轨道交通信号系统安全技术的发展和研究现状.docx

轨道交通信号系统的创新与实践 Beijing Jiaotong University 轨道交通信号系统的创新与实践轨道交通信号系统安全技术的发展和研究现状学 院：电子信息工程学院姓 名：马福文学 号：15211172班 级：通信1507指导教师：袁磊时 间：2017.07.11轨道交通信号系统安全技术的发展和研究现状【摘 要】轨道交通系统作为大容量公共交通工具，其安全性直接关系到广大乘客的生命安全，信号系统作为保证列车安全、正点、快捷、舒适、高密度不问断运行的重要技术装备在轨道交通系统中有着举足 轻重的地位。 随着计算机技术在轨道交通信号系统中的应 用，原有的安全保障技术和方法已不能满足越来越高的安全要求。为了使相关研究人员了解和应用国外信号系统的安全技术方法，笔者从科学技术发展的角度探讨了信号系统安全技术和专业术语的历史演变，对于一些重要的术语进行了比较和解释；从国外最新的相关 研究成果和安全标准来看，在系统开发之前需要进行系统的前期安全评估，对于潜在的危 险和故障进行分析和记录，作为研发过程中主要解决的安全问题；关于安全技术和意识问题应当贯穿干信号系统设计、开发、生产 、装备、维护过程中，而不是等到系统研发出来之后再考虑安全问题。【关键词】轨道交通；信号系统；故障安全；安全苛求系统中图分类号： 文献标志码：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. 引言轨道交通一般是指车辆在轨道上运行的运输方式，它是以机车车辆等移动设备和轨道线路、桥梁隧道等固定设备为基本设备，以车站运输生产基地的实现旅客和货物运输的庞大系统，包括高速铁路、干线铁路及城市轨道交通。轨道交通的特点是列车在轨道上运行、不能随意越行，只能通过道岔使列车由一条线变换到另一条线。轨道交通系统作为大容量公共交通工具，其安全性直接关系到广大乘客的生命安全，为保证该系统有计划、有组织 、安全 、高效地运行，需要有制定行车计划和组织行车的行车组织系统、保障各个部门协调工作的通信联络系统及指挥列车按计划、安全、高效运行的信号系统 。由于微电子、信息 、网络 、通信技术，特别是计算机技术在铁路信号的各个领域的广泛应用，促进了信号技术的大发 展，信号技术和产品正经历由传统的继电逻辑、模拟电路、分散孤立的控制模式向数字化、网络化、智能化和综合化发展的升级换代的历史转变。由此信号系统安全术语和技术也在 不断地更新和发展，由传统的故障一安全技术 (FailSafe)、至关重要的计算机(VitalComputer)到现在安全苛求系统(Safety CriticalSystem)。如何从科技发展的角度和中英文的内涵来确切把握上述术语的演变，对于研究和应用信号系统安全技术具有指导性意义。2.铁路信号的作用21轨道交通信号系统是轨道交通中保证行车安全、提高区间和车站通过能力以及编解能力 的是手动控制、自动控制以及远程控制技术的总称。它由车站信号系统、区间信号系统和列 车运行控制系统3部分构成(见图1)。图1轨道交通信号系统构成框图其中联锁设备组成如图2-2所示控制台及表示盘联锁设备信号控制信号表示道岔控制道岔表示进路控制进路表示图2-2(1) 区间信号系统在区间信号系统中，防止列车突的传统做法是把铁路线路划分成许多线段，在车站之间的线段成为区间，在车站内的线段称作进路。对于区间来说，以检查前方区间内确实无车存在，即在 空闲状态时，防护该区间的信号才能开放。信号开放后，区间就处于“闭塞 ”状态，区间另 一端的防护信号(如果有此信号的话 )就不能开放了。列车一旦根据信号显示进入区间后，该信号立即关闭。这样就保证在一个区间内仅有一个列车运行，防止了列车冲突事故的发生。这类保证列车在区间运行安全的信号系统称作区间闭塞系统。实际上，可将区间再划分为几个分区，允许几个列车在区间运行，这就提高了区间通过能力，或者说缩短了列车的追踪间隔提了运输效率。(2) 车站信号系统对于车站信号系统来说，需要在车站进路的入口设置信号予以防护 。在信号开放时不仅要检查进路空闲，而且，要检查进路中道岔是否正确，还要检查是否和其他进路发生冲突等，只有在进路空闲、道岔位置正确并锁闭(不能再操纵)和可能发生冲突的进路(称作敌对进路)没有办理并已锁闭(不能再办理)的条件下，信号才能开放。列车驶入进 路后，防护信号应立即关闭。车离开了进路中的道岔区域后，道岔和敌对进路才允许解锁。 由此看来，为了保证行车安全，信号、道岔与进路之间必须以技术手段保持一定的制约关系 和操作顺序，常称这种制约关系和操作顺序为联锁。(3) 列车运行控制系统列车运行控制系统是用于控制列车运行速度保证行车安全和提 高运输能力的控制系统，包括机车信号、列车超速防护系统、自动停车系统和列车自动运行系统。信号系统安全技术发展安全始终是信号系统发展的主旋律，保证铁路行车安全。随着铁路信号技术的发展和铁路信号的广泛应用，铁路信号也成为提高铁路区间和车站通过能力、增加铁路运输经济效益、改善铁路员工劳动条件的一种现代化科学管理手段和技术。22设备部分图3.1-3信号机：如图3.1-3.目前城市轨道交通采用的信号机主要采用发光二极管半导体发光器件作为光源。因此在选择发光二极管半导体发光器件时应该考虑安全问题，除材料外还有窜光、灯丝断裂、点灯冲击电流等安全隐患。解决办法：选择材料器件时应该满足轨道交通RAMS标准；而选择组合式色灯信号机或者透镜式色灯信号机能够有效避免窜光问题；LED色灯信号机可以消除灯丝突然断丝和点灯冲击电流等问题。信号机电灯电路是安全电路，设计电路时既要考虑断线保护，又要考虑混线防护。信号机电灯电路断线即要灭灯；信号机电灯电路要具有灯丝报警电路。图3.2-3继电器: 如图3.2-3.它在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。信号继电器室组成信号系统的基本器材，必须符合“故障安全”准则（即当设备、器材、元件发生故障时，其后果必须是导向安全侧），除此之外还有在继电器所处的环境温度下，对于所承受的电流来说如散热不良，会损坏输出半导体器件；由于交变的dv/dt问题，会有半周波动等。解决方法：当控制信号机开关的灯丝继电器故障时，一定只能导致信号机点红灯，强制停车；散热不良时应使用较大的或更有效的散热片；有半周波动时采用缓冲器是有帮助的。转辙机：如图3.3-3.它的基本任务是转换道岔、锁闭道岔和反映道岔的位置和状态。它存在的安全隐患有由设置整流子而引起的故障,由挤切销劳损造成的惯性故障等故障。图3.3-3解决方法：采用交流三相电动机可从根本上解决整流子而引起的故障，还可以提高寿命；采用直径32mm的滚动珠丝杠作为驱动装置可以延长转辙机寿命；采用具有簧式挤脱装置的保持联结器，并选用不可挤型零件，从根本上解决了由挤切销劳损造成的惯性故障；采用多片干式可调摩擦联结器，经工厂调整加封，使用中无需调整。（多选用S00K型电动转辙机）图3.4-3轨道电路：如图3.4-3它是以列车运行线路的两根铁轨作为导体，两端加以电气绝缘或电气分割，并接上送电和受电设备构成的电路。既然是电路必定会有电源、负荷，因此存在负荷过大的安全隐患；某些交流电路还会存在相位偏差；相邻钢轨之间会有联系导致“串音”现象；在道床条件恶劣时，会发生“红光带”及“压不死”现象；钢轨损坏引起的短路问题等。解决方法：采用抗电器可以保护电源设备不因过负荷损坏，并保证在列车占用轨道电路是，轨道继电器能可靠落下，还能调整相位；钢轨绝缘可以分隔相邻轨道电路，从电的方面加以绝缘，但它们仍可通过地面联系；改善轨道条件、改进电路、提高检测信息的差别等可以有效改善“红光带”及“压不死”现象；轨道电路设计原理“故障安全”能够有效防止由钢轨损坏引起的安全问题。（采用数字无绝缘轨道电路可提高轨道电路的可靠性）联锁设备:联锁设备经历了以下几个阶段:机械联锁、电机联锁、继电联锁和计算机联锁。但是前几项技术都不能满足地铁运营要求，存在很多安全隐患，因此国内地铁正线均采用计算机连锁。提高联锁设备安全性和可靠性的措施：利用冗余技术，使其自身构成容错控制系统；采用有结果比较的计算机2次处理和采用带有结果比较的多机并行处理，即“一硬二软结构和一软多硬结构 ”（后面会有提及）。3.技术发展德国的动车技术系列、加拿大的动车技术系列、法国的动车技术系列等轨道交通技术代表着世界先进水平，我国轨道交通技术通过近几年的引进和开发，也基本达到世界先进水平，但关键的牵引控制技术仍以国外产品为主。从20世纪90年代建设的上海1号线和广州1号线地铁开始，我国城市轨道交通建设广泛采用各国最新技术装备，已经建成了具有世界一流技术水平的城轨交通系统，但轨道交通技术仍处于引进、消化、吸收和创新阶段。采用交流传动技术20世纪90年代前，世界各国均采用切换电阻的有级调速直流电机系统或采用电力电子控制的无级斩波调压调速直流电机系统。1990年，可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅晶体管（IGBT）元件出现后，发达国家地铁开始采用直-交变频、变压调速交流电机的交流传动系统。我国从20世纪90年代开始，除上海1号线地铁外，所有新建地铁线、单轨线、轻轨线均采用IGBT模块的交流传动系统。交流传动车与直流传动车相比，用电量能降低40%；由于采用再生制动，闸瓦用量减少一半以上；车轮磨耗小，车轮更换周期延长；交流电机维修工作量很小。转向架地铁A型车（车宽3米/3.2米）和B型车（车宽2.8米）均全面采用国际上普遍应用的无摇枕转向架。这种转向架具有结构简单、零部件少、重量轻、维修工作量少等优点。转向架采用两系悬挂减振结构，一系采用金属橡胶叠层结构，二系采用空气弹簧，并设有高度自动调整阀，通过排气和供气，自动调整车辆地板面高度，使之与站台面相匹配。地铁A型车、B型车、线性电机车、单轨车、低地板轻轨车等所有不同类型车辆的转向架均在我国国内生产。4.技术特点运输能力城市轨道交通由于高密度运转，列车行车时间间隔短，行车速度高，列车编组辆数多而具有较大的运输能力。单向高峰每小时的运输能力最大可达到6万8万人次（市郊铁道）；地铁达到3万6万人次，甚至达到8万人次；轻轨1万3万人次，有轨电车能达到1万人次，城市轨道交通的运输能力远远超过公共汽车。据文献统计，地下铁道每公里线路年客运量可达100万人次以上，最高达到1200万人次，如莫斯科地铁、东京地铁、北京地铁等。城市轨道交通能在短时间内输送较大的客流，据统计，地铁在早高峰时1h能通过全日客流的17%20%，3h能通过全日客流的31%。准时性城市轨道交通由于在专用行车道上运行，不受其他交通工具干扰，不产生线路堵塞现象并且不受气候影响，是全天候的交通工具，列车能按运行图运行，具有可信赖的准时性。速达性与常规公共交通相比，城市轨道交通由于运行在专用行车道上，不受其他交通工具干扰，车辆有较高的运行速度，有较高的启、制动加速度，多数采用高站台，列车停站时间短，上下车迅速方便，而且换乘方便，从而可以使乘客较快地到达目的地，缩短了出行时间。舒适性与常规公共交通相比，城市轨道交通由于运行在不受其他交通工具干扰的线路上，城市轨道车辆具有较好的运行特性，车辆、车站等装有空调、引导装置、自动售票等直接为乘客服务的设备，城市轨道交通具有较好的乘车条件，其舒适性优于公共电车、公共汽车。安全性城市轨道交通由于运行在专用轨道上，没有平交道口，不受其他交通工具干扰，并且有先进的通讯信号设备，极少发生交通事故。充分利用空间大城市地面拥挤、土地费用昂贵。城市轨道交通由于充分利用了地下和地上空间的开发，不占用地面街道，能有效缓解由于汽车大量发展而造成道路拥挤、堵塞，有利于城市空间合理利用，特别有利于缓解大城市中心区过于拥挤的状态，提高了土地利用价值，并能改善城市景观。运营费用较低城市轨道交通由于主要采用电气牵引，而且轮轨摩擦阻力较小，与公共电车、公共汽车相比节省能源，运营费用较低。环境污染低城市轨道交通由于采用电气牵引，与公共汽车相比不产生废气污染。由于城市轨道交通的发展，还能减少公共汽车的数量，进一步减少了汽车的废气污染。由于在线路和车辆上采用了各种降噪措施，一般不会对城市环境产生严重的噪声污染。4.信号系统与其他系统的相互影响及总结保证信号系统的安全性可以从设备、设计、电路三方面着手：信号系统中的安全-关键设备( 指那些一旦有故障可引起撞车、脱轨等危险情况发生的设备) , 应采用严格隐患分析或其它分析方法来进行鉴定。信号系统设计要基于认可的安全分析和审核程序, 并执行故障-安全设计原则, 单个故障不能产生非安全输出。号系统中所有冗余的车载、轨旁设备单元应采用热备方式, 单个设备故障时, 系统应不受影响保持正常工作, 从而确保系统的安全完整性。所有安全- 关键的电路、系统应经过严格的测试与认证, 以保证它们在发生故障时可回到安全状态。设计应依据最大程度降低故障发生的可能性来执行, 例如采用错误检测、“看门狗”电路、动态逻辑、合理性检查和周期性复查等。但实践证明，绝对不发生危险侧故障是不可能的，只能采取措施使危险侧故障发生的概率尽可能小而已。实际上，系统和设备的RAMS是密切相关的，采取冗余措施对于提高系统RAMS是很有效的。八大系统组成了城市轨道交通系统。列车平稳地运行要靠八大系统安全的运行。信号系统作为城规系统中的安全系统任重而道远。然而其安全的运行也离不开供电系统给予的安全平稳的电流，离不开环控系统为其提供舒适安全的环境，离不开给排水消防系统为其预防危险的灾难因此，系统之间的关联性要求每个系统的RAMS都要很高这样城轨整个系统才能安全高效的运行