軌道交通信號系統(tǒng)安全技術的發(fā)展和研究現(xiàn)狀.docxVIP

軌道交通信號系統(tǒng)的創(chuàng)新與實踐 Beijing Jiaotong University 軌道交通信號系統(tǒng)的創(chuàng)新與實踐軌道交通信號系統(tǒng)安全技術的發(fā)展和研究現(xiàn)狀學 院：電子信息工程學院姓 名：馬福文學 號：15211172班 級：通信1507指導教師：袁磊時 間：2017.07.11軌道交通信號系統(tǒng)安全技術的發(fā)展和研究現(xiàn)狀【摘 要】軌道交通系統(tǒng)作為大容量公共交通工具，其安全性直接關系到廣大乘客的生命安全，信號系統(tǒng)作為保證列車安全、正點、快捷、舒適、高密度不問斷運行的重要技術裝備在軌道交通系統(tǒng)中有著舉足 輕重的地位。 隨著計算機技術在軌道交通信號系統(tǒng)中的應 用，原有的安全保障技術和方法已不能滿足越來越高的安全要求。為了使相關研究人員了解和應用國外信號系統(tǒng)的安全技術方法，筆者從科學技術發(fā)展的角度探討了信號系統(tǒng)安全技術和專業(yè)術語的歷史演變，對于一些重要的術語進行了比較和解釋；從國外最新的相關 研究成果和安全標準來看，在系統(tǒng)開發(fā)之前需要進行系統(tǒng)的前期安全評估，對于潛在的危 險和故障進行分析和記錄，作為研發(fā)過程中主要解決的安全問題；關于安全技術和意識問題應當貫穿干信號系統(tǒng)設計、開發(fā)、生產(chǎn) 、裝備、維護過程中，而不是等到系統(tǒng)研發(fā)出來之后再考慮安全問題?！娟P鍵詞】軌道交通；信號系統(tǒng)；故障安全；安全苛求系統(tǒng)中圖分類號： 文獻標志碼：ADevelopment and Research Status of Safety Technology for Rail Transit Signal SystemMA FuWen (school of BJTU)Abstract: As a large-capacity public transport system, the safety of rail transit system is directly related to the safety of the majority of passengers. The signal system is an important technical equipment to ensure the safety, punctuality, fastness, comfort and high density of the train. Traffic system has a pivotal position. With the application of computer technology in the rail transit signal system, the original security technology and methods can not meet the increasingly high security requirements. In order to make the relevant researchers understand and apply the safety technology of foreign signal system, the author explores the historical evolution of signal system security technology and professional terminology from the perspective of the development of science and technology, and compares and explains some important terms. Of the relevant research results and safety standards, the system before the development of the need for pre-security assessment of the system for potential hazards and failures of the analysis and record, as the main solution to the development process security issues; on security technology and awareness issues should be Through the dry signal system design, development, production, equipment, maintenance process, rather than wait until the system developed after considering the security issues.Key word: rail transit; signal system; fault safety; safety demanding system1. 引言軌道交通一般是指車輛在軌道上運行的運輸方式，它是以機車車輛等移動設備和軌道線路、橋梁隧道等固定設備為基本設備，以車站運輸生產(chǎn)基地的實現(xiàn)旅客和貨物運輸?shù)凝嫶笙到y(tǒng)，包括高速鐵路、干線鐵路及城市軌道交通。軌道交通的特點是列車在軌道上運行、不能隨意越行，只能通過道岔使列車由一條線變換到另一條線。軌道交通系統(tǒng)作為大容量公共交通工具，其安全性直接關系到廣大乘客的生命安全，為保證該系統(tǒng)有計劃、有組織 、安全 、高效地運行，需要有制定行車計劃和組織行車的行車組織系統(tǒng)、保障各個部門協(xié)調(diào)工作的通信聯(lián)絡系統(tǒng)及指揮列車按計劃、安全、高效運行的信號系統(tǒng) 。由于微電子、信息 、網(wǎng)絡 、通信技術，特別是計算機技術在鐵路信號的各個領域的廣泛應用，促進了信號技術的大發(fā) 展，信號技術和產(chǎn)品正經(jīng)歷由傳統(tǒng)的繼電邏輯、模擬電路、分散孤立的控制模式向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和綜合化發(fā)展的升級換代的歷史轉變。由此信號系統(tǒng)安全術語和技術也在 不斷地更新和發(fā)展，由傳統(tǒng)的故障一安全技術 (FailSafe)、至關重要的計算機(VitalComputer)到現(xiàn)在安全苛求系統(tǒng)(Safety CriticalSystem)。如何從科技發(fā)展的角度和中英文的內(nèi)涵來確切把握上述術語的演變，對于研究和應用信號系統(tǒng)安全技術具有指導性意義。2.鐵路信號的作用21軌道交通信號系統(tǒng)是軌道交通中保證行車安全、提高區(qū)間和車站通過能力以及編解能力 的是手動控制、自動控制以及遠程控制技術的總稱。它由車站信號系統(tǒng)、區(qū)間信號系統(tǒng)和列 車運行控制系統(tǒng)3部分構成(見圖1)。圖1軌道交通信號系統(tǒng)構成框圖其中聯(lián)鎖設備組成如圖2-2所示控制臺及表示盤聯(lián)鎖設備信號控制信號表示道岔控制道岔表示進路控制進路表示圖2-2(1) 區(qū)間信號系統(tǒng)在區(qū)間信號系統(tǒng)中，防止列車突的傳統(tǒng)做法是把鐵路線路劃分成許多線段，在車站之間的線段成為區(qū)間，在車站內(nèi)的線段稱作進路。對于區(qū)間來說，以檢查前方區(qū)間內(nèi)確實無車存在，即在 空閑狀態(tài)時，防護該區(qū)間的信號才能開放。信號開放后，區(qū)間就處于“閉塞 ”狀態(tài)，區(qū)間另 一端的防護信號(如果有此信號的話 )就不能開放了。列車一旦根據(jù)信號顯示進入?yún)^(qū)間后，該信號立即關閉。這樣就保證在一個區(qū)間內(nèi)僅有一個列車運行，防止了列車沖突事故的發(fā)生。這類保證列車在區(qū)間運行安全的信號系統(tǒng)稱作區(qū)間閉塞系統(tǒng)。實際上，可將區(qū)間再劃分為幾個分區(qū)，允許幾個列車在區(qū)間運行，這就提高了區(qū)間通過能力，或者說縮短了列車的追蹤間隔提了運輸效率。(2) 車站信號系統(tǒng)對于車站信號系統(tǒng)來說，需要在車站進路的入口設置信號予以防護 。在信號開放時不僅要檢查進路空閑，而且，要檢查進路中道岔是否正確，還要檢查是否和其他進路發(fā)生沖突等，只有在進路空閑、道岔位置正確并鎖閉(不能再操縱)和可能發(fā)生沖突的進路(稱作敵對進路)沒有辦理并已鎖閉(不能再辦理)的條件下，信號才能開放。列車駛入進 路后，防護信號應立即關閉。車離開了進路中的道岔區(qū)域后，道岔和敵對進路才允許解鎖。 由此看來，為了保證行車安全，信號、道岔與進路之間必須以技術手段保持一定的制約關系 和操作順序，常稱這種制約關系和操作順序為聯(lián)鎖。(3) 列車運行控制系統(tǒng)列車運行控制系統(tǒng)是用于控制列車運行速度保證行車安全和提 高運輸能力的控制系統(tǒng)，包括機車信號、列車超速防護系統(tǒng)、自動停車系統(tǒng)和列車自動運行系統(tǒng)。信號系統(tǒng)安全技術發(fā)展安全始終是信號系統(tǒng)發(fā)展的主旋律，保證鐵路行車安全。隨著鐵路信號技術的發(fā)展和鐵路信號的廣泛應用，鐵路信號也成為提高鐵路區(qū)間和車站通過能力、增加鐵路運輸經(jīng)濟效益、改善鐵路員工勞動條件的一種現(xiàn)代化科學管理手段和技術。22設備部分圖3.1-3信號機：如圖3.1-3.目前城市軌道交通采用的信號機主要采用發(fā)光二極管半導體發(fā)光器件作為光源。因此在選擇發(fā)光二極管半導體發(fā)光器件時應該考慮安全問題，除材料外還有竄光、燈絲斷裂、點燈沖擊電流等安全隱患。解決辦法：選擇材料器件時應該滿足軌道交通RAMS標準；而選擇組合式色燈信號機或者透鏡式色燈信號機能夠有效避免竄光問題；LED色燈信號機可以消除燈絲突然斷絲和點燈沖擊電流等問題。信號機電燈電路是安全電路，設計電路時既要考慮斷線保護，又要考慮混線防護。信號機電燈電路斷線即要滅燈；信號機電燈電路要具有燈絲報警電路。圖3.2-3繼電器: 如圖3.2-3.它在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。信號繼電器室組成信號系統(tǒng)的基本器材，必須符合“故障安全”準則（即當設備、器材、元件發(fā)生故障時，其后果必須是導向安全側），除此之外還有在繼電器所處的環(huán)境溫度下，對于所承受的電流來說如散熱不良，會損壞輸出半導體器件；由于交變的dv/dt問題，會有半周波動等。解決方法：當控制信號機開關的燈絲繼電器故障時，一定只能導致信號機點紅燈，強制停車；散熱不良時應使用較大的或更有效的散熱片；有半周波動時采用緩沖器是有幫助的。轉轍機：如圖3.3-3.它的基本任務是轉換道岔、鎖閉道岔和反映道岔的位置和狀態(tài)。它存在的安全隱患有由設置整流子而引起的故障,由擠切銷勞損造成的慣性故障等故障。圖3.3-3解決方法：采用交流三相電動機可從根本上解決整流子而引起的故障，還可以提高壽命；采用直徑32mm的滾動珠絲杠作為驅動裝置可以延長轉轍機壽命；采用具有簧式擠脫裝置的保持聯(lián)結器，并選用不可擠型零件，從根本上解決了由擠切銷勞損造成的慣性故障；采用多片干式可調(diào)摩擦聯(lián)結器，經(jīng)工廠調(diào)整加封，使用中無需調(diào)整。（多選用S00K型電動轉轍機）圖3.4-3軌道電路：如圖3.4-3它是以列車運行線路的兩根鐵軌作為導體，兩端加以電氣絕緣或電氣分割，并接上送電和受電設備構成的電路。既然是電路必定會有電源、負荷，因此存在負荷過大的安全隱患；某些交流電路還會存在相位偏差；相鄰鋼軌之間會有聯(lián)系導致“串音”現(xiàn)象；在道床條件惡劣時，會發(fā)生“紅光帶”及“壓不死”現(xiàn)象；鋼軌損壞引起的短路問題等。解決方法：采用抗電器可以保護電源設備不因過負荷損壞，并保證在列車占用軌道電路是，軌道繼電器能可靠落下，還能調(diào)整相位；鋼軌絕緣可以分隔相鄰軌道電路，從電的方面加以絕緣，但它們?nèi)钥赏ㄟ^地面聯(lián)系；改善軌道條件、改進電路、提高檢測信息的差別等可以有效改善“紅光帶”及“壓不死”現(xiàn)象；軌道電路設計原理“故障安全”能夠有效防止由鋼軌損壞引起的安全問題。（采用數(shù)字無絕緣軌道電路可提高軌道電路的可靠性）聯(lián)鎖設備:聯(lián)鎖設備經(jīng)歷了以下幾個階段:機械聯(lián)鎖、電機聯(lián)鎖、繼電聯(lián)鎖和計算機聯(lián)鎖。但是前幾項技術都不能滿足地鐵運營要求，存在很多安全隱患，因此國內(nèi)地鐵正線均采用計算機連鎖。提高聯(lián)鎖設備安全性和可靠性的措施：利用冗余技術，使其自身構成容錯控制系統(tǒng)；采用有結果比較的計算機2次處理和采用帶有結果比較的多機并行處理，即“一硬二軟結構和一軟多硬結構 ”（后面會有提及）。3.技術發(fā)展德國的動車技術系列、加拿大的動車技術系列、法國的動車技術系列等軌道交通技術代表著世界先進水平，我國軌道交通技術通過近幾年的引進和開發(fā)，也基本達到世界先進水平，但關鍵的牽引控制技術仍以國外產(chǎn)品為主。從20世紀90年代建設的上海1號線和廣州1號線地鐵開始，我國城市軌道交通建設廣泛采用各國最新技術裝備，已經(jīng)建成了具有世界一流技術水平的城軌交通系統(tǒng)，但軌道交通技術仍處于引進、消化、吸收和創(chuàng)新階段。采用交流傳動技術20世紀90年代前，世界各國均采用切換電阻的有級調(diào)速直流電機系統(tǒng)或采用電力電子控制的無級斬波調(diào)壓調(diào)速直流電機系統(tǒng)。1990年，可關斷晶閘管（GTO）、絕緣柵晶體管（IGBT）元件出現(xiàn)后，發(fā)達國家地鐵開始采用直-交變頻、變壓調(diào)速交流電機的交流傳動系統(tǒng)。我國從20世紀90年代開始，除上海1號線地鐵外，所有新建地鐵線、單軌線、輕軌線均采用IGBT模塊的交流傳動系統(tǒng)。交流傳動車與直流傳動車相比，用電量能降低40%；由于采用再生制動，閘瓦用量減少一半以上；車輪磨耗小，車輪更換周期延長；交流電機維修工作量很小。轉向架地鐵A型車（車寬3米/3.2米）和B型車（車寬2.8米）均全面采用國際上普遍應用的無搖枕轉向架。這種轉向架具有結構簡單、零部件少、重量輕、維修工作量少等優(yōu)點。轉向架采用兩系懸掛減振結構，一系采用金屬橡膠疊層結構，二系采用空氣彈簧，并設有高度自動調(diào)整閥，通過排氣和供氣，自動調(diào)整車輛地板面高度，使之與站臺面相匹配。地鐵A型車、B型車、線性電機車、單軌車、低地板輕軌車等所有不同類型車輛的轉向架均在我國國內(nèi)生產(chǎn)。4.技術特點運輸能力城市軌道交通由于高密度運轉，列車行車時間間隔短，行車速度高，列車編組輛數(shù)多而具有較大的運輸能力。單向高峰每小時的運輸能力最大可達到6萬8萬人次（市郊鐵道）；地鐵達到3萬6萬人次，甚至達到8萬人次；輕軌1萬3萬人次，有軌電車能達到1萬人次，城市軌道交通的運輸能力遠遠超過公共汽車。據(jù)文獻統(tǒng)計，地下鐵道每公里線路年客運量可達100萬人次以上，最高達到1200萬人次，如莫斯科地鐵、東京地鐵、北京地鐵等。城市軌道交通能在短時間內(nèi)輸送較大的客流，據(jù)統(tǒng)計，地鐵在早高峰時1h能通過全日客流的17%20%，3h能通過全日客流的31%。準時性城市軌道交通由于在專用行車道上運行，不受其他交通工具干擾，不產(chǎn)生線路堵塞現(xiàn)象并且不受氣候影響，是全天候的交通工具，列車能按運行圖運行，具有可信賴的準時性。速達性與常規(guī)公共交通相比，城市軌道交通由于運行在專用行車道上，不受其他交通工具干擾，車輛有較高的運行速度，有較高的啟、制動加速度，多數(shù)采用高站臺，列車停站時間短，上下車迅速方便，而且換乘方便，從而可以使乘客較快地到達目的地，縮短了出行時間。舒適性與常規(guī)公共交通相比，城市軌道交通由于運行在不受其他交通工具干擾的線路上，城市軌道車輛具有較好的運行特性，車輛、車站等裝有空調(diào)、引導裝置、自動售票等直接為乘客服務的設備，城市軌道交通具有較好的乘車條件，其舒適性優(yōu)于公共電車、公共汽車。安全性城市軌道交通由于運行在專用軌道上，沒有平交道口，不受其他交通工具干擾，并且有先進的通訊信號設備，極少發(fā)生交通事故。充分利用空間大城市地面擁擠、土地費用昂貴。城市軌道交通由于充分利用了地下和地上空間的開發(fā)，不占用地面街道，能有效緩解由于汽車大量發(fā)展而造成道路擁擠、堵塞，有利于城市空間合理利用，特別有利于緩解大城市中心區(qū)過于擁擠的狀態(tài)，提高了土地利用價值，并能改善城市景觀。運營費用較低城市軌道交通由于主要采用電氣牽引，而且輪軌摩擦阻力較小，與公共電車、公共汽車相比節(jié)省能源，運營費用較低。環(huán)境污染低城市軌道交通由于采用電氣牽引，與公共汽車相比不產(chǎn)生廢氣污染。由于城市軌道交通的發(fā)展，還能減少公共汽車的數(shù)量，進一步減少了汽車的廢氣污染。由于在線路和車輛上采用了各種降噪措施，一般不會對城市環(huán)境產(chǎn)生嚴重的噪聲污染。4.信號系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的相互影響及總結保證信號系統(tǒng)的安全性可以從設備、設計、電路三方面著手：信號系統(tǒng)中的安全-關鍵設備( 指那些一旦有故障可引起撞車、脫軌等危險情況發(fā)生的設備) , 應采用嚴格隱患分析或其它分析方法來進行鑒定。信號系統(tǒng)設計要基于認可的安全分析和審核程序, 并執(zhí)行故障-安全設計原則, 單個故障不能產(chǎn)生非安全輸出。號系統(tǒng)中所有冗余的車載、軌旁設備單元應采用熱備方式, 單個設備故障時, 系統(tǒng)應不受影響保持正常工作, 從而確保系統(tǒng)的安全完整性。所有安全- 關鍵的電路、系統(tǒng)應經(jīng)過嚴格的測試與認證, 以保證它們在發(fā)生故障時可回到安全狀態(tài)。設計應依據(jù)最大程度降低故障發(fā)生的可能性來執(zhí)行, 例如采用錯誤檢測、“看門狗”電路、動態(tài)邏輯、合理性檢查和周期性復查等。但實踐證明，絕對不發(fā)生危險側故障是不可能的，只能采取措施使危險側故障發(fā)生的概率盡可能小而已。實際上，系統(tǒng)和設備的RAMS是密切相關的，采取冗余措施對于提高系統(tǒng)RAMS是很有效的。八大系統(tǒng)組成了城市軌道交通系統(tǒng)。列車平穩(wěn)地運行要靠八大系統(tǒng)安全的運行。信號系統(tǒng)作為城規(guī)系統(tǒng)中的安全系統(tǒng)任重而道遠。然而其安全的運行也離不開供電系統(tǒng)給予的安全平穩(wěn)的電流，離不開環(huán)控系統(tǒng)為其提供舒適安全的環(huán)境，離不開給排水消防系統(tǒng)為其預防危險的災難因此，系統(tǒng)之間的關聯(lián)性要求每個系統(tǒng)的RAMS都要很高這樣城軌整個系統(tǒng)才能安全高效的運行