中低速磁浮軌道交通的運營風(fēng)險和典型故障分析

武震嘯，席卿浩，李 艷，馬衛(wèi)華

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610083)

0 引言

中低速磁浮是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，也是當(dāng)前城市軌道交通中最先進的技術(shù)，它具有環(huán)保、安全性高、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、建設(shè)成本低等優(yōu)點，適用于城市市區(qū)、近距離城市間和旅游景區(qū)的交通連接，可以替代輕軌和地鐵[1]。

中低速磁浮交通同地鐵等城市軌道交通工具一樣，面臨著火災(zāi)、水災(zāi)、列車沖突、設(shè)備故障、損毀以及動力丟失等一系列運營風(fēng)險的威脅。為了確保運營的安全、進一步完善突發(fā)事件應(yīng)急救援體系，國務(wù)院發(fā)布了軌道交通應(yīng)急預(yù)案的指導(dǎo)性文件，運營風(fēng)險等級的劃分以及相關(guān)應(yīng)急預(yù)案的制定應(yīng)當(dāng)結(jié)合文件和實際情況進行[2]；磁浮列車依靠直線電機提供牽引力，其牽引系統(tǒng)一般分為高壓柜和低壓柜，高壓柜內(nèi)裝有高速斷路器、接觸器、濾波電感及充放電回路、中間繼電器等部件，主要部件如斷路器故障會導(dǎo)致列車喪失動力[3]；由于采用電磁懸浮系統(tǒng)，車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比，不是自穩(wěn)系統(tǒng)，必須精確地控制電磁鐵的懸浮力，使車體與導(dǎo)軌之間保持大約8 mm的間隙，懸浮系統(tǒng)故障會導(dǎo)致列車無法運行[4][5]；陳傳峰、田健等對地鐵大客流形成的原因以及應(yīng)對措施進行了研究，對大客流的類型進行了分類[6][7]；盧文龍對軌道交通火災(zāi)事故進行了研究，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)事故是歷年來軌道交通發(fā)生最多的事故之一，往往影響惡劣、后果嚴重，通常會造成較大的人員傷亡，需要針對火災(zāi)制定專門的應(yīng)急預(yù)案[8]。

本文以西南交通大學(xué)羅世輝教授團隊正在研發(fā)的第二代中低速磁浮列車為例，對中低速磁浮列車運營的風(fēng)險等級劃分，進行風(fēng)險識別與分類，并對車輛、車站、軌道等設(shè)備的典型故障進行了分析，為進一步制定合理的中低速磁浮交通緊急疏散和應(yīng)急救援方案提供了依據(jù)。

1 運營安全風(fēng)險

1.1 風(fēng)險等級劃分

根據(jù)磁浮交通運營突發(fā)事件可能造成的危害程度、波及范圍、影響范圍、人員傷亡及財產(chǎn)損失等情況，參照國務(wù)院辦公廳關(guān)于城市軌道交通突發(fā)狀況處理的相關(guān)文件，將突發(fā)事件按應(yīng)急程度由高到低劃分為四個等級，即特別重大運營突發(fā)事件(Ⅰ級)、重大運營突發(fā)事件(Ⅱ級)、較大運營突發(fā)事件(Ⅲ級)和一般運營突發(fā)事件(Ⅳ級)。

1.2 風(fēng)險識別與分類

風(fēng)險識別范圍大部分包括但不僅限于《危險化學(xué)品重大危險源辨識》(GB18218-2009)，對于中低速磁浮交通而言，凡是可能在車站、區(qū)間、機房以及車輛段等范圍內(nèi)造成乘客受傷死亡、車輛和設(shè)備損壞損毀、列車中斷運營以及其他危害運營安全的突發(fā)事件的因素，均在風(fēng)險識別范圍內(nèi)，常見風(fēng)險可分為人員因素、設(shè)備設(shè)施因素以及環(huán)境因素三個方面。

1.2.1 人員因素

工作人員是影響中低速磁浮交通安全運營的首要因素，尤其是行車指揮人員和列車運行關(guān)鍵崗位的人員，任何違規(guī)操作都有可能造成嚴重事故。

乘客對中低速磁浮交通的安全性也有重要影響。因為公共交通的開放性，各類社會人員只要通過安檢即可進入中低速磁浮交通系統(tǒng)，且客流量大，安檢并不能阻止所有危險物品進入，使得不法分子有機會在中低速磁浮系統(tǒng)內(nèi)制造事端。此外，乘客間發(fā)生的治安案件也有可能造成嚴重的后果。

1.2.2 設(shè)備設(shè)施因素

車輛系統(tǒng)的主要風(fēng)險有動力丟失、懸浮功能失效、車載電氣設(shè)備故障、制動系統(tǒng)故障、車門系統(tǒng)故障以及車輛沖突等；線路系統(tǒng)的主要風(fēng)險有道岔失聯(lián)、線路脹軌、線路下沉、線路斷裂、異物侵限等；供電系統(tǒng)的主要風(fēng)險有牽引供電系統(tǒng)故障、懸浮供電系統(tǒng)故障、大面積停電等；機電系統(tǒng)的主要風(fēng)險有車站扶梯故障、通風(fēng)系統(tǒng)故障、照明系統(tǒng)故障等。

1.2.3 環(huán)境因素

自然環(huán)境的運營風(fēng)險主要有洪水倒灌、地震、高溫以及雷擊等；公共衛(wèi)生環(huán)境的運營風(fēng)險主要有傳染病、乘客突發(fā)疾病等。

2 典型故障

2.1 車輛的典型故障

2.1.1 動力系統(tǒng)故障

中低速磁浮列車采用直線電機，在車上安裝三相電樞繞組，軌道上安裝感應(yīng)軌，即把電動機的“定子”布置在列車上，把電動機的“轉(zhuǎn)子”鋪設(shè)在軌道上。通過“定子”與“轉(zhuǎn)子”間的相互作用，將電能轉(zhuǎn)化為前進的動能。其牽引系統(tǒng)一般分為高壓柜和低壓柜，高壓柜內(nèi)裝有高速斷路器、接觸器、濾波電感及充放電回路、中間繼電器等部件，逆變柜包括逆變模塊、過壓斬波電路、濾波電容、測量傳感器、傳動控制單元等部件。

中低速磁浮列車的動力丟失故障一般由直線電機故障或牽引系統(tǒng)故障引起，如斷路器故障、逆變模塊故障等。發(fā)生動力丟失故障后，列車一般能夠保持懸浮，但是失去前進的動力，此時可以利用救援車輛進行救援。

2.1.2 懸浮系統(tǒng)故障

中低速磁浮列車采用電磁浮系統(tǒng)(EMS)，它是一種吸力懸浮系統(tǒng)，依靠懸浮架的電磁鐵通電后與軌道F型軌的磁極間產(chǎn)生的電磁吸引力實現(xiàn)懸浮，車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。懸浮系統(tǒng)主要包括懸浮電磁鐵、傳感器和懸浮控制系統(tǒng)，懸浮控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器測得到間隙與加速度信號，通過控制懸浮電磁鐵電流的大小實現(xiàn)對懸浮氣隙的調(diào)節(jié)和控制。為了保證這種懸浮的可靠性和列車運行的平穩(wěn)，使直線電機有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場保持穩(wěn)定的強度和懸浮力，使車體與導(dǎo)軌之間保持大約8 mm的間隙。

懸浮功能的典型故障有懸浮控制器故障、間隙傳感器故障和懸浮電磁鐵故障。根據(jù)故障的嚴重程度不同，列車可能完全失去懸浮能力，也可能保持懸浮但需要降低功率前進。若列車完全失去懸浮能力，則需要將應(yīng)急輪放下從而頂起車體，并利用救援車輛進行牽引。當(dāng)應(yīng)急輪裝置運行時，車輛也同時失去了電導(dǎo)向力，此時列車由各模塊上的側(cè)向?qū)蚧翆?dǎo)向。

2.2 線路的典型故障

2.2.1 線路脹軌

線路脹軌是因線路在溫升較大時，F(xiàn)軌內(nèi)部積存巨大的溫度壓力，而可能導(dǎo)致軌縫瞎縫、軌排小碎彎，嚴重時導(dǎo)致F軌線路幾何尺寸狀態(tài)嚴重不良、脹軌跑道，列車無法運行，磁浮線路運營中斷。

2.2.2 線路斷裂、下沉

線路結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載和其他作用的影響下處于某種平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件由于平衡形式的不穩(wěn)定性，從初始平衡位置轉(zhuǎn)變到另一平衡位置，稱為失穩(wěn)。運營線路結(jié)構(gòu)失穩(wěn)會導(dǎo)致線路下沉、斷裂，從而造成磁浮系統(tǒng)運營中斷。

2.2.3 道岔失聯(lián)

道岔在正常狀態(tài)或轉(zhuǎn)換后失去表示時，信號樓控制臺顯示道岔編號和岔尖紅閃。故障發(fā)生后行調(diào)應(yīng)對故障道岔進行轉(zhuǎn)換試驗，向不同位置轉(zhuǎn)換2次仍不能恢復(fù)正常時，行調(diào)通過ATS(列車自動監(jiān)控)工作站查看報警信息，如報警有“連接中斷”等信息，則按道岔失聯(lián)故障處理。

2.2.4 軌行區(qū)異物侵限

因受天氣、人為等因素的影響，磁浮線路易發(fā)生異物侵入磁浮行車限界事件，對運營造成較大的影響。司機在駕駛列車行駛過程中發(fā)現(xiàn)軌行區(qū)出現(xiàn)可能影響行車的異物，或者巡道人員發(fā)現(xiàn)軌行區(qū)出現(xiàn)異物，應(yīng)根據(jù)相關(guān)應(yīng)急處理程序?qū)α熊?、線路設(shè)備和其它軌行區(qū)設(shè)備進行檢查確認，并將檢查情況及時報告控制中心?？刂浦行母鶕?jù)相關(guān)應(yīng)急處理程序，采取相應(yīng)措施，并在第一時間通知相關(guān)專業(yè)人員現(xiàn)場查看檢查確認。

2.3 站內(nèi)設(shè)施的典型故障

2.3.1 電扶梯故障

電扶梯設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將直接危及乘客安全，必須立即處理。車站工作人員必須時刻警惕電扶梯是否故障。在乘客遇到電扶梯故障時，工作人員應(yīng)及時采取措施，組織救援，妥善應(yīng)對緊急情況，使受傷乘客得到解救，避免因恐慌、非理性操作而導(dǎo)致傷亡，最大限度地保障乘客的人身安全以及設(shè)備安全。機電班組人員接到通知，應(yīng)及時到場解救乘客，排除故障。

2.3.2 站臺門故障

站臺門指沿站臺邊緣布置，將車站站臺與軌行區(qū)隔離開，可以消除乘客誤落入軌道的危險因素，可以降低能耗的機電一體化設(shè)備。站臺門系統(tǒng)主要由玻璃門體、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成?；瑒娱T是乘客上下列車的主要通道，由車站電腦系統(tǒng)控制，與磁浮列車車門同步開門或關(guān)門。

2.3.3 突發(fā)大客流

中低速磁浮交通一個或多個車站在一定時間內(nèi)出現(xiàn)較多客流并有持續(xù)發(fā)展的趨勢，造成車站能力或列車運能明顯不足時，統(tǒng)稱為大客流。同時根據(jù)客流的可預(yù)見性可分為可預(yù)測性大客流和突發(fā)性大客流，其中可預(yù)測性客流根據(jù)其產(chǎn)生原因及特點又可分為節(jié)假日大客流、大型活動大客流及惡劣天氣大客流。

2.3.4 車站火災(zāi)

火災(zāi)事故是歷年來軌道交通發(fā)生最多的事故之一，發(fā)生后往往影響惡劣、后果嚴重，通常會造成較大的人員傷亡，是危害最大的一類城市軌道交通事故。

2.4 信號系統(tǒng)的典型故障

2.4.1 正線聯(lián)鎖機故障

正線聯(lián)鎖機故障時，中央ATS工作站顯示單個或多個聯(lián)鎖區(qū)灰顯，車站ATS工作站顯示本聯(lián)鎖區(qū)灰顯，ATS專業(yè)值班人員確認響應(yīng)聯(lián)鎖區(qū)站連鎖機癱瘓。

2.4.2 中央ATS癱瘓

故障發(fā)生時，中央ATS工作站和大屏幕顯示所有聯(lián)鎖區(qū)灰顯，各聯(lián)鎖區(qū)車站ATS工作站顯示正常，設(shè)備圖標(biāo)狀態(tài)顯示應(yīng)用服務(wù)器紅閃。

2.4.3 中央DCS節(jié)點設(shè)備中斷故障

故障發(fā)生時，中央ATS工作站和大屏幕顯示所有聯(lián)鎖區(qū)灰顯，DCS(分布式控制系統(tǒng))網(wǎng)管服務(wù)器顯示相應(yīng)報警。

2.4.4 通信系統(tǒng)故障

中低速磁浮交通的通信系統(tǒng)設(shè)備包括時鐘系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、無線系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、公務(wù)電話系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及乘客信息系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

3 結(jié)語

本文對中低速磁浮交通的運營風(fēng)險等級劃分、危險源識別和典型故障進行了分析，結(jié)果表明：

(1)影響中低速磁浮安全性的常見因素可分為人員因素、設(shè)備設(shè)施因素和環(huán)境因素三個部分，其中人員因素是首要因素。

(2)中低速磁浮交通的典型故障可分為車輛的典型故障、線路的典型故障、站內(nèi)設(shè)施的典型故障以及信號系統(tǒng)的典型故障四個部分。其中，車輛部分的動力系統(tǒng)故障和懸浮系統(tǒng)故障是磁浮列車特有的故障。

(3)由于采用高架運行和磁浮懸浮導(dǎo)向，常規(guī)城市軌道交通的應(yīng)急方案并不適用于中低速磁浮，應(yīng)當(dāng)針對中低速磁浮系統(tǒng)的特點，制定適合的緊急疏散、應(yīng)急救援方案。

[1]吳紅梅.中國自主研制中低速磁懸浮問世時速可達140公里[N].新華日報，2014-08-21.

[2]國務(wù)院辦公廳.國家城市軌道交通運營突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案[EBOL].2015-04-30.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/14/content_9751.htm.

[3]He H，Xu Y.Vehicle-Mounted Electric Traction System of Mid-to-low Speed Maglev Train[J].Electric Drive for Locomotives，2012(6)：35-42.

[4]Scott D，John Free.Maglev： How they’re Getting Trains off the Ground[J].Popular Science，1973(12)：135.

[5]Goodall R.The theory of electromagnetic levitation[J].Physics in Technology，1985，16(5)：207-213.

[6]陳傳峰.淺談地鐵車站大客流應(yīng)對措施探討[J].科技資訊，2015(20)：1390-1391.

[7]田 健，蒲 琪，陳小麗.基于層次分析法模糊綜合評價大客流安全狀態(tài)[J].城市軌道交通研究，2014(1)：47-50.

[8]盧文龍.城市軌道交通應(yīng)急疏散的研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2012.