基于Petri网的高铁应急调度指挥人机交互风险演化分析与控制策略研究

The interactive relationship between human error of high-speed rail train dispatchers and equipment failure under emergency conditions is believed to be an important reason of rail accidents. Existing system safety analysis method can’t reflect the spatial and temporal variability and evolution of train dispatching human-machine interactive process. Through systematic analysis of its functional and logical structure, the study aims at establishing a high-speed rail train dispatching human-machine control model. The function failure modes of train dispatching system are analyzed and extracted based on the safety-design principles of control system. Then the human error modes of high-speed train dispatchers under emergency conditions are identified by using human reliability theory and cognitive behavior model. Based on the feedback relationship between various factors of high-speed rail train dispatching system, the human-machine dynamic evolution process model is constructed by using petri nets and a qualitative analysis algorithm is proposed to identify human-machine interactive risk event sequence. At last, a quantitative algorithm of calculating event sequence status probability and the strategies to control human-machine interactive risk are proposed. The research findings will provide theoretical and technical support for risk analysis and control of high-speed rail train emergency operation.

非正常条件下高铁应急调度指挥人因失误与设备故障之间的耦合作用关系是导致行车事故的重要原因。既有的系统安全分析方法不能反映高铁应急调度指挥人机交互过程中的时空变动性和演化过程。本项目通过系统分析高铁列车调度指挥系统的功能结构和逻辑结构，从列车调度人机交互的角度出发构建高铁列车调度指挥人机控制模型。基于控制系统安全设计的原则，对调度指挥系统功能失效模式进行分析和提取。在此基础上，应用人因可靠性理论和认知行为模型对高铁列车应急调度指挥人因失误模式进行辨识。根据高铁列车调度指挥人机交互过程中各因素之间的因果回馈关系构造petri网模型，提出人机交互风险事件序列的识别算法和事件序列的风险评估模型，并对其风险控制策略予以研究。研究成果可为高铁应急调度指挥风险分析和控制提供理论和技术支持。

随着高铁行车调度设备复杂性、自动化和黑箱性的显著增加，应急条件下高铁调度员主要基于系统输入和输出反馈执行任务，调度员容易做出不当的应急操作反应从而引发事故。本项目基于Petri网方法，对高铁列车应急调度人机交互过程中的风险事件序列辨识以及风险评估进行研究，有助于清晰的掌握事故发生的本质和途径，从而为消除事故危险路径、提高调度指挥安全水平，提供一种新的技术手段。项目执行期间主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）对高铁应急调度指挥系统划分及运作机理开展了系统的研究，构建了高铁应急调度指挥系统的人机控制关系模型。基于STPA方法，提取了高铁CTCS各子系统控制失效模式集，并结合现场调研予以验证。（2）对应急条件下高铁列车调度员的人机交互认知行为模型开展了系统的研究，提出了适合行车调度员的人因失误辨识方法。针对具体的行车调度任务，提取调度员应急调度指挥失误模式集，并结合现场调研予以验证。（3）在提取的高铁CTCS各子系统控制失效模式集和调度员应急调度指挥失误模式集的基础上，构建高铁应急调度指挥人机交互Petri网模型。提出了Petri网可达图的简化算法，应用Petri网可达图分析对高铁应急调度指挥人机交互风险事件序列进行了识别。（4）高铁列车调度指挥人机交互过程中，各事件间表现出较强的动态性和相关性。针对既有安全评估方法在此方面的不足，提出了基于随机Petri网方法的人机交互事件序列风险评估方法，并结合具体的调度任务场景开展应用分析。经过三年的研究，现已完成任务书中规定的任务。项目执行期间发表论文8篇，共培养研究生5名。项目研究成果可为高铁应急调度指挥风险分析和控制提供理论和技术支持。