行、Y形交路等区域轨道交通运输组织模式和一般车站、换乘站等各类型区域轨道交通车站模型搭建的模块化、通用化，据此实现了区域轨道交通网络Petri网模型搭建的通用化。

Description

基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统及 方法

技术领域

本发明涉及轨道交通运输仿真技术领域，具体涉及一种基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统及方法。

背景技术

Petri网是分布式系统的建模和分析工具，作为一种系统模型，Petri网不仅可以刻画系统结构，也可以描述系统的事件发生和状态变化等动态行为(吴哲辉.Petri网导论.北京:机械工业出版社,2006.)。Petri网既有直观的图形表示，又可以引入数学方法对其进行分析。在基本Petri网的基础上，还可以通过着色、赋时、分层等拓展方法，建立高级Petri网。

着色Petri网是对不同类型的托肯分别赋以不同的颜色而形成，利用颜色属性实现了对托肯的分类。利用着色Petri网区分不同种类的资源(如列车目的地、乘客属性等)可使网系统更直观、更清晰。延时Petri网是在基本Petri 网的基础上引入时间约束条件DI(t)＝a，即当M[t>时，变迁t可以被触发，但需a个时间步长完成触发过程。延时Petri网可使变迁触发不再是一个瞬时性过程，实现了托肯迁移的时间模拟。随机Petri网中，引入的变迁延时为一随机变量，适用于不确定系统的建模与分析。分层Petri网是一种对复杂系统建模的方法，通过将系统中具有独立功能或者反复出现的子系统独立出来并建立子网的方法，简化总网结构。同时，通过对子网的封装，可以实现总网对子网的反复调用。

目前在轨道交通运输网络仿真方面利用Petri网理论开发的技术主要包括城市轨道交通同台换乘车站承载力仿真(解晓灵.同站台换乘轨道交通站台客流承载能力仿真优化.北京交通大学,2015.)、城市轨道交通网络可靠性仿真(赵惠祥,陆正刚,耿传智.基于Petri网的城市轨道交通系统运营可靠性模型. 同济大学学报(自然科学版),2006,34(3):355-358.)、复线铁路列车调度指挥模拟(王宏刚.复线列车运行调度的层次Petri模型及仿真.系统仿真学报,2011, 23(12):2793-2798,2804.)、列车冲突预测与预警(201710208658.5、 201710078606.0、201510150771.3)和城际旅客出行链仿真(孙启鹏,郭鑫,马飞.基于petri网的城际旅客出行服务流程建模与仿真.系统仿真学报, 2019,31(2):189-198.)等仿真技术。这些技术大多针对交通运输网络中某些特定目标，如车站、线路区间、旅客等，缺乏面向城市轨道交通网络整体的基于 Petri网理论的建模和仿真技术，无法从网络层面整体把握网络中车站、列车、线路等子系统的工作状态和客流承载能力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，包括列车运行子系统和车站运作子系统；

所述列车运行子系统用于通过设置延时变迁和判断函数，对列车区间运行过程和直通方向选择进行模拟；

所述车站运作子系统用于对车站运营中各类事件进行模拟，其包括分别通过建立分层Petri网模型构成的客流发生模块、列车进出站模块和客流运动模块，所述客流运动模块的端口分别连接客流发生模块、设定方向的列车进出站模块及出站客流接收库所；

所述客流发生模块用于控制进站客流数量和进站时间间隔，每次生成一个包含至少一位乘客的乘客组作为进站客流托肯；

所述列车进出站模块用于首先生成到达列车托肯，同时更新该站客流数据，然后通过延时变迁实现模拟列车的停站时间，并通过客流运动模块端口更新车内客流数据，模拟乘客上下车过程，最后将更新车内客流信息后的托肯发出，完成列车出站过程；

所述客流运动模块用于通过分解、合并不同颜色的托肯并对其赋值进行计算，接收进站和下车客流，输送上车客流，计算并更新列车剩余载客能力，与其他客流运动模块交换换乘客流，完成对旅客上下车和换乘过程的模拟。

本方案的有益效果是：本发明通过CPN Tools建立分层Petri网模型仿真模拟区域轨道交通网络运营，合理模拟旅客网络中的进出站、乘降、换乘等行动事件、列车停站事件、列车区间运行过程和本线运行和直通运行两种不同的运输组织模式。通过仿真区域轨道交通网络乘客流动和列车运行过程，得出不同服务水平下的区域轨道交通网络承载力，从而通过明确列车运行和车站运作过程，分别对每个流程建立Petri网仿真子模型，实现对本线运行、跨线运行、 Y形交路等区域轨道交通运输组织模式和一般车站、换乘站等各类型区域轨道交通车站模型搭建的模块化、通用化，据此实现了区域轨道交通网络Petri网模型搭建的通用化。

进一步地，所述分层Petri网模型具体表示为：

∑＝(P,T；F,M,C,W,K,t)

其中，P表示库所集合，映射列车运行过程状态和车站各功能区域的客流集散状态；T＝T_i∪T_t表示变迁集合，T_i＝{T_i1,T_i2,...,T_in}表示瞬时变迁集合，映射车流和客流的瞬时逻辑状态变化，T_t＝{T_t1,T_t2,...,T_tm}表示延时变迁集合，映射延时状态变化，且

F表示有序偶集合，由一个P元素和一个T元素组成，表示有向弧连接元素的前后关系；M表示Petri网的标识；C表示Petri网的颜色集；W表示Petri网在有向孤集合上的权函数；K表示Petri网在库所集合上的容量函数；t表示延时变迁T_t与延时有向弧A_t的延时时长。

该进一步方案的有益效果是：对Petri网模型的符号进行了定义，明确了网络中包含的元素及其表示，为进一步刻画Petri网子网模型确定了模型范式和符号标准。

进一步地，所述分层Petri网模型的变迁发生规则具体为：

若变迁t∈T有发生权，即M[t＞发生的条件是

式中，p为库所，^*t和t^*分别为变迁t的前集和后集，M(p)为库所p的标识，W(p,t)和W(t,p)分别为流关系(p,t)和(t,p)上的权函数，K(p)为库所p的容量函数

若变迁t发生后得到新标识M^t，若M[t＞M^t则有对

式中，M'(p)为库所p的标识和新标识。

该进一步方案的有益效果是：通过定义分层Petri网模型的变迁发生规则，使其能够被运用于进一步的对Petri网建模的过程中。

进一步地，所述列车运行子系统具体包括分别通过建立分层Petri网模型构成的本线运行子系统和直通运行子系统；

所述本线运行子系统用于在没有直通运行的区间时，将列车托肯直接进入延时变迁，模拟区间运行过程；在列车托肯经过延时变迁后被进站接收库所接收，进入下一车站的运作子系统；

所述直通运行子系统用于在直通运行区间内，通过设置列车终到站信息作为列车运行方向判断条件对列车运行方向进行区分，在确定列车运行方向后将列车托肯进入对应区间的延时变迁，模拟区间运行过程。

该进一步方案的有益效果是：对区域轨道交通网络中存在的运输组织方式进行了分类，形成搭建运行子系统Petri网的依据

进一步地，所述本线运行子系统的分层Petri网模型具体为：

将车站1的A方向发车库所P_1Ad发出的列车托肯经过延时变迁T_{t1 to 2}至车站2的A方向到达库所P_2Aa，接收后传递至车站2子系统，附加在变迁上的时长为列车在区间的运行时间；

所述直通运行子系统的分层Petri网模型具体为：

将车站1的A方向发车库所P_1Ad发出的列车托肯经过延时变迁T_{t1 to 2}至车站2的A方向到达库所P_2Aa，接收后传递至车站2子系统，附加在变迁上的时长为列车在区间的运行时间；同时在两条延时狐上设置选择函数，通过识别列车信息中的终到站信息对列车运行方向进行筛选和区分。

该进一步方案的有益效果是：实现了对本线和直通(Y形)两种运行方式的Petri网建模，进而实现了对列车区间运行的仿真模拟。

进一步地，所述列车进出站模块的分层Petri网模型具体为：

列车进站过程从与运行子系统连接的端口库所P_1Aa处开始，来自运行子系统的高级复合托肯到达P_1Aa后延时变迁T_t1A01具有发生权，高 级复合托肯通过时长等于停车附加时分的延时后被分解为列车信息和旅客信息两个托肯，并分别发出到库所P_1Aa01与端口库所P_1Aa03；列车信息托肯到达P_1Aa01后进入虚拟站线T_t1A01模拟停车过程，并通过变迁上设置的延时命令控制停车时间；旅客信息托肯到达P_1Aa03后进入客流运动模块；

当列车进出站模块的库所P_1Aa02与客流运动模块的端口库所P_1Aa12中均含有托肯时，延时变迁T_t1A03有发生权，将列车信息与客流信息合并为复合着色托肯，模拟旅客乘降过程和列车客运作业的完成，形成完整的离站列车信息；并通过变迁的延时命令控制高 级复合托肯延时一个起车附加时间再发出；高 级复合托肯被发出后进入端口库所P_1Ad，并进入运行子系统，车站子系统则进入新一轮列车到发仿真过程。

该进一步方案的有益效果是：实现了对列车进出站和停车办理客运业务过程的仿真模拟。

进一步地，所述客流发生模块的分层Petri网模型具体为：

设定弧(P_1C,T_i1C)和(T_i1C,P_1C)为瞬时变迁T_i1C的触发时间控制器，即每隔间隔时间触发一次，利用瞬时变迁T_i1C通过设置在变迁上的函数产生符合泊松分布的总进站客流，随后将客流分配到各运行方向上，产生的客流托肯分别进入客流运动模块端口库所，参与乘车过程。

该进一步方案的有益效果是：实现了对客流到达过程的仿真模拟。

进一步地，所述客流运动模块的分层Petri网模型具体为：

旅客乘降过程按照先下后上原则，分为下车和上车两个独立且有序的工作流；带有到站列车客流信息的pass托肯到达库所P_1A03后，延时变迁T_t1A04有发生权，将积颜色集Pass含有的客流信息分流成为三个独立的着色托肯，并通过延时命令增加旅客下车时间；下车客流托肯进入库所P_1A04，车辆剩余载客能力托肯进入库所P_1A05，通过客流托肯进入库所P_1A06等待与上车客流汇合；

利用瞬时变迁T_i1A01对下车客流的分流处理，接收到已完成下车过程的托肯后，通过预设的比例系数分流本站到达客流和换乘客流，并分别发出至库所 P_1A07和库所P_1A08，库所P_1A07作为出站客流接收器，库所P_1A08通过换乘变迁连接其他客流运动模块的换乘库所；利用延时变迁T_t1A05接收和合并本站出发客流、换乘上车客流和车辆剩余能力三类托肯，并同步增加上车时间；

旅客乘降完毕后通过瞬时变迁T_i1A02开始车内客流更新过程，本站完成上车客流、通过客流，以及车厢剰余能整理和汇总形成新的本站发出客流信息，并通过端口库所P_1A12输出到列车进出站模块。

该进一步方案的有益效果是：对旅客上下车过程进行了刻画和仿真模拟，可以较清晰的反应出旅客在列车、站台之间的交换过程。同时，为实现恰当的仿真粒度，该方案将由若干位旅客组成的“旅客组”而非单个旅客作为托肯，兼顾了仿真效率和仿真精度。

进一步地，还包括换乘模块和列车折返模块；

所述换乘模块的分层Petri网模型具体为：

库所P_1A08和P_1B08分别连接车站1运行方向A和B的客流运动模块，接到换乘客流托肯后通过瞬时变迁T_{i1A to 2}和T_{i1B to 2}，并按照预设的比例系数p、q 分流后分别进入车站2运行方向A和B的换乘接收库所，并由此进入客流运动模块。

所述列车折返模块的分层Petri网模型具体为：

设定库所P_1Aa为车站1运行方向A的到达库所，库所P_1Bd为车站1运行方向B的出发库所，通过延时变迁T_{t1A to 1B}模拟折返过程，并在弧(T_{t1A to 1B},P_1Bd) 上通过赋值更新列车数据。

该进一步方案的有益效果是：对换乘车站中旅客运动情况进行了仿真模拟；实现换乘模块与客流运动模块的衔接，真实刻画了换乘车站内旅客运动情形。

第二方面，本发明还提供了一种应用上述基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：

S1、获取列车运行参数和各车站乘降客流数据，对Petri网仿真模型进行参数标定；

S2、建立仿真系统中各个功能模块对应的分层Petri网模型，并通过端口连接构成区域轨道交通网络分层Petri网模型；

S3、对步骤S2建立的区域轨道交通网络分层Petri网模型进行压力测试，结合步骤S1获取的数据对区域轨道交通网络服务水平及对应的承载力进行仿真。

本发明的有益效果是：以分层Petri网为技术手段，通过仿真实验，得到区间断面客流、列车拥挤度、站台客流密度、车站平均集散时间动态系数和站台平均候车时间等区域轨道交通网络服务水平指标，可视化区域轨道交通网络中实时客流变化，从而实现对区域轨道交通车站承载力的评估。

附图说明

图1为本发明的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统结构示意图；

图2为本发明实施例中本线运行子系统结构示意图；

图3为本发明实施例中直通运行子系统结构示意图；

图4为本发明实施例中中间站子系统结构示意图；

图5为本发明实施例中起讫站子系统结构示意图；

图6为本发明实施例中两线换乘站子系统结构示意图；

图7为本发明实施例中本线运行子系统的分层Petri网模型结构示意图；

图8为本发明实施例中直通运行子系统的分层Petri网模型结构示意图；

图9为本发明实施例中列车进出站模块的分层Petri网模型结构示意图；

图10为本发明实施例中车站客流运动模块的分层Petri网模型结构示意图；

图11为本发明实施例中车站客流发生模块的分层Petri网模型结构示意图；

图12为本发明实施例中车站换乘模块的分层Petri网模型结构示意图；

图13为本发明实施例中列车折返模块的分层Petri网模型结构示意图；

图14为本发明实施例中多制式区域轨道交通网络承载力仿真模型功能结构示意图；

图15为本发明的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真方法流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

参照图1，本发明实施例提供了一种基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，包括列车运行子系统和车站运作子系统；

所述列车运行子系统用于通过设置延时变迁和判断函数，对列车区间运行过程和直通方向选择进行模拟；

所述车站运作子系统用于对车站运营中各类事件进行模拟，其包括分别通过建立分层Petri网模型构成的客流发生模块、列车进出站模块和客流运动模块，所述客流运动模块的端口分别连接客流发生模块、设定方向的列车进出站模块及出站客流接收库所；

所述客流发生模块用于控制进站客流数量和进站时间间隔，每次生成一个包含至少一位乘客的乘客组作为进站客流托肯；

所述列车进出站模块用于首先生成到达列车托肯，同时更新该站客流数据，然后通过延时变迁实现模拟列车的停站时间，并通过客流运动模块端口更新车内客流数据，模拟乘客上下车过程，最后将更新车内客流信息后的托肯发出，完成列车出站过程；

所述客流运动模块用于通过分解、合并不同颜色的托肯并对其赋值进行计算，接收进站和下车客流，输送上车客流，计算并更新列车剩余载客能力，与其他客流运动模块交换换乘客流，完成对旅客上下车和换乘过程的模拟。

在本实施例中，列车运行子系统主要用于模拟列车区间运行、直通线路选择等过程；车站运作子系统主要用于模拟乘客进出站、乘降和换乘行为，模拟列车在车站内的通过、停车和办理客运业务等过程。列车运行子系统和车站运作子系统由各表征乘客和列车具体行为的功能模块组成，每个功能模块对应一个Petri网模块，即HPN模型(HierarchicalPetri Net，分层Petri网)，通过在各子系统出入口处设置Petri网接口实现子系统连接，并实现区域轨道交通网络的建立。

本发明的列车运行子系统用于通过设置延时变迁和判断函数，实现对列车区间运行过程和直通方向选择的模拟。其首先接收由车站模块发出的带有车次号、列车种类、车内乘客数和终到站等信息的列车托肯。在直通运行区间内，列车运行径路的区分通过对列车终到站信息的识别而实现。确定运行方向后的列车托肯进入对应区间的延时变迁，模拟区间运行过程；没有直通运行的区间时，列车托肯直接进入延时变迁，模拟区间运行过程。列车托肯经过延时变迁后被进站接收库所接收，进入下一车站的运作子系统，参与该车站运作过程。

在区域轨道交通网络中存在跨线直通运行的区间，因此列车运行子系统分为本线运行子系统和直通(Y形线路)运行子系统两种。通过设置判断语句，模拟物理渡线，实现列车跨线运行的仿真。

本线运行子系统结构如图2所示。图中表示了一个双线区间的列车运行过程。直通(Y形线路)运行子系统结构如图3所示。与本线运行子系统相比，直通运行子系统设置了列车运行方向判断条件，区分不同终到站的列车。

本发明的车站运作子系统用于实现对车站运营中各类事件的仿真。该子系统主要包括客流发生模块、列车进出站模块、客流运动模块三个模块，分别用于模拟旅客进站、列车到发和旅客在站内的乘降、换乘等过程。

不同类型的车站乘客流动过程存在差异，因此需要分别建立子系统进行刻画。与此同时，各车站子系统的功能模块又具有相似性，如列车到发、乘客乘降等，可以使用相同的功能模块进行描述。各类型车站的框架均以中间站为基础，通过根据实际情况增加换乘模块等手段，实现对各类型车站的功能模拟。

中间站、起讫站、换乘站子系统功能结构如图4-6所示。这三个类型的车站系统的共同组成部分包括客流发生模块、列车进出站模块、客流运动模块。进站乘客托肯由进站客流发生模块生成，并进入站台(客流运动模块)候车。列车进出站模块接收运行子系统列车，同时读取车内乘客数，使用延时变迁控制列车停站时间。在列车停站期间发出下车乘客托肯进入站台，并由出站模块接收，在乘客下车完毕后开始乘客上车过程，列车库所根据剩余载客量(由列车最大载客量减去下车过程完毕后剩余乘客人数得出)接收乘客托肯上车，未上车的乘客返回站台。列车发车后被运行子系统接收，进入运行过程。上下行列车运行和乘客乘降模块独立，互不干扰。起讫站子系统中，终到列车进入折返模块并成为新的始发列车。两线换乘车站子系统，由两个独立的一般车站子系统和一个换乘通道子模块组成。换乘客流下车后进入换乘通道换乘，并加入另一站台客流运动模块。乘客下车时，系统根据乘客的终到站属性判定归入换乘客流或到达客流，并分别进入换乘通道或出站。枢纽站(国铁-城轨换乘站)、三线及以上换乘站仿照两线换乘站结构设计。

客流发生模块用于控制进站客流数量和进站时间间隔，每次生成一个包含一位或多位乘客的乘客组作为进站客流托肯，并带有乘客组人数、进站时刻、目的车站等属性。当使用实际客流数据进行网络承载力仿真时，亦可在发生器中手动添加进站客流托肯。

列车进出站模块首先在接收由列车运行子系统发出的列车托肯，同时更新该站客流数据，如该站出站客流量、换乘客流量、继续乘车客流量等，然后通过延时变迁实现模拟列车的停站时间，并通过客流运动模块端口更新车内客流数据，模拟乘客上下车过程，最后将更新车内客流信息后的托肯发出进入列车运行子系统，完成列车出站过程。

客流运动模块用于模拟旅客在站内的运动情况，站内每个运行方向设置一个。该模块通过分解、合并不同颜色的托肯并对其赋值进行计算，实现接收进站(包括换乘和进站)和下车(包括换乘和出站)客流，输送上车客流，计算并更新列车剩余载客能力，与其他客流运动模块交换换乘客流等，从而实现对旅客上下车和换乘过程的模拟。

在本实施例中，本发明定义分层Petri网模型为一个八元组，具体表示为：

∑＝(P,T；F,M,C,W,K,t)

其中，(P,T；F)为一个基本Petri网，P表示库所集合，映射列车运行过程状态和车站各功能区域的客流集散状态；T＝T_i∪T_t表示变迁集合，T_i＝{T_i1,T_i2,...,T_in}表示瞬时变迁集合，映射车流和客流的瞬时逻辑状态变化，T_t＝{T_t1,T_t2,...,T_tm}表示延时变迁集合，映射延时状态变化，且

F表示有序偶集合，由一个P 元素和一个T元素组成，表示有向弧连接元素的前后关系；设有序偶所在的有向弧集合是A＝A_i∪A_t，瞬时有向弧集A_l和延时有向弧集A_t分别满足：

A_i＝(P×T_i)∪(T_i×P)

A_t＝(P×T_t)∪(T_t×P)

C是Petri网的颜色集，C＝{C₁,C₂,...,C_k}，L(C)表示定义在颜色集C上的一个非负整数系数线性函数，即

L(C)＝a₁c₁+a₂c₂+...+a_kc_k

其中a_i(i＝1,2,...,k)均为非负整数。

设M为Petri网的一个标识，满足：

M:P→L(C)

设Petri网在有向孤集合上有权函数W，在库所集合上有容量函数K，权函数W和容量函数K分别满足：

其中a_i(i＝1,2,...,k)为L(C)的系数。

设t为延时变迁T_t与延时有向弧A_t的延时时长，满足

t:T_t→R₀或A_t→R₀

则分层Petri网模型的变迁发生规则具体为：

若变迁t∈T有发生权，即M[t＞发生的条件是

式中，p为库所，^*t和t^*分别为变迁t的前集和后集，M(p)为库所p的标识，W(p,t)和W(t,p)分别为流关系(p,t)和(t,p)上的权函数，K(p)为库所p的容量函数

若变迁t发生后得到新标识M^t，若M[t＞M^t则有对

式中，M'(p)为库所p的标识和新标识。

在建立分层Petri网模型时，本发明采用CPN Tools软件中的Petri网图形表示方法表示HPN模型，即使用圆圈“〇”表示库所，用矩形

表示变迁，用箭头“→”表示弧，用“@+interval time”表示变迁和弧上的延时，用“n·(col 1, col 2,…,col k)”表示库所中的托肯数(n)及其k个颜色属性(col 1,…,col k) 并在库所中画黑色圆点“·”。

CPN Tools内置有全局时钟函数time()，对每个托肯都附加一个“时间戳”作为其在系统中所处时间的表示。HPN模型定义全局时间变量intTime()为整型变量，时间值可以是无界的整数。根据HPN模型仿真时间精度要求，可以灵活为延时步长定义时间单位，如1分、30秒或1秒等。

CPN Tools软件自带简单颜色集，并支持建立自定义颜色集和由多个颜色集组成的复合颜色集(多个同类型颜色集组合而成的积颜色集Product和多个不同类型颜色集组合而成的记录颜色集Record)。颜色集声明中可以使用timed 语句为该颜色集赋时间属性，从而使该颜色集中的托肯带上“时间戳”(time stamp)，具备为托肯设置时间的条件。本技术使用的简单颜色集包括BOOL 布尔型，INT整型和STRING字符型。

除CPN Tools软件自带的简单颜色集之外，本发明定义的颜色集和变量如下：

colset TrainID＝int timed；

var trainID:TrainID；//声明列车车次号颜色集和变量(整型带时间)

colset TrainType＝with A|B；

var trainType:TrainType；//声明列车种类(快慢车)颜色集和变量(字符型)

colset TrainInfo＝record TrainID*TrainType timed；//声明列车信息记录颜色集，属于该颜色集的托肯包含车次号、种类两个属性(带时间)

colset Trans＝real timed；

var trans:Trans；//声明乘降(含本站到达和换乘到发三种)旅客人数颜色集和变量(实数型带时间)

colset Con＝real timed；

var con:Con；//声明车内继续乘车旅客人数颜色集和变量(实数型带时间)

colset Free＝real timed；

var free:Free；//声明车内剩余载客量颜色集和变量(实数型带时间)

colset Dep＝real timed；

var dep:Dep；//声明本站出发旅客颜色集和变量(实数型带时间)

colset On＝product Dep*Trans*Free timed；//声明上车旅客积颜色集，属于该颜色集的托肯包含本站出发人数、换乘上车人数、车内剩余载客量三个属性 (带时间)

colset Pass＝product Trans*Con*Free timed；//声明旅客信息积颜色集，属于该颜色集的托肯包含乘降人数、继续乘车人数、车内剩余载客量三个属性(带时间)

colset Train＝record TrainInfo*Pass timed；//声明列车记录颜色集，属于该颜色集的托肯包含列车信息和旅客信息属性，即包含上述所有属性(带时间)

CPN Tools软件设置有“替代变迁”实现对Petri网的分层，即通过将一个以多个变迁为网络末端元素的子网简化成一个替代变迁并接入总网。子网的具体结构可以在原网络中或新选项卡中查看，也可以进行复制，实现反复调用。

下面分别对运行子系统中的本线运行子系统和直通运行子系统的HPN建模过程进行说明。

本线运行子系统的HPN结构如图7所示。图中1、2为车站编号，P_1Ad为车站1的A方向发车库所，P_2Aa为车站2的A方向到达库所，Train为库所允许容纳的托肯颜色。P_1Ad发出的列车托肯经过延时变迁T_{t1 to 2}至P_2Aa，接收后传递至车站2子系统，附加在变迁上的时长interval time为列车在区间的运行时间。弧表达train在CPN Tools软件中写为((trainID,trainType,trainDest),(trans, con,free))，表示只有Train颜色集中的托肯才能通过该弧。图中做了简化表达处理(下同)。

直通(Y形线路)运行子系统的HPN模型如图8所示。其中库所P_1Ad、 P_2Aa、P_3Aa为车站发车或到达库所。弧(P_1Ad,T_{i1 to 2 or 3})为瞬时弧，变迁T_{i1 to 2 or 3}为瞬时变迁。延时弧(T_{i1 to 2 or 3},P_2Aa)、(T_{i1 to 2 or 3},P_3Aa)上设置有选择函数，通过识别列车信息中的终到站信息trainDest实现对列车运行方向的筛选和区分。两条弧上的延时interval time分别设置，其值分别等于区间(1,2)和(1,3)的运行时分。

本发明在中间站仿真系统的基础上，对换乘站、起讫站还应增加相应的旅客换乘和列车折返模块。不同种类、不同数量的模块相互组合可以构成完整的车站仿真系统。

下面分别对客流发生模块、列车进出站模块、客流运动模块、换乘模块和列车折返模块的HPN建模过程进行说明。

列车进出站模块的分层Petri网模型如图9所示。

列车进站过程从与运行子系统连接的端口库所P_1Aa处开始，来自运行子系统的高级复合托肯train到达P_1Aa后延时变迁T_t1A01具有发生权，train托肯通过时长等于停车附加时分的延时后被分解为列车信息(trainID,trainType,trainDest) (以下简称trainInfo)和旅客信息(trans,con,free)(以下简称pass)两个托肯，并分别发出到库所P_1Aa01与端口库所P_1Aa03。trainInfo托肯到达P_1Aa01后进入虚拟站线T_t1A01模拟停车过程，停车时间通过变迁上设置的@+stop time的延时命令控制；pass托肯到达P_1Aa03后进入客流运动模块。

当列车进出站模块的库所P_1Aa02与客流运动模块的端口库所P_1Aa12中均含有托肯时，延时变迁T_t1A03有发生权。该变迁有两个功能，一是将列车信息 trainInfo与客流信息pass合并为复合着色托肯train，模拟旅客乘降过程和列车客运作业的完成，形成完整的离站列车信息；二是通过变迁的延时命令@+ accelerating time，控制train托肯延时一个起车附加时间再发出。train托肯被发出后进入端口库所P_1Ad，并进入运行子系统，车站子系统则进入新一轮列车到发仿真过程。

对设有配线或办理快车通过的车站，可对到发模块进行调整，以符合实际运行情况。对设有配线的车站，在变迁T_t1A01和T_t1A03间增设库所P_1Aa01-1、变迁T_t1A01-1和库所P_1Aa02-1，形成另一条虚拟站线；对办理快车通过的车站，取消延时变迁T_t1A01、T_t1A02和T_t1A03上设置的延时命令，并在弧(T_t1A02,P_1Aa02)上增加判断函数如下

if trainType＝A

@+passing time//列车类型为“A”(快车)时增加通过时间

else trainType＝B

@+(decelerating time+stopping time+accelerating time)//列车类型为“B”(慢车)时增加起停附加时分和停站时间。

车站客流运动模块的HPN模型如图10所示。该HPN模型对任意类型车站均适用，根据实际情况调整参数k和变量trans的取值即可。

客流运动模块共有三个端口，分别连接A方向列车进出站模块和客流发生模块。HPN模型中，分别在相应的进站弧和出站弧处添加步行时间的命令。例如延时弧(T_i1A01,P_1A07)上添加了出站步行时间out time。

旅客乘降过程按照先下后上原则，分为下车和上车两个独立且有序的工作流。带有到站列车客流信息的pass托肯到达库所P_1A03后，延时变迁T_t1A04有发生权。延时变迁T_t1A04的主要功能是将积颜色集Pass含有的客流信息(trans,con, free)分流成为三个独立的着色托肯trans，con和free，并通过延时命令@+off time增加旅客下车时间。下车客流托肯trans进入库所P_1A04，车辆剩余载客能力托肯free进入库所P_1A05，通过客流托肯con进入库所P_1A06等待与上车客流汇合。库所P_1A04与库所P_1A05并不代表物理站台的具体区域，其作用是计算和传输列车车厢客流量变化。利用CPN Tools软件可以直接在有向弧上进行同类型变量的数学计算的功能，在弧(T_t1A04,P_1A05)上对车辆剩余能力进行了更新，加入了下车客流释放的能力。

乘降旅客在站内的分流和合流过程由瞬时变迁T_i1A01和延时变迁T_t1A05实现。瞬时变迁T_i1A01用于下车客流的分流处理。接收到已完成下车过程的trans 托肯后，通过预设的比例系数k分流本站到达客流和换乘客流，并分别发出至库所P_1A07和库所P_1A08。库所P_1A07为出站客流接收器，库所P_1A08通过换乘变迁连接其他客流运动模块的换乘库所。延时变迁T_t1A05的主要功能是接收和合并本站出发客流、换乘上车客流和车辆剩余能力三类托肯，并同步增加上车时间。

旅客乘降完毕后开始车内客流更新过程，通过瞬时变迁T_i1A02完成。本站完成上车客流dep+trans、通过客流con，以及车厢剰余能free-dep-trans整理和汇总形成新的本站发出客流信息pass，并通过端口库所P_1A12输出到列车进出站模块。

客流发生模块的HPN模型如图11所示。该HPN模块一个车站设置一个，车站内不同运行方向的客流运动模块共用。

弧(P_1C,T_i1C)和(T_i1C,P_1C)是瞬时变迁T_i1C的触发时间控制器，即每隔间隔时间interval time触发一次。间隔时间的取值可根据仿真粒度需要灵活确定和调整。瞬时变迁T_i1C有两个功能，首先是通过设置在变迁上的函数new(Dep)产生符合泊松分布的总进站客流val dep＝poisson(lambda)，随后将客流分配到各运行方向上。客流分配比例由参数k确定，并可灵活调整。产生的客流托肯分别进入客流运动模块端口库所，参与乘车过程。

换乘模块的HPN模型如图12所示。

以车站1向车站2换乘(图中左侧HPN模型)为例，库所P_1A08和P_1B08分别连接车站1运行方向A和B的客流运动模块，接到换乘客流托肯后通过瞬时变迁T_{i1A to 2}和T_i1B to ₂，并按照预设的比例系数p、q分流后分别进入车站 2运行方向A和B的换乘接收库所，并由此进入客流运动模块。对于三线及以上换乘车站，按照“一输出一变迁二输入”的组网原则对模型进行扩展即可。

列车折返模块的HPN模型如图13所示。

库所P_1Aa为车站1运行方向A的到达库所，库所P_1Bd为车站1运行方向B 的出发库所。折返过程通过延时变迁T_{t1 A to 1B}模拟，列车数据在弧(T_{t1 A to 1B},P_1Bd) 上通过赋值更新。在运行图确定，且不需要对列车运行进行调整的情况下，折返模块亦可不设置，直接在出发库所P_1Bd添加列车托肯并根据运行图赋时即可。

本发明的区域轨道交通网络HPN模型通过三层结构自下而上建立。首先是由各模块组合形成运行子系统和车站子系统，再由各子系统根据实际网络情况和仿真需求组合建立网络模型。对双线区间(k,k+1)，由k to k+1和k+1to k 两套运行模块组合建立。对中间站k，其车站子系统由kA、kB两套列车进出站模块和客流运动模块，kC一套客流生成模块组合建立。对两线换乘站m/n (车站编号根据线路确定，为保持编号一致性，分属两条线路的换乘站分别编号)，其车站子系统由mA、mB、nA、nB四套列车进出站模块和客流运动模块，mC、nC两套客流生成模块，m to n和n to m两套换乘模块组合建立。

区域轨道交通网络HPN仿真模型的功能框架如图14所示，图中图中A、 B线分别为城轨线和国铁线，A线A1站、B线B1站为起讫站，对应图5所示起讫站子系统，A线A2、A3站为中间站，对应图4所示中间站子系统，A线 A4站及B线B2站为换乘站，对应图6所示两线换乘子系统；上下行运行子系统对应图2所示本线运行子系统，直通运行子系统对应图3所示直通运行子系统。该模型涵盖城轨线、国铁线、始发站、普通站、多制式(多运营方)换乘站、Y型运行区间、本线运行区间。

实施例2

基于实施例1中描述的基于分层Petri网的区域轨道交通车站承载力仿真系统，本发明实施例提供了一种应用上述仿真系统的仿真方法，如图15所示，包括以下步骤：

S1、获取列车运行参数和各车站乘降客流数据，对Petri网仿真模型进行参数标定；

本实施例中，本发明可以通过自动生成或手动赋值添加列车运行参数、各车站乘降客流数据。

S2、建立仿真系统中各个功能模块对应的分层Petri网模型，并通过端口连接构成区域轨道交通网络分层Petri网模型；

本实施例中，本发明按照实施例1中描述的仿真系统，利用CPN Tools软件建立仿真系统中各个功能模块对应的分层Petri网模型，并通过端口连接构成区域轨道交通网络分层Petri网模型。

S3、对步骤S2建立的区域轨道交通网络分层Petri网模型进行压力测试，结合步骤S1获取的数据对区域轨道交通网络服务水平及对应的承载力进行仿真。

本实施例中，本发明通过对步骤S2建立的区域轨道交通车站分层Petri网模型赋值添加列车运行参数、各车站乘降客流数据，模拟列车运行状态变化和客流动态生灭及位置变化的全过程，实现对车站内车流与客流运动情况的可视化仿真。

本发明通过对模型进行压力测试，可得到不同客流水平下列车满载率和平均候车时间等网络服务质量指标，从而实现对区域轨道交通网络承载力的评估。

下面结合具体实例来对本发明的仿真系统和方法进行说明。

选取重庆轨道交通3、5、10、环线四条线组成的轨道交通网络。为兼顾仿真精度和效率，本网络省略了部分中间站。算例部分参数设置如下：3号线采用8辆编组跨座式单轨车辆，5、10、环线采用6辆编组A型地铁车辆；立席密度参照《基于耐受性的城市轨道交通车厢立席密度研究》，换乘通道服务水平参照《城市轨道交通车站服务能力计算与能力适应性评估》，两个指标共同表征网络服务水平；区间运行时分、行车间隔等参数通过给定的运行图标定。按照前文建立的各子系统HPN模型和算例网络物理结构建立网络HPN模型，根据给定的7:00-8:00运行图，输入网络承载力数据，在HPN模型中进行时间精度为20秒、总延时为45单位(15分钟)的仿真，计算不同网络承载力对应的服务水平。得到结果如表1所示。

表1、不同服务水平对应的车站承载力表

仿真结果表明：1-3级服务水平能够较好满足乘客对换乘站设施设备及车辆的步行速度和空间需求；4-6级服务水平，3号线承载力逐渐趋于饱和，承载力主要影响因素集中在3号线红旗河沟、牛角沱、重庆北站南广场三个换乘站的承载力限制，可以通过增加10号线行车密度来提高网络承载力。同时，受到3号线运力不足，5和10号线行车间隔较大未能提供最大运行能力的影响，环线承载力的利用也存在一定损失。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，包括列车运行子系统和车站运作子系统；

所述列车运行子系统用于通过设置延时变迁和判断函数，对列车区间运行过程和直通方向选择进行模拟；

所述车站运作子系统用于对车站运营中各类事件进行模拟，其包括分别通过建立分层Petri网模型构成的客流发生模块、列车进出站模块和客流运动模块，所述客流运动模块的端口分别连接客流发生模块、设定方向的列车进出站模块及出站客流接收库所；

所述客流发生模块用于控制进站客流数量和进站时间间隔，每次生成一个包含至少一位乘客的乘客组作为进站客流托肯；

所述列车进出站模块用于首先生成到达列车托肯，同时更新该站客流数据，然后通过延时变迁实现模拟列车的停站时间，并通过客流运动模块端口更新车内客流数据，模拟乘客上下车过程，最后将更新车内客流信息后的托肯发出，完成列车出站过程；

所述客流运动模块用于通过分解、合并不同颜色的托肯并对其赋值进行计算，接收进站和下车客流，输送上车客流，计算并更新列车剩余载客能力，与其他客流运动模块交换换乘客流，完成对旅客上下车和换乘过程的模拟。

2.根据权利要求1所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述分层Petri网模型具体表示为：

∑＝(P,T；F,M,C,W,K,t)

其中，P表示库所集合，映射列车运行过程状态和车站各功能区域的客流集散状态；T＝T_i∪T_t表示变迁集合，T_i＝{T_i1,T_i2,...,T_in}表示瞬时变迁集合，映射车流和客流的瞬时逻辑状态变化，T_t＝{T_t1,T_t2,...,T_tm}表示延时变迁集合，映射延时状态变化，且

F表示有序偶集合，由一个P元素和一个T元素组成，表示有向弧连接元素的前后关系；M表示Petri网的标识；C表示Petri网的颜色集；W表示Petri网在有向孤集合上的权函数；K表示Petri网在库所集合上的容量函数；t表示延时变迁T_t与延时有向弧A_t的延时时长。

3.根据权利要求2所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述分层Petri网模型的变迁发生规则具体为：

若变迁t∈T有发生权，即M[t＞发生的条件是

式中，p为库所，^*t和t^*分别为变迁t的前集和后集，M(p)为库所p的标识，W(p,t)和W(t,p)分别为流关系(p,t)和(t,p)上的权函数，K(p)为库所p的容量函数

若变迁t发生后得到新标识M^t，若M[t＞M^t则有对

式中，M'(p)为库所p的新标识。

4.根据权利要求3所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述列车运行子系统具体包括分别通过建立分层Petri网模型构成的本线运行子系统和直通运行子系统；

所述本线运行子系统用于在没有直通运行的区间时，将列车托肯直接进入延时变迁，模拟区间运行过程；在列车托肯经过延时变迁后被进站接收库所接收，进入下一车站的运作子系统；

所述直通运行子系统用于在直通运行区间内，通过设置列车终到站信息作为列车运行方向判断条件对列车运行方向进行区分，在确定列车运行方向后将列车托肯进入对应区间的延时变迁，模拟区间运行过程。

5.根据权利要求4所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述本线运行子系统的分层Petri网模型具体为：

将车站1的A方向发车库所P_1Ad发出的列车托肯经过延时变迁T_{t1 to 2}至车站2的A方向到达库所P_2Aa，接收后传递至车站2子系统，附加在变迁上的时长为列车在区间的运行时间；

所述直通运行子系统的分层Petri网模型具体为：

将车站1的A方向发车库所P_1Ad发出的列车托肯经过延时变迁T_{t1 to 2}至车站2的A方向到达库所P_2Aa，接收后传递至车站2子系统，附加在变迁上的时长为列车在区间的运行时间；同时在两条延时狐上设置选择函数，通过识别列车信息中的终到站信息对列车运行方向进行筛选和区分。

6.根据权利要求5所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述列车进出站模块的分层Petri网模型具体为：

列车进站过程从与运行子系统连接的端口库所P_1Aa处开始，来自运行子系统的高级复合托肯到达P_1Aa后延时变迁T_t1A01具有发生权，高级复合托肯通过时长等于停车附加时分的延时后被分解为列车信息和旅客信息两个托肯，并分别发出到库所P_1Aa01与端口库所P_1Aa03；列车信息托肯到达P_1Aa01后进入虚拟站线T_t1A01模拟停车过程，并通过变迁上设置的延时命令控制停车时间；旅客信息托肯到达P_1Aa03后进入客流运动模块；

当列车进出站模块的库所P_1Aa02与客流运动模块的端口库所P_1Aa12中均含有托肯时，延时变迁T_t1A03有发生权，将列车信息与客流信息合并为复合托肯，模拟旅客乘降过程和列车客运作业的完成，形成完整的离站列车信息；并通过变迁的延时命令控制高级复合托肯延时一个起车附加时间再发出；高级复合托肯被发出后进入端口库所P_1Ad，并进入运行子系统，车站子系统则进入新一轮列车到发仿真过程。

7.根据权利要求6所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述客流发生模块的分层Petri网模型具体为：

设定弧(P_1C,T_i1C)和(T_i1C,P_1C)为瞬时变迁T_i1C的触发时间控制器，即每隔间隔时间触发一次，利用瞬时变迁T_i1C通过设置在变迁上的函数产生符合泊松分布的总进站客流，随后将客流分配到各运行方向上，产生的客流托肯分别进入客流运动模块端口库所，参与乘车过程。

8.根据权利要求7所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，所述客流运动模块的分层Petri网模型具体为：

旅客乘降过程按照先下后上原则，分为下车和上车两个独立且有序的工作流；带有到站列车客流信息的pass托肯到达库所P_1A03后，延时变迁T_t1A04有发生权，将积颜色集Pass含有的客流信息分流成为三个独立的着色托肯，并通过延时命令增加旅客下车时间；下车客流托肯进入库所P_1A04，车辆剩余载客能力托肯进入库所P_1A05，通过客流托肯进入库所P_1A06等待与上车客流汇合；

利用瞬时变迁T_i1A01对下车客流的分流处理，接收到已完成下车过程的托肯后，通过预设的比例系数分流本站到达客流和换乘客流，并分别发出至库所P_1A07和库所P_1A08，库所P_1A07作为出站客流接收器，库所P_1A08通过换乘变迁连接其他客流运动模块的换乘库所；利用延时变迁T_t1A05接收和合并本站出发客流、换乘上车客流和车辆剩余能力三类托肯，并同步增加上车时间；

旅客乘降完毕后通过瞬时变迁T_i1A02开始车内客流更新过程，本站完成上车客流、通过客流，以及车厢剰余能整理和汇总形成新的本站发出客流信息，并通过端口库所P_1A12输出到列车进出站模块。

9.根据权利要求8所述的基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统，其特征在于，还包括换乘模块和列车折返模块；

所述换乘模块的分层Petri网模型具体为：

库所P_1A08和P_1B08分别连接车站1运行方向A和B的客流运动模块，接到换乘客流托肯后通过瞬时变迁T_{i1A to 2}和T_{i1B to 2}，并按照预设的比例系数p、q分流后分别进入车站2运行方向A和B的换乘接收库所，并由此进入客流运动模块；

所述列车折返模块的分层Petri网模型具体为：

设定库所P_1Aa为车站1运行方向A的到达库所，库所P_1Bd为车站1运行方向B的出发库所，通过延时变迁T_{t1A to 1B}模拟折返过程，并在弧(T_{t1A to 1B},P_1Bd)上通过赋值更新列车数据。

10.一种应用如权利要求1至9任一所述基于分层Petri网的区域轨道交通网络承载力仿真系统的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取列车运行参数和各车站乘降客流数据，对Petri网仿真模型进行参数标定；

S2、建立仿真系统中各个功能模块对应的分层Petri网模型，并通过端口连接构成区域轨道交通网络分层Petri网模型；

S3、对步骤S2建立的区域轨道交通网络分层Petri网模型进行压力测试，结合步骤S1获取的数据对区域轨道交通网络服务水平及对应的承载力进行仿真。

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