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城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的安全策略與可靠性分析論文
【摘 要】隨著我國(guó)城市軌道交通的迅猛發(fā)展，信號(hào)系統(tǒng)作為控制運(yùn)行安全的核心設(shè)備，對(duì)其安全、可靠性的分析評(píng)價(jià)顯得尤為重要，本文從列車(chē)檢測(cè)方式、機(jī)車(chē)信號(hào)選擇、設(shè)備控制方式等方案的主要方面對(duì)描述了城巾軌道交通中信號(hào)系統(tǒng)的安全策略及可靠性分析。
【關(guān)鍵詞】城市軌道 信號(hào)系統(tǒng) 安全策略 可靠性
1前言
隨著我國(guó)城市軌道交通的迅猛發(fā)展，運(yùn)量日益增長(zhǎng)，列車(chē)運(yùn)行密度不斷加大，為了保障運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的安全、高效，配置一套科學(xué)、合理的信號(hào)系統(tǒng)成為大家關(guān)注的核心。
目前，對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的取舍，注重其功能的實(shí)現(xiàn)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(jié)果是造成系統(tǒng)性能和用途不協(xié)調(diào)，投資大小和投資方向的準(zhǔn)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(cè)方式、機(jī)車(chē)信號(hào)選擇、設(shè)備控制方式等的安全和可靠，陛方面進(jìn)行分析，希望能夠?qū)π盘?hào)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供—些借鑒。
2 系統(tǒng)方案的安全策略
信號(hào)系統(tǒng)的安全性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即方案的安全性和設(shè)備的安全性。—一般人們只注重了設(shè)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(biāo)時(shí)，巾于方案選擇的不同，也會(huì)造成整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)安全性能的差異。
2．1 列車(chē)檢測(cè)方式的選擇
實(shí)時(shí)安全的列車(chē)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全運(yùn)行和其他系統(tǒng)安全工作的基礎(chǔ)，合理選擇列車(chē)檢測(cè)方式也就成為確保運(yùn)營(yíng)安全、高效的關(guān)鍵課題。列車(chē)檢測(cè)的方法有模擬軌道電路、音頻數(shù)字軌道電路、查詢(xún)應(yīng)答器、感應(yīng)電纜環(huán)線(xiàn)、計(jì)軸以及無(wú)線(xiàn)通信等。
傳統(tǒng)的模擬軌道電路用于檢測(cè)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?shù)淖銐蚨嗟男畔�，較長(zhǎng)的應(yīng)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(yùn)用。
音頻數(shù)字軌道電路采用微處理器對(duì)地面信息進(jìn)行數(shù)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(cè)列車(chē)位置，還可以作為“車(chē)—地’通信的方式，對(duì)列車(chē)進(jìn)行較精確的控制，并且由于數(shù)字軌道電路的高度靈敏度和可靠性，所以該系統(tǒng)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(tǒng)的主要方式。 查詢(xún)應(yīng)答器也屬于較實(shí)用的系統(tǒng)，在國(guó)外有較多的運(yùn)用，我國(guó)上海莘閔輕軌交通工程已設(shè)計(jì)采用此方式。該系統(tǒng)工程造價(jià)較低，維護(hù)成本低，使之具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。雖然查詢(xún)應(yīng)答器系統(tǒng)不能提供緊急制動(dòng)功能以及鋼軌的斷軌檢測(cè)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(hù)等工作，在一定程度上彌補(bǔ)了上述不足之處。當(dāng)然，在繁忙的線(xiàn)路上，這種不連續(xù)的列車(chē)檢測(cè)方式將降低整個(gè)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的安全陛和效率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮采用相應(yīng)的補(bǔ)充設(shè)備，譬如在必要地點(diǎn)設(shè)置電纜環(huán)線(xiàn)。
感應(yīng)電纜環(huán)線(xiàn)的檢測(cè)列車(chē)的方法大多被用于移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中，它可以實(shí)現(xiàn)“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(shè)中的武漢輕軌一號(hào)線(xiàn)就是采用的這種設(shè)備。但與查詢(xún)應(yīng)答器一樣，它也無(wú)法對(duì)鋼軌的完整性進(jìn)行檢測(cè)，所以其本身是存在安全性缺陷的，當(dāng)然可在采用這種系統(tǒng)時(shí)，增加軌道電路作為補(bǔ)充，可以提高運(yùn)行的安全性。另一個(gè)問(wèn)題是，感應(yīng)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(shè)也對(duì)工務(wù)維修帶來(lái)不便，這些因素都是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的。
計(jì)軸設(shè)備一般作為主設(shè)備故障情況下的備用設(shè)備使用，它的安全性缺點(diǎn)在于無(wú)“記憶性”道區(qū)段有車(chē)占用情況下，當(dāng)停電再恢復(fù)供電時(shí)，計(jì)軸信息會(huì)丟失，造成軌道區(qū)段無(wú)車(chē)的假象使用計(jì)軸設(shè)備時(shí)，一定要采用不停電措施或者其他手段以保證運(yùn)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(yùn)用。
2．2 機(jī)車(chē)信號(hào)的選擇
由于在城市軌道交通的正線(xiàn)運(yùn)營(yíng)中，已基本取消地面信號(hào)，列車(chē)憑借ATP機(jī)車(chē)信號(hào)運(yùn)行。依據(jù)ATP機(jī)車(chē)信號(hào)的“車(chē)—地”信息傳輸方式，可分為連續(xù)式還是點(diǎn)式ATP系統(tǒng)，雖然點(diǎn)式ATP系統(tǒng)和連續(xù)式ATP系統(tǒng)都屬于“故障—安全”系統(tǒng)，并且在信息量、信息傳輸速度，信息碼可靠性等技術(shù)參數(shù)均能滿(mǎn)足城市軌道交通的需求，但是兩者的區(qū)別仍對(duì)運(yùn)行的安全性和行車(chē)效率產(chǎn)生影響。
點(diǎn)式ATP系統(tǒng)意味著“車(chē)—地”之間的信息傳遞是不連續(xù)的，顯然這樣造成了后續(xù)追蹤列車(chē)無(wú)法及時(shí)得知前行列車(chē)的運(yùn)行區(qū)段，也就不能及時(shí)改變運(yùn)行速度，以保證列車(chē)運(yùn)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(duì)“車(chē)—地，’通信的設(shè)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(tǒng)對(duì)列車(chē)的高密度運(yùn)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(hù)成本的約束，點(diǎn)式ATP在低密度等項(xiàng)目中仍具備一定的優(yōu)勢(shì)。
連續(xù)式ATP系統(tǒng)克服了點(diǎn)式ATP的缺點(diǎn)，能夠及時(shí)得知前方區(qū)段占用或故障情況，以及時(shí)改變運(yùn)行速度，保證運(yùn)行的安全和高效。連續(xù)式ATP系統(tǒng)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(xù)的，但列車(chē)的速度檢測(cè)必須是連續(xù)的，只有連續(xù)的速度檢測(cè)才能保證列車(chē)運(yùn)行速度實(shí)時(shí)地控制在安全范圍內(nèi)。另一方面，在配有ATO系統(tǒng)的列車(chē)上，雖然ATO系統(tǒng)具備很高的可靠性，但其本身不是“故障—安全’設(shè)備，所以仍需要ATP系統(tǒng)的車(chē)載設(shè)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(jī)監(jiān)視和控制。
2．3 設(shè)備控制方式
設(shè)備控制方式指的是對(duì)沿錢(qián)各種信號(hào)設(shè)備控制點(diǎn)的設(shè)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(duì)設(shè)備本身的可靠性并不會(huì)產(chǎn)生變化，但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可用性帶來(lái)影響。
采用設(shè)備集中控制方式，可以減少系統(tǒng)維護(hù)工作，并且減少沿線(xiàn)工區(qū)和人員配置；而采用設(shè)備分散控制，則可以減小系統(tǒng)故障時(shí)的影響面，從而提高全線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的保障性。由此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)設(shè)備不同的重要性來(lái)選擇，例如：ATS設(shè)備的故障—般不會(huì)對(duì)全線(xiàn)運(yùn)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(shì)；而ATP中央設(shè)備的故障可能造成全線(xiàn)范圍的停運(yùn)，其的后果是嚴(yán)重的，所以對(duì)于可靠性不是很高的ATP系統(tǒng)采用采用分散控制方式是個(gè)明智之舉，即便設(shè)備故障其影響也是局部的，可以容忍的。
2．4 系統(tǒng)的通信
現(xiàn)代化的信號(hào)系統(tǒng)依賴(lài)于計(jì)算機(jī)之間大量的信息傳遞，所以系統(tǒng)通信的安全、可靠性必須得到保障。通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全問(wèn)題是一個(gè)綜合、復(fù)雜的問(wèn)題，值得注意的是除了提供商所描述的系統(tǒng)功能外，用戶(hù)必需關(guān)注系統(tǒng)的安全通信接口、升級(jí)能力、失敗/恢復(fù)技術(shù)以及我國(guó)對(duì)密碼進(jìn)口的制度等等。
3 系統(tǒng)的可靠性分析
在信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)安全性外，可靠性評(píng)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(yùn)用，設(shè)計(jì)一個(gè)完善的信號(hào)系統(tǒng)必須定量地分析出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。例如：在國(guó)鐵規(guī)范中，已明確了列車(chē)超速防護(hù)的車(chē)上設(shè)備的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)不低于104h，地面設(shè)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(tǒng)在正常駕駛模式下使用，是惟一能連續(xù)控制列車(chē)運(yùn)行，并長(zhǎng)期確保列車(chē)安全運(yùn)行的駕駛模式。降級(jí)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(lái)降低列車(chē)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)，特別是不能保護(hù)列車(chē)不闖關(guān)閉的信號(hào)機(jī)，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(jí)駕駛模式。鑒于上述因素，在國(guó)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必須高于99．99％。其中，月為系統(tǒng)可靠性概率；T為系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命；MTBF為平均無(wú)故陶司隔時(shí)間。
4小結(jié)
系統(tǒng)的安全、可靠性都應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)為對(duì)象，而不是某個(gè)具體設(shè)備。這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和設(shè)備維護(hù)三位一體，以保證系統(tǒng)使用中的性能指標(biāo)。 在許多發(fā)達(dá)國(guó)家都設(shè)有專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)安全工程師在方案設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全、可靠性作出科學(xué)的評(píng)價(jià)。我國(guó)雖然沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全工程師，但不應(yīng)輕視對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)的安全、可靠性分析，正確的分析有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)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(hù)的重點(diǎn)提供參考。
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