影響上海軌道交通信號系統關鍵設備使用壽命的因素分析

范穎慧

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司,200235,上?！喂こ處?

?

影響上海軌道交通信號系統關鍵設備使用壽命的因素分析

范穎慧

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司,200235,上?！喂こ處?

以信號系統關鍵設備使用壽命為研究對象,對上海軌道交通線路多年運營中出現的故障及問題進行匯總,總結出影響信號系統關鍵設備使用壽命的九大重要因素為:設備固有因素，運行環境因素，系統接口因素，設計條件因素，規范及標準因素，操作使用因素，維護管理因素，技術更新因素，工程改造因素。

信號系統; 設備使用壽命; 因素分析

Author′s address Shanghai Rail Transit Maintenance Support Co.,Ltd.,200235,Shanghai,China

我國城市軌道交通建設進入發展的高峰期,北京、上海、廣州等特大城市已進入網絡化運營階段。目前已有多條早期開通運營線路已進入或已超越大修期,而且隨后會有越來越多的運營線路設備將迫近或進入大修期。設備的運行狀態和使用壽命已成為運營維護單位及管理部門所關心的重大問題,對運行設備的狀態評價及使用壽命評估的需求進而會愈發強烈。例如,上海軌道交通1號線、2號線及3號線均投用10年以上,其信號設備更換、報廢及系統大修改造大多依據設備實際使用情況及多年維護經驗,缺少必要的理論分析和評估手段作為依據 。因此,遵從科學發展觀、可持續發展的指導思想,應對信號系統關鍵設備使用壽命進行充分論證。

本文以信號系統關鍵設備使用壽命為研究對象,對上海軌道交通線路多年運營中出現的故障及問題進行匯總,并結合實例對故障原因加以分析,總結出影響信號系統關鍵設備使用壽命的重要因素。

1 信號系統關鍵設備使用壽命

設備自投入運用到運用被終止的時間是設備的使用壽命。設備投入運用通常可從安裝結束并通過驗收開始。但什么時候終止運用,則存在多種影響因素,例如設備固有可靠性,而影響設備固有可靠性的設備運行環境、維護保障手段、替換部件質量、軟件升級、工程改造和外損等因素,以及維護成本、維修成本、政策法規、技術進步、安全要求、功能升級等其他因素。

文獻[1]對鐵路信號系統設備的大修周期做了規定:一般信號設備大修周期為15 a; 計算機聯鎖、TDCS (調度指揮管理系統)、CTC (調度集中控制系統)、CTCS (中國列車控制系統)、機車信號、微機監測、駝峰自動化等電子系統設備為10 a; 顯示器、打印機、繪圖儀等終端設備,是計算機聯鎖、TDCS、CTC、CTCS、機車信號、微機監測、駝峰自動化等電子系統的有機組成部分,大修周期應滿足系統使用整體性能的要求。此外,文獻[1]規定,如遇到系統及設備在使用中磨耗或老化,已不能保證行車安全和正常使用時,或不能滿足運輸擴能和安全保證需求時,或屬于淘汰設備、器材或維修配件沒有供應來源而不能保證使用時,可提前進行大修。文獻[2]規定地鐵信號系統的壽命周期為15～20 a。但在實際執行過程中,考慮前面所述的影響終止運用的多種因素和標準規范中所給出的模糊判斷要求,使用維護單位很難給出某個設備終止運用的確切時間點。所以,確定或判斷運營設備的使用壽命存在難以把握的模糊區[3]。

2 影響上海軌道交通信號系統關鍵設備使用壽命諸因素

上海軌道交通目前已有14條運營線路,無論是系統制式,還是系統結構或設備類型都各有不同。

表1為上海軌道交通各線的開通時間和運營時間。從表1中可以看出,運營時間最長的1號線,至今已運營20 a,現已開始實施信號設備大修改造工程。2號線及3號線的運營時間均為約15 a。

表1 上海軌道交通各線運營時間情況表

目前上海軌道交通主要有固定閉塞、準移動閉塞及移動閉塞3種信號系統制式(如表2所示)。其中,采用固定閉塞制式的線路有1、5號線,采用準移動閉塞制式的線路有2、3、4號線,采用移動閉塞制式的線路有6～13號線、16號線。

從使用年限的角度,在固定閉塞及準移動閉塞系統制式下,軌道電路、聯鎖設備、道岔及車載ATP (列車自動保護)設備是關鍵設備,對系統安全起到關鍵作用,對運營安全和運營效率也有重要影響。

從系統制式的角度,采用CBTC (基于通信的列車運行控制)移動閉塞制式的線路已占上海軌道交通全網線路的60%以上。而 CBTC技術作為主流的軌道交通信號技術,也將應用于越來越多的城市。

根據上海軌道交通近年來發生的設備或部件故障,以及由此引起的設備或部件替換,可分析影響上海軌道交通信號系統關鍵設備使用壽命的多種因素。

表2 上海軌道交通制式情況表

2.1 設備固有因素

設備固有因素決定了設備的固有可靠性。設備固有可靠性是設備設計制造者必須確立的可靠性,取決于產品的設計、制造與材質;按照可靠性規劃,從原材料和零部件的選用,經過設計、制造、試驗、直至設備出產等各階段所確立的可靠性。設備的固有可靠性越高,設備可以無故障工作的時間就越長。

2.1.1 故障案例1

某站發現ZC(區域控制器)及PMI(聯鎖設備)指示跳紅。這表明該控區與中央控制器及其他控制區域的通信中斷。該系統網絡結構如圖1所示。系統骨干網網絡結構為環狀結構,相鄰兩控制區域(控區一與控區二)。控區二SD2 (保密器件2)與MC (媒體轉換器)相連,而控區二MC與控區一MC相連,控區一MC與控區一骨干網交換機相連。

經分析,當控區一骨干網交換機發生故障時,其實是控區二的SD2斷開了網絡。網絡波動會導致控區二SD主備機切換。當SD2切換成主機時,無法連接網絡,于是又切換到備機,從而引起控區二與中央及相鄰控區的通信中斷,ZC及PMI跳紅。為解決此故障,可修改系統設計。將MC更換為赫斯曼骨干網交換機MS20(BBSW)并接入骨干網。

圖1 某站控制系統網絡結構示意圖

2.1.2 故障案例2

某站的ATS (列車自動行車系統)發生了顯示綠燈信號機故障。該故障導致列車在后備模式下通過該信號機時觸發了緊急制動。

后經檢查分析,由于隧道清洗、雨天積水或空氣濕度大等原因造成了箱盒內進水,從而造成線圈短路,進而引起了室內空氣開關跳閘,形成了ATS顯示綠燈信號機故障。

為解決此類故障并預防此類故障的發生,現把所有不防水線圈全部更換為防水線圈,同時對箱盒進行了密封處理。

2.1.3 固有因素影響分析

從上述案例可以看出,設備的固有因素將影響其使用壽命。

近年來,隨著科學技術的不斷發展,國外設備供應商不斷引入,電子設備集成度也不斷提高。受這些因素的影響,信號設備從單個部件到整體系統,從生產工藝到設計理念,都發生了顯著的變化。電子設備的設計和生產工藝,除了滿足工作性能的要求外,還必須滿足加工制造要求、電路及元器件性能指標實現的要求,以及產品的架構或結構要求。隨著電子技術的發展,電子設備的結構和構成形式也隨之發生變化。起初,設備結構往往較為簡陋,而后不斷發展,形成功能復雜的設備。相應地出現了將復雜設備分為若干部件,并建立結構級別的先進方法。而密閉及減振等功能也都是為了進一步降低溫濕度及振動等外在因素對設備造成的影響。

設計理念、原材料及生產工藝等因素是影響設備壽命的重要因素,直接關系到電子設備的可用性、可靠性等。上海軌道交通7號線由于材質問題,其電纜、油管、熔斷器等部件在使用不足1年的時間就出現了因老化而導致轉轍設備故障的現象。因此,要對產品的關鍵部件、重要部件進行重點控制,認真抓好產品試制中的故障分析,充分做好研制試驗工作,確保電子設備在相應的工作環境和使用要求下,達到技術條件所規定的各項指標,穩定可靠地實現預期功能,提高產品的固有可靠性水平。

2.2 運行環境因素

設備所處的運行環境可分為硬環境和軟環境。硬環境是指自然環境及工業環境等,軟環境則主要指軟件環境或系統環境等。

一般來說,影響設備的硬環境包含工作時間、工作電壓、溫度、濕度、振動、壓力、沖擊、噪音、電磁場等。由于信號設備大多是電子設備,故其環境條件會嚴重影響設備的可靠性,甚至造成重大損失。根據1971年美國對機載電子設備全年的故障進行剖析發現,50%以上的故障是由不當的環境所致,而溫度、振動、濕度等3項環境條件造成了43.58%的電子設備故障。其中,由溫度引起的故障占22.2%,由振動引起的故障占11.38%,由潮濕引起的故障占10%。所以,溫度、振動及濕度等環境條件對電子設備及設備中電子元器件的影響必須引起足夠的重視。

就上海軌道交通來說,在梅雨季節或臺風暴雨季節,地鐵內濕度增加,電子元件可能因受潮或浸水等原因而出現設備失靈或損壞。過高、過低的溫濕度或溫度的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,進而對設備造成影響。除高溫、潮濕等因素對設備的影響外,積雪也會引起道岔結冰,不能正常操作或是失表等情況。此外,設備還會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,進而引起系統故障或損壞,甚至導致信息破壞或丟失。振動易造成弱電設備元件接點脫落、接插件松動、接觸不良及部件損壞等。系統設備接地不當,也會因外界原因而使通信、信號設備及其元器件損壞或擊穿,從而導致通信信號系統故障,甚至危及人身安全。

多種環境因素會對設備造成組合因素影響。這種組合環境因素往往比單一環境因素對電子元器件造成更大危害。例如,溫度和濕度的并存作用往往是引起電子元器件腐蝕的主要原因。在確定電子元器件設計特性時,應清楚了解各類環境因素及組合效應,及其對產品可靠性的影響程度。設計方案或試驗評價方案除了考慮單個環境因素影響外,還必須要考慮組合環境因素影響。

影響設備運行的軟環境則一般包括操作系統類型、軟件漏洞及網絡風暴等。個別軟件的安裝及使用對工作站及服務器的操作系統版本有一定限制。

2.3 系統接口因素

信號專業通過接口從外部系統采集機械狀態或電氣數據?？梢?接口的狀態直接或間接地影響信號設備的正常使用。一般來說,與信號系統有接口的外部系統及設備主要包括基礎設施(如GPS全局時鐘)、通信系統、供電系統,以及車輛等。

在信號系統對外接口中,有些接口故障可能會導致信號設備的功能性故障或暫時性故障,有些則會造成設備的機械性故障,甚至永久性損壞。其中,影響最大、最嚴重的接口故障當屬外電失電。車載設備需要經常采集車輛電氣數據。接口故障易造成信號設備單個元器件甚至整組配件報廢。此外,車體內線纜是預埋的。也曾有由于車輛接縫處密閉沒有做好而導致線纜銹蝕,或車廂掛接造成的車輛線纜接頭縮針而引起信號設備故障等情況。此外,上海軌道交通2號線曾發生過因列車制動率不夠而造成列車自動停站對位不準的情況。這也是由接口故障引起的。

信號設備故障還會也受到接口運行管理方式等的影響。例如,對信號設備進行操作時,在高額定電壓下操作可能導致設備損壞,在低于額定電壓下操作也可能導致設備故障。

2.4 設計條件因素

設計條件因素影響指由于設計限制,使設備在特殊環境或特殊條件下工作,或者由于設計變更或是設計本身存在缺陷,而導致實際設備與現場環境、技術指標等不相匹配,最終直接或間接的影響設備使用壽命。

由于設計條件因素可能會使信號設備在高溫或潮濕等惡劣環境下工作。如在夏季,高架區段的室外設備會在高溫狀態下長期持續工作,從而容易造成設備故障。此外,室外箱盒中的板卡大多未設有特殊緊固件,也會因列車經過而振動松脫。

除此之外,設計條件因素還有可能會造成設備變更、整改等情況,從而增加信號系統的建設成本及運營成本,增加維修難度,甚至會增加系統運行風險,降低信號系統的可用性及可維護性。

2.5 規范標準因素

軌道交通的建設及信號系統的使用必須符合相關規范標準。規范標準主要有設計規范、建設標準及維護規則等。規范標準中規定了某些系統、設備使用至一定年限必須更換。這也是設備使用壽命評價依據之一。

2.6 操作使用因素

設備的操作使用質量也是影響設備使用壽命的一項重要因素。在實際使用過程中,一方面要加強人員的日常操作培訓,另一方面也要加強維護操作管理。

2012年10月2日，在上海軌道交通3、4號線共線段中山公園站發生了一起5#/7#道岔失表故障。監測微機上顯示為220 V熔絲報警。經檢修人員更換220 V保險絲后，道岔恢復正常。經判斷，這是由啟動電流過高而導致的保險絲熔斷。回放現場情況發現，該站行車值班人員在夜間施工結束后的設備驗證過程中，曾對5#/7#道岔進行單操到定位；但道岔尚未到位時，值班員又進行了單操反位操作，從而造成電流過大，導致保險絲燒毀。

事后，運營說明及限制及時對類似設備的相關操作做出相應調整的規定：當排列進路、列車觸發防護進路、道岔單操所請求的道岔正在移動，ATS界面尚未顯示出道岔表示的13 s內，嚴禁發送對相關道岔位置相反的控制命令。操作人員可觀察道岔表示出現，或發現道岔表示不正常并等待13 s后，才能再次發送道岔的控制命令。

2.7 維護管理因素

設備的良好運轉與日常維護息息相關。一套缺少維護和保養的設備在經過長時間運轉后,其各項性能指標將會快速降低,從而導致其使用壽命縮短。因此,設備維護需制定相應的管理制度,對設備進行定期保養和維護。

信號系統所有設備均應有維護規程和作業指導書。在維護規程中,設備不同維護項目常用的維護頻次見表3。

表3 設備不同維護項目的維護頻次

維護不到位導致的設備或部件松動或是卡阻,可通過緊固或調整設備進行修復。例如,計軸設備年檢第4條要求“機柜內各部分連線完好有效,各保險端子正常有效,連接線對地線間絕緣完好”。2013年4月7日,上海軌道交通11號線賽車場站至嘉定新城站區間上行方向,GZ0024-GZ0124區段發生計軸受擾故障。檢查后確認故障為室外與室內設備的連接處支架的接觸不良。在更換了支架的保險絲并重做線頭之后,故障部位恢復正常。此處故障主要是維護不到位導致。

2.8 技術更新因素

隨著時代的發展和工業技術的進步,信號設備的技術要求也越來越高。早期投用的設備可能無法滿足當下的系統要求,需要更換為更先進的設備或技術。在這種情況下,早期設備的使用壽命也就嘎然而止了。在軌道交通領域中,由技術更新而引起設備更新最頻繁的專業當屬通信專業。對于趨向使用成熟技術的信號系統來說,這種情況相對較少。

2號線一期工程僅開通運營淞虹路站—張江高科站區間。后來又開通了西延伸段和東延伸段,其線路長度和設備數量比原先增加了一倍多。隨著延伸段各子系統的相續開通,DTS (數據傳輸系統)需傳輸的信息容量也相應的增加。原有技術已無法滿足最新要求。這給DTS部分老設備帶來了很大的通信壓力,也對系統的正常運行造成極大的隱患。據不完全統計,2010年4月7日至2012年1月6日期間,2號線共發生22次網絡風暴。為了提升傳輸設備帶寬、提升通道容量,從2011年9月開始對2號線進行DTS改造,將既有DTS舊網駁接至新網,并為聯鎖設備建立獨立光纖通道,相關工作站也進行升級。此改造項目于2013年7月完成。之后的DTS故障率大大降低。

2.9 工程改造因素

由于線路延伸、系統大修、能力提升及解決故障等諸多原因,需對既有系統進行改造。在改造過程中,也會中止某些設備的壽命,將之更換為新設備。

上海軌道交通1號線大修時,原有6502聯鎖更換為計算機聯鎖,則原有相關設備及繼電器也需相應更換為計算機聯鎖設備。此外,部分線路的信號系統車載設備已投用多年,需進行設備大修。在大修過程中,將也會更換部分老化設備。

3 結語

本文根據上海軌道交通線路多年運營中出現的故障及問題,總結出影響信號系統關鍵設備使用壽命的九大重要因素:設備固有因素、運行環境因素、系統接口因素、設計條件因素、規范及政策因素、操作使用因素、維護管理因素、技術更新因素及工程改造因素。在信號設備更換、報廢、系統大修改造等項目中要充分考慮以上影響信號關鍵設備使用壽命的因素,遵從科學發展觀和可持續發展的思想,從而制定出經濟、合理、切實可行的方案。

[1] 中國鐵路總公司.高速鐵路信號維護規則:鐵總運[2015]322號[S].北京:中國鐵道出版社,2016.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社.

[3] 虞翊.城市軌道交通運營設備是壽命與安全評價方法[J].城市軌道交通研究，2014(2):彩16.

[4] 葛永康.設備全壽命周期維修結構的改革設想[J].設備管理與維修,2013(1):17-18.

[5] 孫章,何宗華,徐金祥.城市軌道交通概論[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[6] 陳光.基于全壽命周期費用的城市軌道交通工程設備選擇[J].城市軌道交通研究,2013(5):26-29.

[7] 楊懿,劉紀溫,潘敏獻,等.基于可靠性等劣化理論的設備壽命周期預估[J].機械設計與研究,2011,27(3):5-7.

[8] 陳城輝,徐永能,傅曉莉.軌道交通關鍵行車設備維修周期優化模型及應用[J].都市快軌交通,2011,24(2):42-45.

Analysis of Factors Influencing the Service Life of Key Equipment in Shanghai Metro Signal System

FAN Yinghui

Focusing on the key equipment service life in signal system,the fault Information and problems existing in Shanghai metro signal system are collected,from which 9 influencing factors are summarized,they are the inherent equipment factor,operation environment factor,system interface factor,design condition factor,codes and standards factor,operation factor,maintenance factor,technical upgrading factor and engineering modification factor.

signal system; equipment service life; factor analysis

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.06.019

2015-08-03)