故障-安全原則在鐵路信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用

趙德生

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師 南京，210031）

鐵路信號(hào)是保證列車安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，而系統(tǒng)中各個(gè)信號(hào)設(shè)備的安全、可靠以及發(fā)生故障后不危及行車安全的能力顯得尤為重要，即信號(hào)設(shè)備要做到故障-安全。

狹義的故障-安全技術(shù)是指：設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)錯(cuò)誤地給出危險(xiǎn)側(cè)輸出，可以使設(shè)備或系統(tǒng)導(dǎo)向安全側(cè)的手段。故障-安全技術(shù)是鐵路信號(hào)安全技術(shù)的核心［1］。

故障-安全原則是指：利用各種安全技術(shù)，保證鐵路信號(hào)設(shè)備在發(fā)生錯(cuò)誤、障礙、失效、人為失誤的不利情況下，應(yīng)該具有減輕以至避免損失的功能，以確保行車安全［2］。本文主要從繼電電路和計(jì)算機(jī)設(shè)備兩方面闡述故障-安全原則的應(yīng)用。

1 站內(nèi)繼電電路中的故障-安全原則

在繼電電路中，比較傳統(tǒng)的故障-安全技術(shù)主要有：安全側(cè)的分配（信號(hào)機(jī)以關(guān)閉狀態(tài)為安全側(cè)、道岔以維持現(xiàn)有的密貼狀態(tài)為安全側(cè)）［1］。

常見(jiàn)的有閉環(huán)方式（如閉路軌道電路）、聯(lián)鎖方式（如進(jìn)路中道岔區(qū)段必須滿足三點(diǎn)檢查才能解鎖，防止站內(nèi)軌道電路區(qū)段出現(xiàn)瞬間分路不良或短路故障自動(dòng)恢復(fù)時(shí)錯(cuò)誤解鎖的情況發(fā)生）。下面以某車站（見(jiàn)圖1）為例，就與之相關(guān)的電路工作原理分述如下：

圖1 某車站平面簡(jiǎn)圖

1）信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路（見(jiàn)圖2）工作原理。該電路采用雙燈絲冗余技術(shù)、危險(xiǎn)側(cè)故障率最小技術(shù)，即采用室內(nèi)集中供電，控制條件在室內(nèi)，控制對(duì)象在室外，用位置法達(dá)到防護(hù)混線的要求。

圖2 進(jìn)站信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈簡(jiǎn)圖

點(diǎn)燈電路中L燈主燈絲斷絲，LDZJ線圈失去電壓，LDZJ后接點(diǎn)接通，使副燈絲回路溝通。

如果副燈絲斷絲，點(diǎn)燈變壓器二次側(cè)沒(méi)有電流，導(dǎo)致一次側(cè)的電流型DJ落下，在6502的11網(wǎng)路中需檢查DJ的前接點(diǎn)，即點(diǎn)燈電路中LXJ的勵(lì)磁電路由于DJ前接點(diǎn)斷開(kāi)而失磁落下，信號(hào)機(jī)改點(diǎn)紅燈。

2）道岔控制電路。電路中單設(shè)表示變壓器實(shí)現(xiàn)電源隔離，避免繼電器誤動(dòng)，DBJ和FBJ均采用偏極繼電器。

如圖1所示，假設(shè)已排列下行通過(guò)進(jìn)路，信號(hào)機(jī)L燈開(kāi)放后，如果9#道岔表示電路中發(fā)生斷線（見(jiàn)圖3中①②）、混線（見(jiàn)圖2.3中③④）、斷電或道岔擠岔時(shí)，DBJ均失磁落下，在6502電氣集中，11線網(wǎng)路中利用道岔表示繼電器的前接點(diǎn)來(lái)檢查進(jìn)路中各道岔位置正確與否，DBJ落下導(dǎo)致進(jìn)站信號(hào)機(jī)組合中的LXJ失磁落下，信號(hào)機(jī)改點(diǎn)紅燈。

而7線網(wǎng)路的主要功能之一是進(jìn)路選排一致性的檢查，在信號(hào)開(kāi)放前，如果道岔失表，即進(jìn)站信號(hào)機(jī)組合內(nèi)的KJ不會(huì)勵(lì)磁吸起，保證本組合內(nèi)部的XJJ和LXJ皆不會(huì)勵(lì)磁，因?yàn)镵J的前接點(diǎn)閉合是XJJ和LXJ勵(lì)磁需檢查的聯(lián)鎖條件之一，同樣LXJ的勵(lì)磁也需要檢查KJ和XJJ的前接點(diǎn)，這樣信號(hào)機(jī)就不會(huì)開(kāi)放，仍然保持定位的紅燈狀態(tài)（安全側(cè)）。

圖3 交流道岔表示電路簡(jiǎn)圖

3）站內(nèi)軌道電路。當(dāng)發(fā)生斷軌或斷線故障時(shí)，使受電端繼電器端電壓可靠降到釋放值以下，以保證行車的安全，6502電氣集中的8線網(wǎng)路，在信號(hào)開(kāi)放前和開(kāi)放后都需要通過(guò)進(jìn)站信號(hào)機(jī)組合內(nèi)的XJJ來(lái)檢查道岔位置是否正確、區(qū)段空閑與否、是否有敵對(duì)進(jìn)路建立等聯(lián)鎖條件，當(dāng)圖1中的9DG瞬間出現(xiàn)紅光帶故障，會(huì)斷開(kāi)8線網(wǎng)絡(luò)，使XJJ失磁落下，使LXJ落下改點(diǎn)紅燈或者LXJ沒(méi)有勵(lì)磁吸起，信號(hào)機(jī)保持在紅燈的定位狀態(tài)。

2 區(qū)間繼電電路中的故障-安全原則

1）在ZPW-2000移頻軌道電路的站間聯(lián)系電路（見(jiàn)圖4）中，利用了位置法、極性法、雙斷法等安全技術(shù)。

圖4 站間聯(lián)系電路簡(jiǎn)圖

其工作原理是當(dāng)運(yùn)行方向?yàn)椋亨徴鹃_(kāi)往本站，597G有車運(yùn)行時(shí)，本站的GJF落下，鄰站的GJ（鄰）↓—GJF（鄰）↓—1GJ↓，此時(shí)583G的發(fā)送器迎著列車的運(yùn)行方向向鋼軌發(fā)送HU碼。

如果設(shè)計(jì)此電路時(shí)沒(méi)有采用故障-安全的原則，電源和繼電器都設(shè)在鄰站或者沒(méi)有采用雙斷法，當(dāng)室外電纜發(fā)生混線短路或混入電源時(shí)，都將會(huì)產(chǎn)生583G信號(hào)升級(jí)的危險(xiǎn)。

2）在區(qū)間閉塞電路中，采用故障弱化技術(shù)，保證區(qū)間信號(hào)機(jī)出現(xiàn)燈絲雙斷后，不危及行車的安全。紅燈轉(zhuǎn)移電路見(jiàn)圖5。

圖5 紅燈轉(zhuǎn)移電路簡(jiǎn)圖

圖5 中，假設(shè)列車由右向左運(yùn)行到687G時(shí)，687G防護(hù)信號(hào)機(jī)的紅燈燈絲雙斷，則GJ和DJF都會(huì)失磁落下，前接點(diǎn)斷開(kāi)，從而斷開(kāi)673G的移頻發(fā)送通道，則673G的QGJ↓—GJ↓—GJF↓，使673G的防護(hù)信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈。

3）在繼電電路中，其他的安全技術(shù)還包括：防錯(cuò)辦技術(shù)（如總?cè)私獍粹o、事故按鈕、接發(fā)車輔助按鈕、引導(dǎo)按鈕、引導(dǎo)總鎖閉按鈕等涉及安全的按鈕需要加封或計(jì)數(shù)）、冗余技術(shù)中的道岔雙跳線、冗余技術(shù)中移頻的“N+1”和“1+1”發(fā)送、安全余裕技術(shù)（元器件的降額使用、延時(shí)解鎖等）、故障恢復(fù)技術(shù)（帶電插拔、采用插接器、插拔式繼電器等）［1］。

3 計(jì)算機(jī)設(shè)備中的故障-安全原則

鐵路信號(hào)系統(tǒng)中采用計(jì)算機(jī)設(shè)備時(shí)，常用冗余技術(shù)、多重化技術(shù)、故障檢測(cè)和診斷技術(shù)、過(guò)程控制技術(shù)等。

選用可靠性和安全性較高的計(jì)算機(jī)設(shè)備，如IPC。采用高可靠性硬件設(shè)備及硬件冗余；如雙CPU設(shè)置，CPU經(jīng)同步比較后給出輸出等；采用高可靠性的軟件及軟件冗余。如校驗(yàn)算法、驅(qū)動(dòng)／采集的閉環(huán)比較、看門狗等，以防止傳輸錯(cuò)誤、程序跑飛、通信超時(shí)；對(duì)軟件、硬件進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身故障；研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)全過(guò)程的嚴(yán)格把控。下面以DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備為例來(lái)說(shuō)明故障-安全原則的應(yīng)用。

1）DS6-60型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備基于雙套專用安全硬件和相異性軟件構(gòu)成二乘二取二冗余結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雙系冗余管理、輸入和輸出管理及系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)診斷［3］。其聯(lián)鎖邏輯部硬件和軟件框圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 聯(lián)鎖邏輯部硬件框圖

圖7聯(lián)鎖邏輯部軟件框圖

聯(lián)鎖邏輯部為二乘二取二結(jié)構(gòu)，分為Ⅰ系和Ⅱ系，各系內(nèi)部為二取二結(jié)構(gòu)，任何一系都可以獨(dú)立工作，雙系采用主從方式運(yùn)行，任一系檢測(cè)到故障都會(huì)主動(dòng)切換。

聯(lián)鎖雙系中每系均包括兩個(gè)獨(dú)立的CPU單元，2個(gè)CPU單元實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)二取二比較，只有兩個(gè)CPU的運(yùn)算結(jié)果一致才能對(duì)外輸出。

2）聯(lián)鎖雙系中每系兩個(gè)CPU單元的軟件分別采用不同編譯器編譯，可以有效防止編譯器產(chǎn)生的共模錯(cuò)誤。

（3）該聯(lián)鎖設(shè)備輸入采集單元采用動(dòng)態(tài)脈沖采集方式，由輸入采集機(jī)籠內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立CPU單元分別進(jìn)行采集，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行比較，比較一致認(rèn)為采集數(shù)據(jù)有效，否則采集數(shù)據(jù)無(wú)效，構(gòu)成二取二故障-安全采集。

輸出單元采用雙斷控制，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩路驅(qū)動(dòng)串聯(lián)輸出，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出分別由輸出機(jī)籠內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立的CPU單元控制，當(dāng)一路輸出無(wú)效時(shí)，總輸出則為無(wú)效，構(gòu)成硬件相異的二取二故障-安全輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

安全性只是一種概率參數(shù)，鐵路信號(hào)設(shè)備的故障是不可避免的。

（1）設(shè)計(jì)中難以考慮的某些特殊情況下產(chǎn)生的故障：N型（重力式）繼電器失電時(shí)，前接點(diǎn)未能斷開(kāi)；在符合軌道電路設(shè)備工作的給定條件時(shí)，軌道區(qū)段有車占用但未能分路；鋼軌線路機(jī)械斷裂，但存在能構(gòu)成軌道電路正常工作的電氣連接；電器設(shè)備或元件的兩端混入了能使其錯(cuò)誤動(dòng)作的不同極性的電源。

（2）軌道電路占用丟失故障率較高，隱患大，其主要原因主要有：

1）軌面異常（由于撒砂、雨后軌面生銹、軌面異物、輪對(duì)生銹、輪對(duì)有異物附著等等）造成的占用丟失。

2）外部環(huán)境干擾（第三軌聯(lián)通發(fā)送接收通道、室內(nèi)相關(guān)電路聯(lián)通發(fā)送接收、干擾直接侵入接收）

對(duì)于軌面異常所造成的故障，可以采用站內(nèi)高壓脈沖軌道電路，區(qū)間增加邏輯占用檢查；而對(duì)于外部環(huán)境干擾的故障，需加強(qiáng)技術(shù)、接口設(shè)備的管理。