磁浮交通道岔位置檢測信號冗余設計分析

賀俊喜

摘 要：磁浮交通道岔常采用整梁移動方式改變軌道方向，檢測其位置信號的傳感器一般使用雙行程開關，這些行程開關接點的串并聯(lián)方式對道岔系統(tǒng)的可靠性有較大影響。文章對 5 種磁浮交通道岔位置檢測信號行程開關連接方案進行分析，探討不同方案的可靠性和安全性并分析各方案的優(yōu)缺點，為同類道岔位置檢測信號冗余設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：磁浮交通;道岔;檢測信號;冗余設計

中圖分類號：U237

磁浮交通是一種新型軌道交通方式，道岔是磁浮交通線路的重要組成部分，磁浮交通道岔的位置檢測信號對于列車的安全運行具有重要作用。道岔用2個鎖閉裝置的4個行程開關常開接點串聯(lián)起來作為位置檢測信號，這樣設計安全性較高但可靠性較低，本文就行程開關常開點和常閉接點的串并聯(lián)問題，對系統(tǒng)的可靠性和安全性作詳細分析，為同類電路設計提供參考。

1 信號設備的可靠性和安全性要求

軌道交通信號設備的功能是保證列車運行安全和提高運輸效率，要求信號設備具有極高的可靠性和安全性。

可靠性是系統(tǒng)在規(guī)定的時間和條件下，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃愿邉t系統(tǒng)不容易出故障，對軌道交通運輸效率影響小。安全性是在規(guī)定的時間和條件下，系統(tǒng)不產(chǎn)生危險的概率，主要考慮的是保證行車安全，要求避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。安全性還要求故障發(fā)生后導向安全，即滿足TB/T2615-2018 《鐵路信號故障-安全原則》的要求。

軌道交通信號設備的輸出可以分為正常、安全側故障、危險側故障3種。在信號設備發(fā)生故障時，按“故障-安全”原則，只允許有安全側信號輸出。實現(xiàn)軌道交通信號“故障-安全”原則的具體措施有很多，冗余技術就是其中一種，常見的應用就是在同一裝置上使用多重設備，提高設備的安全性。道岔位置檢測信號采用冗余技術，保證在個別部件出現(xiàn)故障的情況下，道岔系統(tǒng)還能正常運行。同時對設備進行定期檢查，及時修復故障部位，使設備處于正常工作狀態(tài)。

2 道岔位置檢測信號冗余設計方案

冗余設計是在可靠性較低的部件兩端，增加一個或幾個相同部件，保證產(chǎn)品能正常工作，當附加部件全部失效后，產(chǎn)品才出現(xiàn)故障。冗余技術有硬件冗余、時間冗余、信息冗余。硬件冗余是增加相同設備來獲得高可靠性。磁浮交通道岔位置檢測信號一般采用硬件冗余設計。

磁浮交通道岔是整梁移動式道岔，驅動設備有轉轍裝置和鎖閉裝置，轉轍裝置的主要作用是電機驅動梁的橫移，鎖閉裝置的主要作用是鎖閉電機驅動電動推桿插入地面固定朵樁孔內，使主梁在相應位置上穩(wěn)定不動，保證車輛通行的穩(wěn)定性。

道岔的位置表示信號由鎖閉裝置固定在地面朵樁上的行程開關接點給出，一般1個道岔梁上有2個鎖閉裝置，朵樁上的行程開關是成對安裝的，也就是4個行程開關一起動作表示一個位置信號，這個位置信號會直接傳輸?shù)缴衔粰C信號系統(tǒng)，作為判斷道岔位置的關鍵信號，如果這個信號出現(xiàn)錯誤將會產(chǎn)生嚴重后果。這些行程開關的接點如何串接在一起，提高這個信號的可靠性和安全性是本文討論的重點。圖1為單個鎖閉裝置結構圖，圖2為2個道岔鎖閉裝置結構圖。

磁浮道岔有鎖閉裝置1、鎖閉裝置2，鎖閉裝置1安裝在主動梁轉轍裝置附近，鎖閉裝置2安裝在從動梁附近。

2個行程開關的連接方法包括安全接法和冗余接法。安全接法是2個常開接點串接后作為輸入信號。邏輯關系是“與”，當其中一個通道信號為0時，輸出信號就是0，只有所有通道信號都為1時，輸出信號才為1。如果其中一個接點出現(xiàn)開路故障，就不能輸出正確的結果，提高了系統(tǒng)工作的安全性。冗余接法是2個常開接點并接后作為輸入信號。邏輯關系是“或”，只要其中一個通道信號為1，信號輸出就是1，系統(tǒng)的容錯能力提高了。

安全接法主要應用在安全系統(tǒng)中，冗余接法主要應用在高可用性系統(tǒng)中。軌道交通要求信號設備同時具有高安全性和高可用性，也就是高運輸效率。

磁浮交通道岔位置檢測行程開關連接方案有多種，本文選最常用的5種方案來分析：①2個常開接點串聯(lián)方案;②2個常開接點并聯(lián)方案;③4個常開接點串并聯(lián)方案;④4個常開接點并串聯(lián)方案;⑤4個常開接點串聯(lián)方案。

常閉接點串并聯(lián)電路的可靠性分析可參考常開接點串并聯(lián)電路，但結果相反。

3 道岔位置檢測信號冗余方案分析

3.1 可靠性分析

由多個單元共同完成某一功能的整體稱為系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性和單元可靠性之間的關系有可靠性模型和定量計算可靠性的函數(shù)。圖3為串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。

假設各個單元都是獨立統(tǒng)計的，串聯(lián)系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型為：

（1）

式（1）中， Ra為系統(tǒng)可靠度，Ri為第i個單元可靠度。

圖4為并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖。

假設各單元是獨立統(tǒng)計的，并聯(lián)系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型為：

（2）

式（2）中， Ra為系統(tǒng)可靠度， Fi為第i個單元不可靠度， Ri為第i個單元可靠度。

下面通過計算分析各種串并聯(lián)方案的可靠性。用K表示可靠性，用G表示故障率，根據(jù)可靠性理論，K + G = 1。

3.1.1 方案1：2個常開接點串聯(lián)

圖5是2個常開接點串聯(lián)電路圖，假設2個接點的可靠性分別為K1 = K2 = 99%，則故障率為G1 = 1-K1 =1%、

G2 = 1-K2 = 1%，且相互獨立。串聯(lián)后的可靠性為K = K1 ×

K2 =99% × 99% = 98%，故障率為G= 1-K1 × K2 =1-98% =

2%，串聯(lián)后可靠性比K1、K2降低了，故障率比G1、G2增高了。

常開點串聯(lián)，只有2個常開點都閉合，電路才通。適用于安全性高，可靠性要求低的設備，不屬于冗余設計。

3.1.2 方案2：2個常開接點并聯(lián)

圖6為2個常開接點并聯(lián)電路圖，假設2個接點的可靠性為K1 = K2 = 99%，則故障率分別為G1 = 1-K1 = 1%、

G2 = 1-K2 = 1%，且相互獨立。并聯(lián)后的可靠性為K = 1-G1 × G2 =1-1% ×1% = 99.99%，并聯(lián)后可靠性比K1、K2增高了。

常開接點并聯(lián)，只要有1個常開接點閉合，電路就通。適用于可靠性要求高的設備，屬于冗余設計。

3.1.3 方案3：4 個常開接點串并聯(lián)

圖7為4個常開接點串并聯(lián)電路圖，假設K1 = K2 =

K3 = K4 = 99%，則該電路的可靠性為K = 1-（1-K1 × K2 ）×（1-K3 × K4 ）= 1-（1- 99% × 99% ）×（1- 99% ×

99% ）= 99.96%。

2個常開接點串聯(lián)后再并聯(lián)，2組常開接點只要有1組通了，電路就通。串聯(lián)接點的并聯(lián)可以防止由于單個接點短路而導致整個電路短路。當行程開關故障模式為短路時，串并聯(lián)電路由于2個回路都是串聯(lián)，因此不會輸出故障信號。

3.1.4 方案4：4 個常開接點并串聯(lián)

圖8為4個常開接點并串聯(lián)電路圖，假設K1 = K2 =

K3 = K4 = 99%，則該電路的可靠性為K = [1-（1-K1）×（1-K3）]×[1-（1-K2）×（1-K4）] = 99.98% > 99.96%。

可見，并串聯(lián)電路比串并聯(lián)電路可靠性高。

當行程開關故障模式為開路時，并串聯(lián)電路由于有2個并聯(lián)回路，只要2組接點中都有1個接點接通就能輸出正確的信號。該電路設計屬于冗余設計。

3.1.5 方案5：4個常開接點串聯(lián)

圖9為4個常開接點串聯(lián)電路圖，假設K1 = K2 = K3 =

K4 = 99%，串聯(lián)后的可靠性為K =K1 × K2 × K3 × K4 =

99%×99%×99%×99%= 96%。故障率為G =1-K1 × K2 ×

K3 × K4 = 4%?？梢?個常開點串聯(lián)時，只有4個常開點都通的時候，電路才通，可靠性比2個常開接點串聯(lián)98%的可靠性降低了。

3.2 安全性分析

行程開關是一種機械結構傳感器，主要有接點短路和開路2種故障。下面分析系統(tǒng)出現(xiàn)一個故障的情況下，接點冗余方案出現(xiàn)安全側故障或危險側故障的可能性。

3.2.1 方案1：2個常開接點串聯(lián)

方案1中2個常開接點串聯(lián)，在接點短路故障模式下，串接后為安全側故障，因為有一個接點短路的情況下，另一個接點還能正常工作。在接點開路故障模式下，常開接點以閉合為有效信號輸出，一個接點開路后無論另一個接點開或閉，都無信號輸出，所以串接后為安全側故障。方案1在2種故障模式下都輸出安全側故障，滿足“故障-安全”原則。

3.2.2 方案2：2個常開接點并聯(lián)

方案2中2個常開接點并聯(lián)，在接點短路故障模式下，并接后為危險側故障，因為有一個接點短路的情況下，無論另一個接點開或閉都輸出接通信號。在接點開路故障模式下，并接后為安全側故障，因為一個接點開路的情況下，另一個接點還能正常工作。方案2在短路故障模式下有危險側故障輸出，不滿足“故障-安全”原則。

3.2.3 方案3：4個常開接點串并聯(lián)

方案3中2個行程開關常開點串聯(lián)，再與另外2個串聯(lián)接點并聯(lián)，對出現(xiàn)一個開路故障的系統(tǒng)能輸出正確信號。出現(xiàn)一個接點短路故障的情況，因為有2組接點串聯(lián)不會造成整個電路短路，也就是在短路故障模式下依然能輸出正確信號，屬于安全設計。方案3滿足“故障-安全”原則。

3.2.4 方案4：4個常開接點并串聯(lián)

方案4中2個行程開關常開點并聯(lián)，再與另外2個并聯(lián)接點串聯(lián)，對出現(xiàn)一個開路故障的系統(tǒng)能輸出正確信號。出現(xiàn)一個接點短路故障的情況，因為有2組接點串聯(lián)不會造成整個電路短路，也就是在短路故障模式下依然能輸出正確信號，屬于安全設計。方案4滿足“故障-安全”原則。

3.2.5 方案5：4個常開接點串聯(lián)

方案5中4個常開接點串聯(lián)，在接點短路故障模式下，串接后為安全側故障，因為有3個接點短路的情況下，另一個接點還能正常工作。在接點開路故障模式下，常開接點以閉合為有效信號輸出，一個接點開路后無論另外3個接點開或閉，都無信號輸出，所以串接后為安全側故障。方案5在2種故障模式下都輸出安全側故障，滿足“故障-安全”原則。

3.3 小結

磁浮道岔的常規(guī)設計中只考慮高安全性，將2個鎖閉裝置4個行程開關常開接點串聯(lián)起來作為道岔位置信號輸出，也就是方案5的連接方式。該方案的可靠性不高，只要其中一個接點不通，就不能輸出正確的信號，即只要一個行程開關出現(xiàn)開路故障，信號系統(tǒng)不能接收到正確的位置信號，超時后會產(chǎn)生故障報警信號，列車就會停止運行，造成列車運行事故，影響磁浮交通運輸效率。

方案4的可靠性高于方案3，安全性與方案3相同。同時由于鎖閉裝置1和鎖閉裝置2相距約10 m，方案4接線更方便?？梢姺桨?行程開關常開接點并串聯(lián)方案是磁浮交通道岔位置檢測信號的最佳設計方案。在實際應用時還要注意一個問題：道岔位置檢測信號在出現(xiàn)一個開路或短路故障時，系統(tǒng)并不能直接檢測出來，可通過道岔定期巡檢維護檢查行程開關有無故障，發(fā)現(xiàn)問題及時維修更換，避免第2個故障出現(xiàn)時輸出錯誤的位置信號。根據(jù)長沙磁浮道岔的維修經(jīng)驗，行程開關的定期維護巡檢周期為2周。

4 結語

在新型軌道交通中，磁浮軌道、跨座式單軌、懸掛式單軌都有采用整梁移動方式的道岔，道岔位置檢測采用雙行程開關也比較常見，通過前文分析，在設計行程開關檢測電路時采用并串聯(lián)方案能得到較高的可靠性和安全性。

參考文獻

[1]TB/T 2615-2018 鐵路信號故障-安全原則[S].北京：中國鐵道出版社，2018.

[2]翟紅兵.關于鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全的探討[J].信息與安全技術，2013（2）：75-77.

[3]趙德生.故障-安全原則在鐵路信號系統(tǒng)的應用[J]. 鐵道運營技術， 2018（7）：50-52.

[4]呂永紅，侯波.關于鐵路主體化機車信號系統(tǒng)中的安全冗余設計[J].甘肅科技， 2008（9）：74-75.

[5]吳廣榮，翟紅兵.鐵路信號基礎設備維護[M].四川成都：西南交通大學出版社，2013.

[6]蘭天明，王素倩.鐵路車站自動控制系統(tǒng)維護[M].四川成都： 西南交通大學出版社， 2015.

[7]李懷志，王燕梅.城市軌道交通信號設備[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2018.

[8]孫幫成.軌道交通RAMS工程基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[9]劉輝.安全系統(tǒng)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[10] 楊毅，黃海，陳祥獻.三取二表決模型的可靠性與安全性分析[J].計算機工程， 2012（7）：280-282.

[11] 桑曉明，李曉飛，劉俊發(fā).屏蔽門聯(lián)動故障原因分析及建議[J].現(xiàn)代城市軌道交通， 2017（6）：8-10.

[12] 曾國鋒，袁亦竑，吉文，等.長沙中低速磁浮工程的道岔設計與調試[J].城市軌道交通研究，2016（5）：44-48.

[13] 胡愛鋒，楊玉群.重慶單軌交通道岔電控系統(tǒng)的設計研究[J].鐵道工程學報， 2009（11）：73-75.

[14] 鄭建寧.跨座式單軌與中低速磁浮信號系統(tǒng)的關鍵技術[J].鐵道通信信號，2018（7）：82-84.

[15] 歐發(fā)兵，彭密.磁浮關節(jié)型梁式道岔應用研究[J].低碳世界，2017（3）：221-222.

[16] 程蔭杭.鐵路信號可靠性與安全性[M].北京：中國鐵道出版社 ，2010.

收稿日期 2019-05-15

責任編輯 胡姬

Redundancy design and analysis of maglev turnout position detection signal

He Junxi

Abstract： The whole beam moving mode is often used to change the track direction of maglev turnout. The sensors for detecting these position signals generally use double travel switches. This paper discusses the big impact of the series parallel connection mode of these travel switch contacts on the reliability of turnout system. It analyzes the connection schemes of five kinds of travel switches for maglev turnout position detection signals， the reliability and safety of different schemes and the advantages and disadvantages of each scheme， providing reference for the redundancy design of similar turnout position detection signals.

Keywords： maglev， turnout， detection signal， redundancy design