地鐵交通信號(hào)安全與可靠性探討

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部，廣東 深圳 518040)

1 概述

軌道交通系統(tǒng)作為大容量的公共交通工具，其安全性直接關(guān)系到廣大乘客的生命安全。信號(hào)系統(tǒng)作為保證列車運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行現(xiàn)代化，提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備，在軌道交通系統(tǒng)中有舉足輕重的地位，通常由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(Automatic Train Control，簡(jiǎn)稱ATC)組成。ATC系統(tǒng)包括列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(Automatic Train Supervision，簡(jiǎn)稱ATS)、列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)(Automatic Train Protection，簡(jiǎn)稱ATP)、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(Automatic Train Operation，簡(jiǎn)稱ATO)。其中，ATP主要對(duì)行駛中的列車進(jìn)行監(jiān)控和安全防護(hù)，避免其出現(xiàn)聯(lián)鎖備或自身系統(tǒng)中出現(xiàn)問(wèn)題故障而影響列車運(yùn)行安全。ATS對(duì)列車的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督與控制，可使行車調(diào)度工作者對(duì)整個(gè)線路的列車進(jìn)行全面、系統(tǒng)、完整的管理。ATO則通過(guò)分析地面情況來(lái)對(duì)列車進(jìn)行控制，避免列車在行駛中突然加速或減速，提高列車運(yùn)行的舒適性和節(jié)能性。

3個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制與車上控制結(jié)合、現(xiàn)地控制與中央控制結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運(yùn)行調(diào)整以及列車駕駛自動(dòng)化等功能為一體的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的安全性分析

對(duì)于軌道交通信號(hào)系統(tǒng)而言，安全性主要是指行車的安全和乘客的人身安全。在列車的行駛過(guò)程中，無(wú)論是因?yàn)樵O(shè)備出現(xiàn)故障，還是因?yàn)殡娐?、軟件出現(xiàn)問(wèn)題，都可能會(huì)影響到列車的正常行駛，而由此造成的誤動(dòng)或錯(cuò)誤操作，極有可能造成嚴(yán)重的安全事故。為此，在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，應(yīng)該以故障-安全為原則。在此過(guò)程中，需要解決的問(wèn)題主要包括軌道數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热齻€(gè)方面的故障-安全問(wèn)題?？梢圆捎卯?dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如容錯(cuò)技術(shù)、故障檢測(cè)和診斷技術(shù)以及多重化技術(shù)等，均能夠?yàn)樘岣哕壍澜煌ㄐ盘?hào)系統(tǒng)的安全性提供技術(shù)支持。

2.1 ATS系統(tǒng)

在控制中心設(shè)立兩套ATS系統(tǒng)，互為熱備份，即其中的一個(gè)系統(tǒng)在線時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)也在不斷更新其數(shù)據(jù)信息，當(dāng)出現(xiàn)故障需要切換時(shí)，熱備份系統(tǒng)在很短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)軌旁信息的掃描，從而保證系統(tǒng)獲取最新的數(shù)據(jù)。

各車站和車輛段ATS系統(tǒng)通過(guò)冗余配置的網(wǎng)絡(luò)通道和控制中心ATS連接，實(shí)現(xiàn)信息交換，以保證某點(diǎn)或某段通信信道發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作。ATS系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)提供的接口獨(dú)立組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息的安全獨(dú)立穩(wěn)定傳輸。

ATS采用集中控制的方式，可以減少系統(tǒng)維護(hù)工作，并且減少沿線工區(qū)和人員配置。車站自動(dòng)控制為控制中心自動(dòng)控制的降級(jí)模式，當(dāng)控制中心設(shè)備故障或者控制中心與車站通信網(wǎng)絡(luò)故障，造成控制中心ATS子系統(tǒng)無(wú)法正常工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)降級(jí)為車站自動(dòng)工作模式，此時(shí)ATS本地系統(tǒng)根據(jù)本地服務(wù)器中存儲(chǔ)的時(shí)刻表信息繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)路自動(dòng)辦理。

2.2 ATP系統(tǒng)

由于ATP系統(tǒng)主要是對(duì)列車的設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)控，因此其安全性設(shè)計(jì)應(yīng)該將重點(diǎn)放在保證設(shè)備系統(tǒng)安全上。首先，ATP系統(tǒng)可以利用雙層網(wǎng)絡(luò)與全冗余的模式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)中的所有設(shè)備都設(shè)置相應(yīng)的冗余接口，并做好備份，以保證系統(tǒng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后系統(tǒng)也可以不受影響而正常運(yùn)行。其次，編碼軟件也可以利用冗余技術(shù)，且編碼中不可出現(xiàn)循環(huán)語(yǔ)句，這樣是為了保證某個(gè)編碼控制程序出現(xiàn)中斷后可以繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，且不會(huì)形成死循環(huán)的問(wèn)題。第三，為了進(jìn)一步保證系統(tǒng)的安全性與可靠性，對(duì)于一些較為重要或者較為容易出現(xiàn)故障的設(shè)備，應(yīng)該進(jìn)行雙重備份。同時(shí)，為了避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還要在電路中設(shè)計(jì)一定的防沖擊電路和防干擾措施。這樣才可以很好地保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

例如地面ATP子系統(tǒng)一般采用“二乘二取二”安全冗余設(shè)計(jì)，帶獨(dú)立“故障-安全”檢驗(yàn)的安全冗余系統(tǒng)，其硬件平臺(tái)從硬件設(shè)計(jì)上采用了“二乘二取二”結(jié)構(gòu)、雙系并行工作的“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)部通信和外部通信都采用冗余通道設(shè)計(jì)。雙系之間采用隔離技術(shù)，對(duì)其中一系進(jìn)行維修與替換不會(huì)對(duì)另外一系以及其他子系統(tǒng)正常工作有任何影響，任何一個(gè)計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能正常工作，整個(gè)系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常運(yùn)行，不會(huì)導(dǎo)致其他子系統(tǒng)的無(wú)故切換。

2.3 ATO系統(tǒng)

作為以地控車的控制系統(tǒng)，ATO系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)列車的啟動(dòng)、牽引、巡航、惰行和制動(dòng)的控制，以較高的速度進(jìn)行追蹤運(yùn)行和折返作業(yè)，確保達(dá)到設(shè)計(jì)間隔及旅行速度。當(dāng)其因故障無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)該能夠盡快轉(zhuǎn)入人工操作的程序中，以保證列車安全運(yùn)行。同時(shí)，在系統(tǒng)的運(yùn)行中需要大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該首先循環(huán)傳送。為了保證行駛中的列車和地面工作站點(diǎn)之間可以隨時(shí)聯(lián)系溝通，在列車出站之前，要對(duì)ATO系統(tǒng)進(jìn)行檢查，尤其是要對(duì)接口處進(jìn)行仔細(xì)檢查，以保證系統(tǒng)的安全工作。

ATO系統(tǒng)主要與列車控制系統(tǒng)非安全性的功能相關(guān)，深圳地鐵7號(hào)線車載ATO子系統(tǒng)在車頭、車尾各設(shè)置一套，單套ATO子系統(tǒng)采取雙機(jī)熱備的冗余架構(gòu)，若一系出現(xiàn)故障，可自動(dòng)切換為備機(jī)工作。

3 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的可靠性分析

對(duì)于系統(tǒng)可靠性要求，目前一般以平均功能故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Functional Failure，MTBFF)和平均故障間隔時(shí)間(Mean time Between Failure，MTBF) 兩個(gè)參數(shù)作為定量可靠性性分析指標(biāo)。規(guī)定系統(tǒng)的 MTBFF應(yīng)考慮影響系統(tǒng)完成規(guī)定功能的所有故障，系統(tǒng)的 MTBF則既包括影響系統(tǒng)功能的故障，也包括不影響系統(tǒng)功能完成 ( 例如由于設(shè)備冗余 )的所有故障。

考慮實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)評(píng)估時(shí)，MTBF作為基本可靠性的特征量，應(yīng)反映出系統(tǒng)對(duì)維修人力、費(fèi)用及備品備件的需求。如果一個(gè)系統(tǒng)基本可靠度低，即便任務(wù)可靠度滿足要求，也會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)維護(hù)成本太高，不能說(shuō)該系統(tǒng)是一個(gè)可靠的系統(tǒng)。因?yàn)?，只要有設(shè)備故障，即使由于設(shè)備采用冗余并沒(méi)有影響系統(tǒng)功能的完成，卻仍馬上需要有維修人員進(jìn)行診斷、維修或更換備件。而軟件故障是指軟件設(shè)計(jì)的缺陷在一定的運(yùn)行條件下，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)可感知的不正常、不正確和不按規(guī)范執(zhí)行的狀態(tài)。任何軟件內(nèi)部缺陷引起的錯(cuò)誤，不在用戶維修范疇內(nèi)，并且用戶也無(wú)法維修，因而考慮軟件故障，并不能考察出系統(tǒng)對(duì)維修人力、費(fèi)用和備品備件的需求。因此，針對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，MTBF應(yīng)主要考慮硬件故障。

MTBFF則應(yīng)綜合考慮硬件故障與軟件錯(cuò)誤，考察系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面中完成規(guī)定功能的能力。隨著現(xiàn)代信號(hào)系統(tǒng)中采用計(jì)算機(jī) ( 包括微機(jī)、單片機(jī))越來(lái)越廣泛，由軟件來(lái)承擔(dān)安全和可靠性需求的比重越來(lái)越大，因而軟件的可靠性在完成系統(tǒng)功能方面往往起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際運(yùn)行的故障統(tǒng)計(jì)也表明，由于軟件缺陷引起的系統(tǒng)功能失效約占故障總數(shù)的 70%。因此，只有綜合考慮軟件故障和硬件故障，才能全面準(zhǔn)確地衡量系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)的可靠度。

綜上所述，信號(hào)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)可以參考國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確 MTBF主要考慮硬件故障以衡量系統(tǒng)對(duì)維修人力、費(fèi)用及其備品備件的要求；MTBFF綜合考慮軟件和硬件故障，以便準(zhǔn)確考察系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。

例如在城市軌道交通中，由于ATP系統(tǒng)在正常駕駛模式下使用是惟一能連續(xù)控制列車運(yùn)行，并長(zhǎng)期確保列車安全運(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)降低列車運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)所采用的一種駕駛模式。不過(guò)，該模式并不能避免所有風(fēng)險(xiǎn)，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性必須高于99．99%。

參考相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)軸設(shè)備平均無(wú)故障工作時(shí)間≥1.75×105h；BTM天線≥2.5×105h；雷達(dá)傳感器在40 ℃環(huán)境溫度下，平均無(wú)故障時(shí)間≥1.66×105h；速度傳感器平均無(wú)故障時(shí)間≥1×105h。

4 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)安全性與可靠性的關(guān)系

信號(hào)系統(tǒng)的安全性與可靠性相輔相成，并且相互影響?？煽啃允呛饬肯到y(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力，而系統(tǒng)的安全性是衡量系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)不致產(chǎn)生危險(xiǎn)側(cè)輸出的能力，二者密不可分。系統(tǒng)的可靠性越高，其發(fā)生故障的概率越??；系統(tǒng)的安全性越高，發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生危險(xiǎn)側(cè)輸出的概率也就越小。