城市地鐵工程通信信號系統安全性研究

現代城市道路交叉縱橫，交通日益擁擠。發展以城市地鐵為骨干的大運量快速公共交通系統是解決城市客運交通問題的根本途徑，這一點已成為業內人士的共識。目前，我國的城市軌道交通(主要是地鐵)建設正面臨史無前例的高潮。北京、上海、廣州等城市每年都以40～50千米、百億元以上的投資速度推進，目前已獲批的15個城市也正在進行地鐵建設。

但由于地鐵運營環境的特殊性，地鐵如突發安全事故，乘客緊急逃生十分困難，容易造成群死群傷。而通信、信號系統是城市地鐵工程中的重要組成部分，用于指揮地鐵列車運行、進行運營管理、公務聯絡和傳遞語音、文字、數據及圖像等各種信息，是保證地鐵列車安全、有序、快速、正常運行，提高運輸效率，實現列車自動控制的關鍵系統設備。同時在發生事故情況下，也是應急處理、搶險救災的基本保障措施之一。

通信系統由專用通信系統、民用通信系統和公安通信系統三部分組成。三套通信系統構成傳送語音、文字、數據和圖像等各種綜合業務通信網，以滿足城市地鐵運營和管理的要求。

信號系統通常指地鐵列車自動控制(ATC)系統。ATC系統可由三個子系統組成，即列車自動監控(ATS)子系統、列車自動防護(ATP)子系統(含聯鎖功能)和列車自動運行(ATO)子系統。信號系統必須以安全、可靠、技術先進實用和經濟合理為宗旨，必須滿足確保行車安全、提高運輸效率和改善服務質量的要求。

近年來，因通信、信號系統故障引發的事故時有發生，如：(1)2008年6月底，廣州地鐵3號線為了壓縮行車間隔，在調試過程中系統不穩定，導致列車連續兩天因故障停運。(2)2009年6月22日，美國華盛頓哥倫比亞特區發生一起兩列地鐵列車相撞事故，至少有9人喪生、70余人受傷。事故原因是電腦自動控制系統故障、剎車失靈等某一原因或多重因素所致。(3)2009年12月22日，上海地鐵1號線發生兩車側撞導致一車沖出軌道和乘客受困的事故，引起地鐵全線癱瘓。上海地鐵方面稱事故原因為信號或操作問題。

此外，在日常運營中因通信、信號系統故障引發的地鐵列車延誤等故障也不鮮見。如2009年9月16日上海地鐵3號線上海南站往石龍路方向列車因信號故障造成列車晚點，影響時間10分鐘以上。

一、通信、信號系統危險、有害因素分析

通信、信號系統可能存在的危險、有害因素主要有：

1)系統失靈影響行車安全。造成系統失靈的原因有：①系統設備受到電機牽引所產生的諧波電流、外界電磁波、靜電、雷擊、雜散電流腐蝕等干擾或破壞，引起系統故障或損壞，導致信息破壞或丟失。②在南方沿海的梅雨季節或臺風暴雨季節，地鐵內濕度增加，電子元件可能受潮、浸水等引起設備失靈或損壞。過高、過低的溫濕度或溫度劇烈變化也可能導致元件電參數變化、水汽凝結及尺寸變化等后果，對設備造成影響。(3)震動易造成弱電設備元件接點脫落、接插件松動、接觸不良、部件損壞等。

2)系統硬件設施對系統運行環境的影響主要有：(1)系統設備質量低下、性能不穩定、元器件使用壽命短和抗干擾能力差等，容易使系統設備發生故障或損壞，輕則造成站點與控制中心失去通信聯系，重則造成整個地鐵線路癱瘓。(2)通信、信號系統均為電子設備和電子計算機設備組成的綜合系統。電子元件及其設備由于散熱不良、故障、電氣線路老化短路及用電不當等人為因素會引起火災。(3)系統設備接地不當，可能由于外界原因使通信、信號設備及其元器件損壞或擊穿，導致通信、信號系統故障，甚至危及人身安全。(4)線路布置不當，容易引起線路故障。(5)隧道內托板架侵入設備限界或車載天線超出車輛限界等，都會引起車載通信、信號設備發生損壞，導致意外事故的發生。

3)人為因素導致系統故障、影響行車安全：(1)系統電源斷電。(2)運營操作人員違章操作或操作失誤，引起系統設備故障或燒毀，甚至發生人身傷亡事故。(3)敷設在控制中心及正線地下區段的通信、信號系統內外電纜遇明火、老鼠嚙咬短路或其他原因存在火災危險。(4)系統的計算機網絡由于存在安全漏洞，很容易受到惡意軟件、木馬、病毒的破壞和黑客的攻擊，可能導致網絡系統故障、數據丟失或錯亂直至系統癱瘓。(5)系統未經安全檢測和調試合格就投入使用，難以保證系統正常運行，容易發生安全事故。

二、通信、信號系統安全性

根據以上危險、有害因素分析，結合現有國家及行業有關安全法律法規標準的要求，對通信、信號系統在系統設計、軟硬件配置、安裝維護等方面，提出一些合理可行的安全對策措施和建議。

1 通信系統

1)系統傳輸能力要求：地鐵各種信息傳輸要求必須具有大容量、低成本、標準化和高可靠性的通信傳輸手段。為滿足地鐵通信各子系統和信號、電力監控、防災、環境與設備監控系統和自動售檢票等系統信息傳輸的要求，應建立以光纖通信為主的傳輸系統網絡。

2)自愈性要求：0)系統應具有網絡自愈特性，光纜線路、傳輸設備的重要部件均應具有備份保護及故障自動切換功能，主要設備和網絡需采用熱備冗余配置。(2)傳輸系統應從網絡安全可靠性考慮，在控制中心、停車場／車輛基地、各個車站各設置一套傳輸設備，通過隧道兩側光纜的光纖隔站跳接，組成兩個傳輸系統自愈環網，確保各種行車安全信息及控制信息不間斷地可靠傳送。

3)應急手段要求：(1)在各車站、車輛段綜合控制室以及車輛段的消防控制室等地點應設置防災、環境與設備監控系統調度電話分機。公務電話通信網的程控電話應自動將“119”、“110”等特種業務呼叫轉接到市公眾電信網的相應特服號，并具備電話跟蹤功能。(2)地鐵應設置無線通信系統，為控制中心調度員、列車司機、車站、車輛綜合基地值班員和現場移動工作人員提供無線通信聯絡，且必須具有選呼、組呼、全呼幾種方式、多級優先呼叫功能和網絡管理功能，并具備顯示、錄音、檢索等存儲、監測功能。同時應將市網、公安無線系統和消防無線調度系統引入地下，以滿足在火災或緊急事故情況下搶險救災的要求。

4)系統保障要求：在地鐵沿線敷設的光纜、電纜等管線結構，應選擇符合雜散電流腐蝕防護的材質、結構設計和施工方法。隧道內的通信電纜、光纜應以絕緣方式進行敷設。地鐵敷設光纜不設屏蔽地線，但接頭兩側的金屬護套及金屬加強件應相互絕緣，光纜引人室內應做絕緣接頭。(1)系統電源設備應滿足通信設備對電源的要求，必須是獨立的供電設備并具有集中監控管理功能，保證對通信設備不間斷、無瞬變地供電。地鐵通信設備應按一級負荷供電，即由變電所接雙電源雙回路的交流電源至通信機房交流配電屏，當一路出現故障時，應能自動切換至另一路。采用綜合不間斷電源UPS對各通信設備供電時，不間斷電源的蓄電池組容量應保證連續供電不少于4小時。(2)通信設備的接地系統設計，應做到確保人身、通信設備安全和通信設備的正常工作。建議在控制中心、各車站、停車場／車輛基地均設置一組地線接地裝置，接地電阻≤1歐，并采用反屏蔽接地方式。

2 信號系統

1)系統的形式與完整性要求：(1)系統(特別是最大通過能力不小于30對的運營線路)應采用完整的ATC閉環系統，以實現列車完整的無人駕駛自動控制，滿足行車指揮自動化和列車超速防護的要求。(2)系統設備按所處地域應包括控制中心系統、車站及軌旁系統、車載設備系統和車輛段及停車場系統。若缺少其中任一區域子系統，就無法實現地一車控制結合、現地控制與中央控制結合，也就構不成一個完整的列車自動控制系統。(3)當前地鐵信號系統可具有下列主要ATC制式：固定閉塞式、準移動閉塞式和移動閉塞式。固定閉塞和準移動閉塞以軌道電路、信標作為車一地通信媒介，只能實現連續的軌旁至車載的單向通信，無法實現連續的車對地的信息傳輸，因而地面無法連續、實時地了解列車及設備的運行情況，也就無法實現地面對列車的連續監測，無法滿足無人駕駛的要求。所以，為實現地鐵交通網絡最大限度地互聯互通，根據信號技術發展的主流，應選擇無線移動閉塞ATC系統。

2)“故障一安全”原則：(1)凡涉及行車安全的信號設備必須滿足“故障一安全”原則。即地鐵信號設備在發生障礙、錯誤、失效的情況下，應具有導致減輕以至避免損失的功能，以確保行車安全。其措施主要有：①為防止人的錯誤操作而出現的各種聯鎖及閉塞技術等。②故障后使功能軟化或降級使用技術，滿足故障復原的需要。如自動閉塞中綠燈燒壞改亮黃燈的技術。③應急頂替技術，如電源故障時利用蓄電池供電的技術。④檢測、報警和預防性養護的技術。⑤冗余技術，如多重設備。⑥器件的降額使用技術，如信號燈泡的降壓使用等。(2)系統應具有較高的安全性和可靠性，并具備多級后備降級模式。當信號系統發生故障時，ATC系統控制等級應遵循降級運行，按車站人工控制優先于控制中心人工控制、控制中心人工控制優先于控制中心的自動控制或車站自動控制的原則來確保運營安全。系統須經安全檢測、認證并批準后使用。(3)在ATC控制區域內使用限制模式或非限制模式時，應有破鉛封、記錄或特殊控制指令授權等技術措施。(4)導致列車停車是ATP系統設計的最高安全準則。任何車一地通信中斷以及列車非預期移動(含退行)、列車完整性電路的中斷、列車超速(含臨時限速)、車載設備故障等應產生安全性制動。在車站站臺及車站控制室應設置站臺緊急關閉按鈕：在車站控制室應設置具有備份、監視和緊急處理功能的綜合后備控制IBP盤，以支持發生緊急事件時的控制。(5)ATO系統在ATP系統的安全防護下實現列車自動駕駛、完成運行自動調整，在設有屏蔽門的情況下，應能控制站臺屏蔽門與列車車門的開、閉按預定順序動作，ATO的定點停車精度要求在±0.25米以內，以免發生上下車的乘客被車門或屏蔽門夾住等機械傷人事故。

3)系統保障要求：(1)系統設備應由綜合不間斷電源UPS設備統一供電，并按一級負荷供電。車上設備應由車上直流電源直接供電或經變流設備供電。(2)為防止火災發生時引起電線電纜燃燒，產生濃煙霧、毒氣等，給救援和乘客逃生帶來嚴重困難，信號系統線路宜采用阻燃、低毒、防腐蝕護套電纜。地面電纜應采用直埋或管道方式敷設。(3)高架和地面線的室外信號設備、與外線連接的室內信號設備必須設置防雷設施。信號設備應設工作地線、保護地線、屏蔽地線和防雷地線等；地鐵信號設備的接地宜接入綜合接地系統，也可采用分設接地方式；信號設備室應通過主接地板接地。室外電纜屏蔽和防雷器的接地，宜通過設于電纜引入口的接地板與主接地板相連。車載信號設備的地線應經車輛的接地裝置接地。控制中心、車站、車輛綜合基地、停車場信號系統地線應接人各系統共用的綜合接地系統，綜合接地系統接地電阻值應≤1歐。

三、通信、信號設備用房安全性

良好的機房環境是通信、信號系統正常運行的重要保證。合理有效地充分利用通信機房，提高通信、信號網絡安全防護水平，對于設備的運行維護、快速處理設備故障、降低成本等具有十分重要的意義。

設備用房可能存在的缺陷有：(1)機房環境不符合或者達不到要求，可能存在粉塵、潮濕、靜電、火災和震動等危害。(2)安全配套設施跟不上通信建設擴容或超負荷運行的要求。(3)人為因素造成損害，如維護不良、操作不當和人為破壞等。

針對可能存在的安全問題，應采取的安全技術措施主要有：(1)設備用房的位置安排，應做到經濟合理、運轉安全，并考慮滿足線路遠期擴展的需要，預留適當的運營間隔，以備設備增加、更新倒換等。(2)在機房裝修、安全設施配置等方面，應滿足設備及各種元器件的防塵、防潮、隔音、防火、防震和防靜電等要求。特別是應設置通風空調系統，在區間阻塞和火災時與事故風機聯合運行，保證區間事故通風要求。(3)設置火災報警探測器和氣體自動滅火裝置。(4)加強對機房環境的維護管理。

四、結束語

城市地鐵工程具有周期長、技術復雜、不可預見風險因素多和對社會環境影響大等特點，屬于高風險工程。只有進行科學的規劃、設計和施工，構建通信、信號系統的本質安全，加強通信、信號系統日常管理，并建立突發事件的應急救援體系，才能減少甚至杜絕城市地鐵工程安全事故的發生，降低事故災害造成的危害和損失，確保城市地鐵的可持續發展。

(編輯 陳志華)