鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全研究

郝凌云

(中電物流路港有限責(zé)任公司赤峰鐵路分公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)是鐵路運(yùn)行的中樞環(huán)節(jié)，對(duì)保障鐵路安全運(yùn)行意義重大。而隨著現(xiàn)代鐵路運(yùn)行技術(shù)的深入發(fā)展，鐵路信號(hào)控制技術(shù)也呈現(xiàn)出豐富的智能化、一體化特征。但即使是在鐵路運(yùn)行技術(shù)高度發(fā)達(dá)的情況下，也仍然無(wú)法避免鐵路事故的發(fā)生，因此，加強(qiáng)對(duì)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的故障導(dǎo)向安全研究，保證列車在鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下能夠?qū)嵤┚o急制動(dòng)停止運(yùn)行，避免重大鐵路安全事故的發(fā)生，是當(dāng)下列車運(yùn)行安全工作過(guò)程需要解決的首要問(wèn)題。

1 解析鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全

1.1 鐵路信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成要素

鐵路信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成主要包括車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、列車運(yùn)行控制等各個(gè)方面的內(nèi)容，車站聯(lián)鎖主要用與保證車站的道岔、進(jìn)路及信號(hào)三者間的聯(lián)鎖關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車進(jìn)站、分路等運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)察控制；區(qū)間閉塞，主要用來(lái)保持列車運(yùn)行區(qū)間的安全有序，維持列車與列車之間的距離，并方便相關(guān)工作者了解各自的運(yùn)營(yíng)情況及列車?？繒r(shí)間，保證運(yùn)行安全[1]；列車運(yùn)行控制，主要用來(lái)記錄和控制列車行駛狀態(tài)；行車調(diào)度控制分為調(diào)度指揮系統(tǒng)和行車調(diào)度指揮控制系統(tǒng)兩個(gè)部分，其作用是收集行車信息，保持列車調(diào)度效率并對(duì)列車故障進(jìn)行及時(shí)處理，為列車安全高效行駛提供技術(shù)支持；道口信號(hào)主要用于對(duì)車輛和行人發(fā)出行車提醒和警示，避免列車行駛過(guò)程中的人員誤傷；信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)，主要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，收集列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢查相關(guān)設(shè)備故障，并通過(guò)及時(shí)的數(shù)據(jù)處理和設(shè)備故障診斷處理，保證鐵路運(yùn)行安全規(guī)范。以上就是鐵路信號(hào)系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素，它們相互關(guān)聯(lián)，缺一不可，共同作用于列車運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)整個(gè)鐵路運(yùn)行工作的順利開展發(fā)揮著不可替代的作用。

1.2 鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全

鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全，指的是設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以將設(shè)備運(yùn)作后果及時(shí)納入安全保護(hù)范疇，保證故障狀態(tài)下的安全命令能夠緊急發(fā)出并得到準(zhǔn)確執(zhí)行，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)設(shè)置一個(gè)保證安全的輸出信號(hào)控制系統(tǒng)，保證列車在出現(xiàn)設(shè)備故障的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)安全控制，這個(gè)系統(tǒng)就是“故障—安全”系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“FSS”[2]。在鐵路運(yùn)行規(guī)劃中，“故障—安全”系統(tǒng)設(shè)置十分重要，它能夠保證鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障狀態(tài)下的列車安全，并根據(jù)實(shí)時(shí)故障情況制止列車運(yùn)行，保證列車不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)故障引發(fā)的錯(cuò)誤指令而釀成重大安全事故，最大限度的保護(hù)公眾生命安全。

2 現(xiàn)代鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全措施

2.1 安全性冗余結(jié)構(gòu)信號(hào)控制系統(tǒng)

所謂安全冗余結(jié)構(gòu)就是指采用多重備份增加系統(tǒng)可靠性的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，如電力系統(tǒng)中的線路雙重保護(hù)設(shè)計(jì)，就是采用設(shè)備性冗余機(jī)構(gòu)進(jìn)行電網(wǎng)安全維護(hù)，倒閘操作雙監(jiān)護(hù)則是以制度性冗余的方式保護(hù)人身安全[3]。而在鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖中則常采用安全性冗余結(jié)構(gòu)提升信號(hào)系統(tǒng)控制的可靠性。安全性冗余結(jié)構(gòu)有3種冗余方式：雙機(jī)熱備由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，一臺(tái)為主機(jī)聯(lián)鎖，另一臺(tái)則進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，由于雙擊切換存在操作安全問(wèn)題，因此僅在單線支線或者非提速區(qū)段使用；二乘二取二系統(tǒng)，采用4臺(tái)計(jì)算機(jī)組合為主機(jī)輸出控制指令系統(tǒng)和熱備系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，再將其中一個(gè)子系統(tǒng)中的兩臺(tái)不同計(jì)算機(jī)計(jì)算同一套編碼程序，并進(jìn)行運(yùn)算結(jié)果對(duì)比，如果結(jié)果一致就可以輸出控制指令，如果不一致立即切換到另一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行輸出；三取二系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，3臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行相同的聯(lián)鎖軟件，輸出指令由聯(lián)鎖表決器判斷，任意兩臺(tái)輸出一致則表示聯(lián)鎖工作正常，如果任意兩臺(tái)故障，則必須服從“故障—安全”原則，禁止輸出。目前，二乘二取二冗余技術(shù)可靠性和安全性最高，是我國(guó)鐵路信號(hào)設(shè)備采用的最主要冗余結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 二乘二取二冗余技術(shù)基本結(jié)構(gòu)

2.2 靜態(tài)多元控制系統(tǒng)

靜態(tài)多元控制系統(tǒng)下的故障安全導(dǎo)向輸入接口電路如圖2所示。線路信息通過(guò)多個(gè)光電耦合采集單元同時(shí)進(jìn)行采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端口。當(dāng)采集條件啟動(dòng)并連接正常時(shí)，各采集單元輸出皆顯示為高電平，計(jì)算機(jī)端收到的代碼就會(huì)顯示為1111；如果采集條件停止或者出現(xiàn)斷開時(shí)，各采集單元就會(huì)輸出低電平，其計(jì)算機(jī)顯示代碼為0000[4]。而同一時(shí)間，計(jì)算機(jī)會(huì)啟動(dòng)對(duì)4個(gè)碼元的邏輯運(yùn)算，如運(yùn)算結(jié)果顯示“1”，則說(shuō)明采集條件接通，為“0”，則表示電路采集條件已經(jīng)斷開，從而實(shí)現(xiàn)“故障—安全”的有效控制。

2.3 動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)電路接口形式如圖3所示。在該系統(tǒng)下，光電耦合管G2輸出側(cè)由計(jì)算機(jī)輸出口控制，光電耦合管G1輸入側(cè)由采集輸入口控制，兩者形成串聯(lián)[5]。當(dāng)采集條件充分時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的脈沖序列會(huì)通過(guò)系統(tǒng)作用重返計(jì)算機(jī)輸入端，形成以動(dòng)態(tài)脈沖為主要表現(xiàn)的危險(xiǎn)側(cè)信息；如果電路任意位置發(fā)生斷線或混線等線路故障，計(jì)算機(jī)輸入端的電平數(shù)值則會(huì)保持穩(wěn)定，并作為安全側(cè)信息處理，計(jì)算機(jī)輸入端的電平則會(huì)保持在穩(wěn)定狀態(tài)，其數(shù)值則可用作安全側(cè)信息處理。除此之外，動(dòng)態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信息的控制是采用輸出動(dòng)態(tài)脈沖的形式來(lái)進(jìn)行的，只有動(dòng)態(tài)的脈沖信息才能激起執(zhí)行繼電器的執(zhí)行反應(yīng)，靜態(tài)電平驅(qū)動(dòng)則沒有不會(huì)產(chǎn)生作用。同時(shí)輸出代碼需要回讀到計(jì)算機(jī)上，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)工作異?；蜉敵鲭娐饭收?，計(jì)算機(jī)就不能完成輸出代碼會(huì)讀，相關(guān)的連續(xù)動(dòng)態(tài)信息輸出就難以保證，此時(shí)執(zhí)行繼電器不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，設(shè)備也不會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤動(dòng)作。綜上所述，動(dòng)態(tài)輸入/輸出電路其實(shí)本質(zhì)上是連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輸入或/輸出代碼校驗(yàn)來(lái)判斷系統(tǒng)故障，從而保證“故障—安全”控制的有效性。

圖2 故障安全導(dǎo)向輸入接口電路

圖3 電路接口形式

3 常見鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障診斷方法

鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全措施對(duì)保證故障狀態(tài)下的鐵路運(yùn)行安全意義重大，可以有效降低鐵路安全事故危害，盡最大限度避免人員傷亡。但從另一個(gè)方面來(lái)講，鐵路安全事故除了緊急保護(hù)之外，還應(yīng)做好鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障診斷工作，全面提高鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障診斷水平，如此才能有效避免鐵路安全事故的發(fā)生，保證公眾生命健康安全。因此，加大鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障診斷方法研究，強(qiáng)化對(duì)相關(guān)信號(hào)設(shè)備故障問(wèn)題處理能力，提升鐵路運(yùn)行安全指數(shù)，也是當(dāng)下鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障控制的重要議題之一。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷法工作原理如下：先選擇一個(gè)與實(shí)際應(yīng)用需求符合的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再為該網(wǎng)絡(luò)選擇適配的學(xué)習(xí)方法，反復(fù)輸入不同的變量、權(quán)值或者合適數(shù)據(jù)值進(jìn)行試錯(cuò)學(xué)習(xí)[6]。通過(guò)不斷輸出相應(yīng)樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，獲取最終理想值，再將相應(yīng)的閾值和權(quán)值留下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)并計(jì)算，最后再結(jié)合已有的各項(xiàng)故障數(shù)據(jù)與獲得的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的準(zhǔn)確診斷。該診斷法有自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、并行計(jì)算及時(shí)、非線性優(yōu)勢(shì)強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)，由于這種方式能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)故障發(fā)生概率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，還可以根據(jù)模式識(shí)別算法對(duì)不同故障進(jìn)行智能化分類，并建立基于故障知識(shí)處理下的高效化故障診斷系統(tǒng)，具有較高的智能性與靈活性，因此常用在人為因素引起的各種鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障診斷中。

3.2 模糊邏輯故障診斷方法

模糊邏輯故障診斷法不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，其基本原理是通過(guò)特定算法對(duì)人類思維模糊性特點(diǎn)進(jìn)行模擬，從而達(dá)到故障診斷自動(dòng)化的應(yīng)用目的。由于它在實(shí)際操作中并不需要再建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模型訓(xùn)練，因此實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的操作比較簡(jiǎn)單。但即便如此，其在具體操作過(guò)程中也需要建立相應(yīng)的算法規(guī)則，并根據(jù)規(guī)則確定相關(guān)隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的檢查診斷。由于目前該方法缺少完善的模型支持，故在實(shí)際應(yīng)用中只用于處理前期預(yù)警等相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)故障問(wèn)題。

3.3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法是一種結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論兩種故障診斷方法主體優(yōu)勢(shì)而開發(fā)出來(lái)的一種綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)故障診斷方法。其工作過(guò)程分為兩步：先利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近任意函數(shù)；再通過(guò)映射模糊推理進(jìn)行主動(dòng)的輸入輸出推理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的模糊控制診斷。這種方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：它同時(shí)具備人腦思維模擬與模糊信息處理兩種功能，具有較強(qiáng)知識(shí)儲(chǔ)備和學(xué)習(xí)能力，并可以通過(guò)反復(fù)試錯(cuò)積累經(jīng)驗(yàn)，提升故障診斷能力。除此之外，它還可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)模糊規(guī)則進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化完善，并不斷調(diào)整隸屬函數(shù)參數(shù)，擴(kuò)大和豐富自身的模糊算法容量，具有高度的智能化和先進(jìn)性特點(diǎn)。因此，該方法目前研究比較廣泛，具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力，可以作為未來(lái)設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展的新方向進(jìn)行研究。

4 提升鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全的方案

4.1 完善安全性冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障列車行駛安全

鐵路信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成主要包括車站聯(lián)鎖、列車運(yùn)行控制、行車調(diào)度控制等各種不同的控制系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)之間既有各自獨(dú)立的功能，也有內(nèi)部緊密的內(nèi)部協(xié)調(diào)聯(lián)系[7]。因此，列車的安全行駛，是所有控制系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的共同結(jié)果。故為了保持各個(gè)信號(hào)控制系統(tǒng)的功能穩(wěn)定，避免設(shè)備故障導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生，鐵路工程技術(shù)相關(guān)工作人員在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，要做好鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全措施，在每一個(gè)系統(tǒng)中都進(jìn)行安全性冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并設(shè)置好各結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中的輸入輸出命令，保證一旦某一子系統(tǒng)出現(xiàn)安全信息，即可通過(guò)綜合控制系統(tǒng)發(fā)出緊急控制命令，使運(yùn)行中的列車減速或停止運(yùn)行，避免出現(xiàn)重大鐵路安全事故，保證列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

4.2 加強(qiáng)列車防護(hù)，規(guī)避列車沖突風(fēng)險(xiǎn)

雖然鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)本身已經(jīng)具備強(qiáng)大的安全故障及緊急控制功能，但鐵路運(yùn)維本身仍然屬于機(jī)械性工作，因此，列車追尾事故還是難以避免。并且由于列車運(yùn)能強(qiáng)大，當(dāng)發(fā)生列車追尾時(shí)，其所造成的公眾生命及工作人員生命安全損失難以估算，因此做好列車防護(hù)保護(hù)也十分重要。理論上講，由于列車行駛速度很快，增加列車防護(hù)裝置似乎缺乏可行性，但從另一個(gè)思路來(lái)看，技術(shù)人員也可以通過(guò)在列車頭部尾部配備智能化防護(hù)裝置，對(duì)運(yùn)行中的列車進(jìn)行安全距離控制，如果兩車之間的距離小于列車安全行駛距離時(shí)，智能化設(shè)備就會(huì)感應(yīng)到其他列車的存在，從而向前面或者后面的列車發(fā)出警告信號(hào)，提示對(duì)方存在相撞可能，從而促使對(duì)方做出反應(yīng)，緊急制動(dòng)以規(guī)避沖突風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，這種防護(hù)設(shè)備應(yīng)用還處于理論階段，其具體使用還需考慮抗干擾設(shè)計(jì)，避免因其他因素造成運(yùn)行困擾。

4.3 提升系統(tǒng)整體性能，做好各階段安全防控工作

鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合性系統(tǒng)，除了做好多冗余設(shè)計(jì)外，還要采取其他手段進(jìn)行“故障—安全”控制，例如飛機(jī)運(yùn)行中使用的“多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)”手段，就是一個(gè)很好的參考[8]。鐵路技術(shù)工作人員可以將該手段鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)相結(jié)合，研發(fā)相似設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用，以此提升系統(tǒng)整體性能，保持鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全高效。除此之外，為了保持列車運(yùn)行的整體安全性，還要在鐵路其他信號(hào)系統(tǒng)如區(qū)間閉塞系統(tǒng)、行車調(diào)度控制系統(tǒng)等各重要工作系統(tǒng)中增加冗余設(shè)備配置，保證一旦列車運(yùn)行出現(xiàn)故障信號(hào)，即可自動(dòng)切換進(jìn)入緊急安全制動(dòng)模式，以此保證列車運(yùn)行的安全穩(wěn)定。同時(shí)，還可以通過(guò)對(duì)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)開展積極有效的耐高壓和耐強(qiáng)磁試驗(yàn)等方式，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“破壞性”試驗(yàn)訓(xùn)練，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)極限干擾問(wèn)題時(shí)，仍然能夠保持正常工作，以此提升系統(tǒng)工作性能，避免重大鐵路安全事件的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，鐵路運(yùn)行安全問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)鐵路工程技術(shù)發(fā)展的重要課題。在此背景下，相關(guān)技術(shù)人員要加強(qiáng)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的深入研究，提高鐵路信號(hào)系統(tǒng)故障診斷及應(yīng)急處理能力，保證故障發(fā)生時(shí)列車導(dǎo)向安全，高效快捷的解決列車運(yùn)行問(wèn)題，同時(shí)還要以“故障—安全”原則為指導(dǎo)，加強(qiáng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做好安全備份，提升鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)整體性能，為列車行駛安全提供有力保障。