淺談地鐵交通信號安全與可靠性

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摘要:城市軌道交通信號系統(tǒng)是行車指揮和列車運行的核心控制設(shè)備，在保證行車安全方面起著重要作用。主要對信號系統(tǒng)的安全性與可靠性及其相互關(guān)系作了簡要分析。

關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng);安全性;可靠性

1概述

軌道交通系統(tǒng)作為大容量的公共交通工具，其安全性直接關(guān)系到廣大乘客的生命安全。信號系統(tǒng)作為保證列車運行安全，實現(xiàn)行車指揮和列車運行現(xiàn)代化，提高運輸效率的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備，在軌道交通系統(tǒng)中有舉足輕重的地位，通常由列車自動控制系統(tǒng)(AutomaticTrainControl，簡稱ATC)組成。ATC系統(tǒng)包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(AutomaticTrainSupervision，簡稱ATS)、列車自動防護子系統(tǒng)(AutomaticTrainProtection，簡稱ATP)、列車自動運行系統(tǒng)(AutomaticTrainOperation，簡稱ATO)。其中，ATP主要對行駛中的列車進行監(jiān)控和安全防護，避免其出現(xiàn)聯(lián)鎖備或自身系統(tǒng)中出現(xiàn)問題故障而影響列車運行安全。ATS對列車的實際運行情況進行監(jiān)督與控制，可使行車調(diào)度工作者對整個線路的列車進行全面、系統(tǒng)、完整的管理。ATO則通過分析地面情況來對列車進行控制，避免列車在行駛中突然加速或減速，提高列車運行的舒適性和節(jié)能性。3個子系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)地面控制與車上控制結(jié)合、現(xiàn)地控制與中央控制結(jié)合，構(gòu)成一個以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運行調(diào)整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統(tǒng)。

2軌道交通信號系統(tǒng)的安全性分析

對于軌道交通信號系統(tǒng)而言，安全性主要是指行車的安全和乘客的人身安全。在列車的行駛過程中，無論是因為設(shè)備出現(xiàn)故障，還是因為電路、軟件出現(xiàn)問題，都可能會影響到列車的正常行駛，而由此造成的誤動或錯誤操作，極有可能造成嚴(yán)重的安全事故。為此，在軌道交通信號系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用中，應(yīng)該以故障－安全為原則。在此過程中，需要解決的問題主要包括軌道數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热齻€方面的故障－安全問題。可以采用當(dāng)前先進的計算機技術(shù)，如容錯技術(shù)、故障檢測和診斷技術(shù)以及多重化技術(shù)等，均能夠為提高軌道交通信號系統(tǒng)的安全性提供技術(shù)支持。

2．1ATS系統(tǒng)

在控制中心設(shè)立兩套ATS系統(tǒng)，互為熱備份，即其中的一個系統(tǒng)在線時，另一個系統(tǒng)也在不斷更新其數(shù)據(jù)信息，當(dāng)出現(xiàn)故障需要切換時，熱備份系統(tǒng)在很短時間內(nèi)完成對軌旁信息的掃描，從而保證系統(tǒng)獲取最新的數(shù)據(jù)。各車站和車輛段ATS系統(tǒng)通過冗余配置的網(wǎng)絡(luò)通道和控制中心ATS連接，實現(xiàn)信息交換，以保證某點或某段通信信道發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能正常工作。ATS系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)提供的接口獨立組網(wǎng)，實現(xiàn)信息的安全獨立穩(wěn)定傳輸。ATS采用集中控制的方式，可以減少系統(tǒng)維護工作，并且減少沿線工區(qū)和人員配置。車站自動控制為控制中心自動控制的降級模式，當(dāng)控制中心設(shè)備故障或者控制中心與車站通信網(wǎng)絡(luò)故障，造成控制中心ATS子系統(tǒng)無法正常工作時，系統(tǒng)自動降級為車站自動工作模式，此時ATS本地系統(tǒng)根據(jù)本地服務(wù)器中存儲的時刻表信息繼續(xù)進行進路自動辦理。

2．2ATP系統(tǒng)

由于ATP系統(tǒng)主要是對列車的設(shè)備和系統(tǒng)進行安全監(jiān)控，因此其安全性設(shè)計應(yīng)該將重點放在保證設(shè)備系統(tǒng)安全上。首先，ATP系統(tǒng)可以利用雙層網(wǎng)絡(luò)與全冗余的模式來進行設(shè)計，將系統(tǒng)中的所有設(shè)備都設(shè)置相應(yīng)的冗余接口，并做好備份，以保證系統(tǒng)某個節(jié)點出現(xiàn)故障后系統(tǒng)也可以不受影響而正常運行。其次，編碼軟件也可以利用冗余技術(shù)，且編碼中不可出現(xiàn)循環(huán)語句，這樣是為了保證某個編碼控制程序出現(xiàn)中斷后可以繼續(xù)對系統(tǒng)進行控制，且不會形成死循環(huán)的問題。第三，為了進一步保證系統(tǒng)的安全性與可靠性，對于一些較為重要或者較為容易出現(xiàn)故障的設(shè)備，應(yīng)該進行雙重備份。同時，為了避免強信號對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還要在電路中設(shè)計一定的防沖擊電路和防干擾措施。這樣才可以很好地保證系統(tǒng)的安全運行。例如地面ATP子系統(tǒng)一般采用“二乘二取二”安全冗余設(shè)計，帶獨立“故障－安全”檢驗的安全冗余系統(tǒng)，其硬件平臺從硬件設(shè)計上采用了“二乘二取二”結(jié)構(gòu)、雙系并行工作的“二乘二取二”安全計算機系統(tǒng)，內(nèi)部通信和外部通信都采用冗余通道設(shè)計。雙系之間采用隔離技術(shù)，對其中一系進行維修與替換不會對另外一系以及其他子系統(tǒng)正常工作有任何影響，任何一個計算機或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能正常工作，整個系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常運行，不會導(dǎo)致其他子系統(tǒng)的無故切換。

2．3ATO系統(tǒng)

作為以地控車的控制系統(tǒng)，ATO系統(tǒng)自動完成對列車的啟動、牽引、巡航、惰行和制動的控制，以較高的速度進行追蹤運行和折返作業(yè)，確保達到設(shè)計間隔及旅行速度。當(dāng)其因故障無法自動運行，應(yīng)該能夠盡快轉(zhuǎn)入人工操作的程序中，以保證列車安全運行。同時，在系統(tǒng)的運行中需要大量的實時數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該首先循環(huán)傳送。為了保證行駛中的列車和地面工作站點之間可以隨時聯(lián)系溝通，在列車出站之前，要對ATO系統(tǒng)進行檢查，尤其是要對接口處進行仔細(xì)檢查，以保證系統(tǒng)的安全工作。ATO系統(tǒng)主要與列車控制系統(tǒng)非安全性的功能相關(guān)，深圳地鐵7號線車載ATO子系統(tǒng)在車頭、車尾各設(shè)置一套，單套ATO子系統(tǒng)采取雙機熱備的冗余架構(gòu)，若一系出現(xiàn)故障，可自動切換為備機工作。

3軌道交通信號系統(tǒng)的可靠性分析

對于系統(tǒng)可靠性要求，目前一般以平均功能故障間隔時間(MeanTimeBetweenFunctionalFailure，MTBFF)和平均故障間隔時間(MeantimeBetweenFailure，MTBF)兩個參數(shù)作為定量可靠性性分析指標(biāo)。規(guī)定系統(tǒng)的MTBFF應(yīng)考慮影響系統(tǒng)完成規(guī)定功能的所有故障，系統(tǒng)的MTBF則既包括影響系統(tǒng)功能的故障，也包括不影響系統(tǒng)功能完成(例如由于設(shè)備冗余)的所有故障?？紤]實際應(yīng)用系統(tǒng)的特點，在對現(xiàn)場的城市軌道交通信號系統(tǒng)評估時，MTBF作為基本可靠性的特征量，應(yīng)反映出系統(tǒng)對維修人力、費用及備品備件的需求。如果一個系統(tǒng)基本可靠度低，即便任務(wù)可靠度滿足要求，也會導(dǎo)致該系統(tǒng)維護成本太高，不能說該系統(tǒng)是一個可靠的系統(tǒng)。因為，只要有設(shè)備故障，即使由于設(shè)備采用冗余并沒有影響系統(tǒng)功能的完成，卻仍馬上需要有維修人員進行診斷、維修或更換備件。而軟件故障是指軟件設(shè)計的缺陷在一定的運行條件下，導(dǎo)致系統(tǒng)運行中出現(xiàn)可感知的不正常、不正確和不按規(guī)范執(zhí)行的狀態(tài)。任何軟件內(nèi)部缺陷引起的錯誤，不在用戶維修范疇內(nèi)，并且用戶也無法維修，因而考慮軟件故障，并不能考察出系統(tǒng)對維修人力、費用和備品備件的需求。因此，針對城市軌道交通信號系統(tǒng)，MTBF應(yīng)主要考慮硬件故障。MTBFF則應(yīng)綜合考慮硬件故障與軟件錯誤，考察系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面中完成規(guī)定功能的能力。隨著現(xiàn)代信號系統(tǒng)中采用計算機(包括微機、單片機)越來越廣泛，由軟件來承擔(dān)安全和可靠性需求的比重越來越大，因而軟件的可靠性在完成系統(tǒng)功能方面往往起著至關(guān)重要的作用。實際運行的故障統(tǒng)計也表明，由于軟件缺陷引起的系統(tǒng)功能失效約占故障總數(shù)的70%。因此，只有綜合考慮軟件故障和硬件故障，才能全面準(zhǔn)確地衡量系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)的可靠度。綜上所述，信號系統(tǒng)可靠性指標(biāo)可以參考國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確MTBF主要考慮硬件故障以衡量系統(tǒng)對維修人力、費用及其備品備件的要求;MTBFF綜合考慮軟件和硬件故障，以便準(zhǔn)確考察系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。例如在城市軌道交通中，由于ATP系統(tǒng)在正常駕駛模式下使用是惟一能連續(xù)控制列車運行，并長期確保列車安全運行的駕駛模式。降級駕駛模式是ATP系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，在限速條件以人工駕駛來降低列車運行風(fēng)險所采用的一種駕駛模式。不過，該模式并不能避免所有風(fēng)險，所以要求正常駕駛模式必須非常穩(wěn)定可靠，以盡量減少采用降級駕駛模式。鑒于上述因素，在國外城市軌道交通工程中，提出ATP系統(tǒng)正常駕駛模式的可靠性必須高于99．99%。參考相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，計軸設(shè)備平均無故障工作時間≥1.75×105h;BTM天線≥2．5×105h;雷達傳感器在40℃環(huán)境溫度下，平均無故障時間≥1．66×105h;速度傳感器平均無故障時間≥1×105h。

4軌道交通信號系統(tǒng)安全性與可靠性的關(guān)系

信號系統(tǒng)的安全性與可靠性相輔相成，并且相互影響?？煽啃允呛饬肯到y(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力，而系統(tǒng)的安全性是衡量系統(tǒng)在發(fā)生故障時不致產(chǎn)生危險側(cè)輸出的能力，二者密不可分。系統(tǒng)的可靠性越高，其發(fā)生故障的概率越小;系統(tǒng)的安全性越高，發(fā)生故障時產(chǎn)生危險側(cè)輸出的概率也就越小。

參考文獻:

［1］王芃，劉劍．二乘二取二系統(tǒng)的安全性與可靠性分析［J］．鐵道通信信號，2013，49(Z):104－105+110．

［2］王磊．軌道交通信號系統(tǒng)可靠性與安全性淺析［J］．科技與企業(yè)，2015(5)．

作者：陳昌圍 單位：深圳市地鐵集團有限公司運營總部