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城市軌道交通信號系統的安全策略與可靠性分析論文
【摘 要】隨著(zhù)我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，信號系統作為控制運行安全的核心設備，對其安全、可靠性的分析評價(jià)顯得尤為重要，本文從列車(chē)檢測方式、機車(chē)信號選擇、設備控制方式等方案的主要方面對描述了城巾軌道交通中信號系統的安全策略及可靠性分析。
【關(guān)鍵詞】城市軌道 信號系統 安全策略 可靠性
1前言
隨著(zhù)我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，運量日益增長(cháng)，列車(chē)運行密度不斷加大，為了保障運營(yíng)系統的安全、高效，配置一套科學(xué)、合理的信號系統成為大家關(guān)注的核心。
目前，對于信號系統設計方案的取舍，注重其功能的實(shí)現和價(jià)格的高低，而很少甚至沒(méi)有從安全和可靠性方面進(jìn)行分析比較，其結果是造成系統性能和用途不協(xié)調，投資大小和投資方向的準確性下降，通俗地說(shuō)不是“大馬拉小車(chē)”就是“小馬拉大車(chē)”。本文將從列車(chē)檢測方式、機車(chē)信號選擇、設備控制方式等的安全和可靠，陛方面進(jìn)行分析，希望能夠對信號系統的方案設計提供—些借鑒。
2 系統方案的安全策略
信號系統的安全性體現在兩個(gè)方面，即方案的安全性和設備的安全性�！话闳藗冎蛔⒅亓嗽O備的安全性，而忽視了方案的安全性比較，也就是說(shuō)在不同沒(méi)備提供同樣的安全性指標時(shí)，巾于方案選擇的不同，也會(huì )造成整個(gè)信號系統安全性能的差異。
2．1 列車(chē)檢測方式的選擇
實(shí)時(shí)安全的列車(chē)檢測是實(shí)現列車(chē)安全運行和其他系統安全工作的基礎，合理選擇列車(chē)檢測方式也就成為確保運營(yíng)安全、高效的關(guān)鍵課題。列車(chē)檢測的方法有模擬軌道電路、音頻數字軌道電路、查詢(xún)應答器、感應電纜環(huán)線(xiàn)、計軸以及無(wú)線(xiàn)通信等。
傳統的模擬軌道電路用于檢測列車(chē)位置，雖然具有較高的安全性，但是由于不能提供“車(chē)—地’傳輸的足夠多的信息，較長(cháng)的應變時(shí)間也無(wú)法把行車(chē)間隔時(shí)間進(jìn)一步縮短，而且存在鋼軌絕緣接頭，增加了維修工作量，并影響乘坐的舒適性，所以已幾乎不在城市軌道交通的正線(xiàn)中運用。
音頻數字軌道電路采用微處理器對地面信息進(jìn)行數字編碼，再傳遞到鋼軌上，由于其編碼可包含的信息量大，不僅可以檢測列車(chē)位置，還可以作為“車(chē)—地’通信的方式，對列車(chē)進(jìn)行較精確的控制，并且由于數字軌道電路的高度靈敏度和可靠性，所以該系統的安全性能是很高的。另外取消了鋼軌絕緣接頭，已使之成為城軌交通工程中采用的ATP系統的主要方式。 查詢(xún)應答器也屬于較實(shí)用的系統，在國外有較多的運用，我國上海莘閔輕軌交通工程已設計采用此方式。該系統工程造價(jià)較低，維護成本低，使之具備較強的競爭力。雖然查詢(xún)應答器系統不能提供緊急制動(dòng)功能以及鋼軌的斷軌檢測功能，但是城市軌道交通屬于封閉線(xiàn)路，一般能夠進(jìn)行良好的行車(chē)組織、車(chē)站管理和線(xiàn)路維護等工作，在一定程度上彌補了上述不足之處。當然，在繁忙的線(xiàn)路上，這種不連續的列車(chē)檢測方式將降低整個(gè)運營(yíng)系統的安全陛和效率，在系統設計時(shí)應充分考慮采用相應的補充設備，譬如在必要地點(diǎn)設置電纜環(huán)線(xiàn)。
感應電纜環(huán)線(xiàn)的檢測列車(chē)的方法大多被用于移動(dòng)閉塞系統中，它可以實(shí)現“車(chē)—地”的雙向通信，并可以非常精確地定位列車(chē)的位置。目前，正在建設中的武漢輕軌一號線(xiàn)就是采用的這種設備。但與查詢(xún)應答器一樣，它也無(wú)法對鋼軌的完整性進(jìn)行檢測，所以其本身是存在安全性缺陷的，當然可在采用這種系統時(shí)，增加軌道電路作為補充，可以提高運行的安全性。另一個(gè)問(wèn)題是，感應電纜環(huán)線(xiàn)存在串碼干擾問(wèn)題，特別是在某段環(huán)線(xiàn)被損壞時(shí)，而環(huán)線(xiàn)的鋪設也對工務(wù)維修帶來(lái)不便，這些因素都是設計時(shí)應考慮的。
計軸設備一般作為主設備故障情況下的備用設備使用，它的安全性缺點(diǎn)在于無(wú)“記憶性”道區段有車(chē)占用情況下，當停電再恢復供電時(shí)，計軸信息會(huì )丟失，造成軌道區段無(wú)車(chē)的假象使用計軸設備時(shí)，一定要采用不停電措施或者其他手段以保證運行安全。
無(wú)線(xiàn)通信則由于技術(shù)和管理上的因素，目前尚難以在城市軌道交通工程中運用。
2．2 機車(chē)信號的選擇
由于在城市軌道交通的正線(xiàn)運營(yíng)中，已基本取消地面信號，列車(chē)憑借ATP機車(chē)信號運行。依據ATP機車(chē)信號的“車(chē)—地”信息傳輸方式，可分為連續式還是點(diǎn)式ATP系統，雖然點(diǎn)式ATP系統和連續式ATP系統都屬于“故障—安全”系統，并且在信息量、信息傳輸速度，信息碼可靠性等技術(shù)參數均能滿(mǎn)足城市軌道交通的需求，但是兩者的區別仍對運行的安全性和行車(chē)效率產(chǎn)生影響。
點(diǎn)式ATP系統意味著(zhù)“車(chē)—地”之間的信息傳遞是不連續的，顯然這樣造成了后續追蹤列車(chē)無(wú)法及時(shí)得知前行列車(chē)的運行區段，也就不能及時(shí)改變運行速度，以保證列車(chē)運行的安全性并提高線(xiàn)路的通過(guò)能力。另一方面，由于“車(chē)—地”之間的信息傳遞是間斷的，反過(guò)來(lái)，將對“車(chē)—地，’通信的設備的可靠性要求更高，以免遺漏某個(gè)點(diǎn)的信息。點(diǎn)式ATP系統對列車(chē)的高密度運行、加速效率以及緊急停車(chē)等都是不利。但考慮到工程投資和維護成本的約束，點(diǎn)式ATP在低密度等項目中仍具備一定的優(yōu)勢。
連續式ATP系統克服了點(diǎn)式ATP的缺點(diǎn)，能夠及時(shí)得知前方區段占用或故障情況，以及時(shí)改變運行速度，保證運行的安全和高效。連續式ATP系統即能適用于固定閉塞，也能適用于移動(dòng)閉塞。
需要指出的是，為了確保行車(chē)安全，“車(chē)—地”的信息傳輸可以是間斷的或連續的，但列車(chē)的速度檢測必須是連續的，只有連續的速度檢測才能保證列車(chē)運行速度實(shí)時(shí)地控制在安全范圍內。另一方面，在配有ATO系統的列車(chē)上，雖然ATO系統具備很高的可靠性，但其本身不是“故障—安全’設備，所以仍需要ATP系統的車(chē)載設備能夠提供列車(chē)行進(jìn)速度和安全速度的指示信息，以便司機監視和控制。
2．3 設備控制方式
設備控制方式指的是對沿錢(qián)各種信號設備控制點(diǎn)的設置方式，一般分為集中控制和分散控制兩種。雖然控制方式的不同選擇對設備本身的可靠性并不會(huì )產(chǎn)生變化，但對于整個(gè)系統運行的可用性帶來(lái)影響。
采用設備集中控制方式，可以減少系統維護工作，并且減少沿線(xiàn)工區和人員配置；而采用設備分散控制，則可以減小系統故障時(shí)的影響面，從而提高全線(xiàn)運營(yíng)的保障性。由此在系統設計時(shí)，可依據設備不同的重要性來(lái)選擇，例如：ATS設備的故障—般不會(huì )對全線(xiàn)運行安全產(chǎn)生巨大影響，采用集中控制方式有利于發(fā)揮其優(yōu)勢；而ATP中央設備的故障可能造成全線(xiàn)范圍的停運，其的后果是嚴重的，所以對于可靠性不是很高的ATP系統采用采用分散控制方式是個(gè)明智之舉，即便設備故障其影響也是局部的，可以容忍的。
2．4 系統的通信
現代化的信號系統依賴(lài)于計算機之間大量的信息傳遞，所以系統通信的安全、可靠性必須得到保障。通信網(wǎng)絡(luò )運行的安全問(wèn)題是一個(gè)綜合、復雜的問(wèn)題，值得注意的是除了提供商所描述的系統功能外，用戶(hù)必需關(guān)注系統的安全通信接口、升級能力、失敗/恢復技術(shù)以及我國對密碼進(jìn)口的制度等等。
3 系統的可靠性分析
在信號系統的設計時(shí)，除了系統安全性外，可靠性評估也是非常重要的，高度的可靠性也是高安全性的一個(gè)重要保障。為了能夠放心地在實(shí)際中運用，設計一個(gè)完善的信號系統必須定量地分析出系統的可靠性指標。例如：在國鐵規范中，已明確了列車(chē)超速防護的車(chē)上設備的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)不低于104h，地面設備的平均無(wú)故障時(shí)間不低于105h。
在城市軌道交通中由于A(yíng)TP系統在正常駕駛模式下使用，是惟一能連續控制列車(chē)運行，并長(cháng)期確保列車(chē)安全運行的駕駛模式。降級駕駛模式是ATP系統出現故障情況下，在限速條件以人工駕駛來(lái)降低列車(chē)運行風(fēng)險所采用的一種駕駛模式。不過(guò)，詼漠式并不能避免所有風(fēng)險，特別是不能保護列車(chē)不闖關(guān)閉的信號機，所以要求正常駕駛模式必須非常穩定可靠，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系統正常駕駛模式的可靠必須高于99．99％。其中，月為系統可靠性概率；T為系統設計壽命；MTBF為平均無(wú)故陶司隔時(shí)間。
4小結
系統的安全、可靠性都應以整個(gè)系統為對象，而不是某個(gè)具體設備。這就要求系統設計、設備制造和設備維護三位一體，以保證系統使用中的性能指標。 在許多發(fā)達國家都設有專(zhuān)門(mén)的系統安全工程師在方案設計時(shí)對整個(gè)系統的安全、可靠性作出科學(xué)的評價(jià)。我國雖然沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的系統設計安全工程師，但不應輕視對于信號系統的安全、可靠性分析，正確的分析有助于系統設計、設備選型以及科學(xué)投資，并為維修工作量的確定和日常維護的重點(diǎn)提供參考。
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