南京地鐵地面信號(hào)設(shè)備故障分析*

戴榮武

(南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司通號(hào)分公司，210012，南京//工程師)

1 南京地鐵1號(hào)線及南延線地面信號(hào)設(shè)備故障介紹

南京地鐵1號(hào)線及南延線使用的是西門子提供的ATC(列車自動(dòng)控制)信號(hào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制中心及車站ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)設(shè)備、軌旁及車載LZB700 ATP(列車自動(dòng)保護(hù))設(shè)備、SICAS(西門子計(jì)算機(jī)輔助信號(hào))和FTG S軌道電路設(shè)備組成。

當(dāng)SICAS準(zhǔn)備好進(jìn)路后，ATP產(chǎn)生的報(bào)文通過軌道電路傳送至車載ATP設(shè)備上，行駛列車根據(jù)接收的ATP自動(dòng)駕駛。設(shè)置在地面上的色燈信號(hào)機(jī)為列車司機(jī)輔助信號(hào)設(shè)備，便于司機(jī)確認(rèn)前方進(jìn)路信息。

當(dāng)在線運(yùn)營(yíng)列車遇到軌旁或車載LZB700 ATP設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)行列車應(yīng)立刻切除車載ATP功能。此時(shí)根據(jù)《行車組織規(guī)則》規(guī)定，列車司機(jī)根據(jù)地面信號(hào)機(jī)的燈位顯示意義，來判斷此時(shí)列車運(yùn)行前方進(jìn)路安全與否，同時(shí)以地面信號(hào)的顯示意義為準(zhǔn)，列車司機(jī)根據(jù)地面信號(hào)機(jī)顯示手動(dòng)駕駛列車。

1.1 色燈信號(hào)機(jī)的工作原理

信號(hào)機(jī)設(shè)備主要是由室內(nèi)控制板件(西門子信號(hào)控制系統(tǒng))和室外顯示設(shè)備(國(guó)產(chǎn)信號(hào)機(jī))組成。操作人員在LOW(現(xiàn)場(chǎng)操作員工作站)上操作排列進(jìn)路命令或打開相應(yīng)的信號(hào)機(jī)自排(或追蹤)功能，并經(jīng)聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)判斷該信號(hào)機(jī)是否可以開放信號(hào)，將開放信號(hào)命令通過光纖發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)接口柜內(nèi)相應(yīng)信號(hào)機(jī)對(duì)應(yīng)的S板；S板通過模擬信號(hào)將開放信號(hào)命令傳給信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(D模塊)，再將燈位轉(zhuǎn)換命令通過分線架傳至信號(hào)機(jī)內(nèi)的點(diǎn)燈單元以驅(qū)動(dòng)燈位轉(zhuǎn)換，并點(diǎn)亮信號(hào)機(jī)燈泡。每架信號(hào)機(jī)分別有紅、黃、綠3個(gè)顏色的燈位。信號(hào)機(jī)顯示的意義如下：紅燈表示禁止；綠燈表示進(jìn)路空閑且進(jìn)路中道岔開通直股；黃燈表示進(jìn)路空閑且進(jìn)路中道岔開通側(cè)向位置；黃燈+紅燈表示引導(dǎo)信號(hào)。信號(hào)機(jī)每個(gè)燈位獨(dú)立使用D模塊，如圖1所示。

由圖1可知，每架信號(hào)機(jī)各個(gè)燈位的點(diǎn)燈電源220 V直接從電源屏引入到D模塊一次側(cè)，當(dāng)列車進(jìn)路信號(hào)不開放時(shí)，紅燈D模塊工作，信號(hào)機(jī)點(diǎn)亮紅燈；當(dāng)進(jìn)路排列完成后，S板控制紅燈D模塊切斷紅燈電源，紅燈滅燈；當(dāng)綠燈D模塊工作時(shí)，輸出220 V電源，保證綠燈點(diǎn)亮。

圖1 色燈信號(hào)機(jī)各燈位點(diǎn)燈原理框圖

1.2 色燈信號(hào)機(jī)典型故障分類

在信號(hào)機(jī)室內(nèi)控制板件正常的情況下，可能出現(xiàn)的信號(hào)機(jī)故障一般包括信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位滅燈故障和信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位信號(hào)燈常亮故障兩大類。

1.2.1 信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位滅燈故障

信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位滅燈故障主要是由于信號(hào)機(jī)燈位的點(diǎn)燈保險(xiǎn)絲斷絲造成的。

1.2.2 信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位信號(hào)燈常亮故障

信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位信號(hào)燈常亮故障主要是由于該燈位的D模塊故障造成的。由于每架信號(hào)機(jī)各個(gè)燈位的點(diǎn)燈電源220 V直接從電源屏引入至D模塊一次側(cè)，由D模塊負(fù)責(zé)通斷各個(gè)燈位的點(diǎn)燈電源。當(dāng)D模塊內(nèi)部開關(guān)電路(繼電器)出現(xiàn)接點(diǎn)粘連故障后，無法正常切斷點(diǎn)燈電源，從而導(dǎo)致某個(gè)燈位的信號(hào)燈常亮(即不滅)，使室外信號(hào)機(jī)出現(xiàn)紅燈和綠燈同時(shí)點(diǎn)亮的現(xiàn)象。以信號(hào)機(jī)的綠燈為例，由于西門子點(diǎn)燈電路中，在紅燈能正常點(diǎn)亮的情況下，不能實(shí)時(shí)檢查和監(jiān)督非工作狀態(tài)下的D模塊性能，更不能識(shí)別室外綠燈非正常點(diǎn)亮狀體，所以此時(shí)在未開放信號(hào)機(jī)的前提下，出現(xiàn)點(diǎn)亮紅燈的情況，系統(tǒng)并不能對(duì)該故障做出報(bào)警，即在LOW、MMI(人機(jī)界面)上無法立刻知曉該故障發(fā)生。此類故障發(fā)生后，均由列車司機(jī)觀察到綠燈和紅燈同時(shí)點(diǎn)亮后，并上報(bào)控制中心信號(hào)出現(xiàn)異常。

2 地面信號(hào)設(shè)備故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)及隱患分析

以圖2南京地鐵1號(hào)線站場(chǎng)為例，當(dāng)前方列車越過信號(hào)機(jī)X3106且信號(hào)機(jī)防護(hù)進(jìn)路被占用時(shí)，該架信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈。若該架信號(hào)機(jī)綠燈D模塊出現(xiàn)故障，即發(fā)生了綠燈不滅故障時(shí)，室外信號(hào)機(jī)在正常點(diǎn)紅燈的基礎(chǔ)上，綠燈會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮。而此時(shí)LOW和MMI上信號(hào)機(jī)圖標(biāo)顯示正常，未發(fā)生任何報(bào)警。如果這一故障還未來得及修復(fù)好，該架信號(hào)機(jī)紅燈電路保險(xiǎn)絲或燈泡突然斷絲，造成紅燈出現(xiàn)滅燈故障，此時(shí)室外信號(hào)機(jī)的顯示狀態(tài)就會(huì)顯示獨(dú)立的綠燈，表示該信號(hào)機(jī)防護(hù)進(jìn)路鎖閉，允許列車正常通過，實(shí)際上卻是進(jìn)路可能并未出清、道岔正處于轉(zhuǎn)換的過程中。當(dāng)紅燈發(fā)生斷絲故障而造成紅燈滅燈后，LOW、MMI上會(huì)立即做出紅燈滅燈故障的報(bào)警，此時(shí)ATP系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出停車指令及0速度碼報(bào)文。后續(xù)即將通過的列車司機(jī)，雖然觀察到地面給出了綠色允許通過信號(hào)，但ATP系統(tǒng)會(huì)發(fā)出正確指令，禁止列車越過該信號(hào)機(jī)。但正線上經(jīng)常存在線上載客列車需切除車載ATP運(yùn)行的情況，若該趟列車切除車載ATP后，手動(dòng)駕駛至已經(jīng)發(fā)生綠燈不滅故障的信號(hào)機(jī)X3106前方時(shí)，紅燈適時(shí)地發(fā)生滅燈故障，列車司機(jī)在已經(jīng)切除車載ATP的基礎(chǔ)上，只能看到前方信號(hào)機(jī)點(diǎn)綠燈，并不知曉此時(shí)道岔是否轉(zhuǎn)換以及前方進(jìn)路空閑與否。列車司機(jī)只會(huì)憑借錯(cuò)誤的地面信號(hào)機(jī)顯示繼續(xù)行進(jìn)，以無ATP防護(hù)的手動(dòng)模式駕駛越過該信號(hào)機(jī)后，就會(huì)出現(xiàn)必然的列車冒進(jìn)信號(hào)事件，甚至可能造成擠岔、列車沖突及追尾等事故。

圖2 南京地鐵1號(hào)線站場(chǎng)信號(hào)機(jī)布置示意圖

3 地面信號(hào)設(shè)備故障原因分析

為確保信號(hào)系統(tǒng)為行車組織提供穩(wěn)定、可靠、安全的行車保證，現(xiàn)對(duì)地面信號(hào)故障原因進(jìn)行分類并逐一分析。

3.1 信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位滅燈故障原因分析

通過示波器檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)機(jī)在開放或關(guān)閉信號(hào)的一瞬間，電路中偶爾存在的電流瑕疵(見圖3)，造成電路中的瞬間電流峰值超出保險(xiǎn)管的負(fù)荷，該瞬時(shí)電流正常熔斷保險(xiǎn)管(見圖4)，造成信號(hào)機(jī)滅燈故障。

圖3 點(diǎn)燈電路電流瑕疵脈沖

圖4 信號(hào)機(jī)紅燈位熔斷保險(xiǎn)管電路示意圖

3.2 信號(hào)機(jī)單個(gè)燈位信號(hào)燈常亮故障原因分析

由于信號(hào)機(jī)紅、綠、黃3個(gè)點(diǎn)燈燈位電路均獨(dú)立存在，點(diǎn)燈電源由各自的D模塊輸出供給。信號(hào)綠燈位D模塊內(nèi)部電路示意如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)信號(hào)機(jī)S模塊發(fā)出允許開放綠燈命令后，綠燈D模塊的S0、S1繼電器得電并吸起，S0的第2組和第3組接點(diǎn)接通信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電源220 V，S1的第2組接點(diǎn)接通信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電源220 V，此時(shí)室外信號(hào)機(jī)綠燈燈泡點(diǎn)亮。

圖5 信號(hào)機(jī)綠燈位D模塊內(nèi)部電路示意圖

當(dāng)D模塊的S0、S1繼電器出現(xiàn)接點(diǎn)粘連故障后，無法正常切斷點(diǎn)燈電源，從而導(dǎo)致某個(gè)燈位的信號(hào)燈常亮(即不滅)，使室外信號(hào)機(jī)出現(xiàn)紅燈和綠燈同時(shí)點(diǎn)亮的現(xiàn)象。

4 信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)

正如上文分析，當(dāng)綠燈非正常點(diǎn)亮?xí)r，造成列車司機(jī)手動(dòng)駕駛時(shí)冒進(jìn)信號(hào)的主要原因是信號(hào)機(jī)紅燈已經(jīng)滅燈，未能給司機(jī)提供禁止信號(hào)。雖然在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，這種車、地信號(hào)設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)故障的可能性較低，但是本著“未雨綢繆，居安思危”的態(tài)度，認(rèn)為此種現(xiàn)象不能滿足信號(hào)設(shè)備故障導(dǎo)向安全的原則。

為避免此類情況的發(fā)生，確保信號(hào)機(jī)紅燈不會(huì)因?yàn)楸ｋU(xiǎn)管正常斷絲造成信號(hào)機(jī)滅燈故障，對(duì)南京地鐵1號(hào)線部分信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路進(jìn)行了改造，并自主研發(fā)了1套“信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置”。在原有的點(diǎn)燈電路中，供點(diǎn)燈電源使用的保險(xiǎn)管只有1個(gè)，當(dāng)信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路中出現(xiàn)的電流瑕疵沖擊保險(xiǎn)管后，瞬時(shí)電流峰值一旦超出保險(xiǎn)管的正常負(fù)荷，保險(xiǎn)管就會(huì)自然熔斷。而“信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置”，在保險(xiǎn)管兩側(cè)并聯(lián)1個(gè)副保險(xiǎn)管，在副保險(xiǎn)管的一端串聯(lián)了1個(gè)200 Ω的電阻和一個(gè)發(fā)光二極管。在正常點(diǎn)亮燈位時(shí)，由于主保險(xiǎn)管支路的電阻小于副保險(xiǎn)管支路，所以點(diǎn)燈電路的電流只流經(jīng)主保險(xiǎn)管，只有維持最初電路特性，工作電流才不會(huì)流進(jìn)增加的副保險(xiǎn)管內(nèi)。當(dāng)電流瑕疵沖斷主保險(xiǎn)管后，在副保險(xiǎn)管支路被電阻分壓后，瞬間流經(jīng)的電流下降，此時(shí)并不會(huì)熔斷副保險(xiǎn)管，從而確保室外各燈位維持點(diǎn)亮，避免滅燈故障的發(fā)生。同時(shí)在電阻兩側(cè)的硅整流管為發(fā)光二極管提供電壓，保證發(fā)光二極管在主保險(xiǎn)管斷絲時(shí)點(diǎn)亮，并給出主保險(xiǎn)管斷絲的報(bào)警信息。信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置點(diǎn)燈電路如圖6所示。圖6中，對(duì)信號(hào)機(jī)每個(gè)燈位的原有保險(xiǎn)管兩端進(jìn)行改造，接入信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置和副保險(xiǎn)管。當(dāng)瑕疵電流峰值通過主保險(xiǎn)管熔斷主保險(xiǎn)斷絲后，副保險(xiǎn)管自動(dòng)接入電路，利用副保險(xiǎn)管支路中的電阻產(chǎn)生微小分壓，減少電路中的電流峰值對(duì)副保險(xiǎn)管的影響，從而確保了點(diǎn)燈電路始終保持完整，這樣便不會(huì)造成信號(hào)機(jī)滅燈故障的發(fā)生。為了方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，將12套電路設(shè)計(jì)在一張PCB(印刷電路板)上，將該裝置命名為“信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置”，確定型號(hào)為NJDT01-12(見圖7)。

圖6 信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置點(diǎn)燈電路圖

圖7 信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置

5 結(jié)語

信號(hào)機(jī)雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置已在南京地鐵1號(hào)線全線信號(hào)機(jī)上安裝且使用正常。第2屆青奧會(huì)開幕式當(dāng)日，安德門站X0501信號(hào)機(jī)發(fā)生了紅燈斷保險(xiǎn)故障，由于該裝置的使用，確保了信號(hào)機(jī)在主保險(xiǎn)管斷絲后，信號(hào)機(jī)仍然正常點(diǎn)亮各燈光，未發(fā)生滅燈故障，能夠始終保證地面信號(hào)機(jī)紅、綠、黃等燈光的可靠顯示。當(dāng)發(fā)生其他信號(hào)設(shè)備故障時(shí)，該裝置亦能確保信號(hào)設(shè)備故障導(dǎo)向安全，為列車安全運(yùn)營(yíng)提供可靠保證。