中低速磁浮軌道交通的運營風險和典型故障分析

武震嘯，席卿浩，李 艷，馬衛華

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司科學技術研究院，四川 成都 610083)

0 引言

中低速磁浮是我國具有自主知識產權的新技術，也是當前城市軌道交通中最先進的技術，它具有環保、安全性高、爬坡能力強、轉彎半徑小、建設成本低等優點，適用于城市市區、近距離城市間和旅游景區的交通連接，可以替代輕軌和地鐵[1]。

中低速磁浮交通同地鐵等城市軌道交通工具一樣，面臨著火災、水災、列車沖突、設備故障、損毀以及動力丟失等一系列運營風險的威脅。為了確保運營的安全、進一步完善突發事件應急救援體系，國務院發布了軌道交通應急預案的指導性文件，運營風險等級的劃分以及相關應急預案的制定應當結合文件和實際情況進行[2]；磁浮列車依靠直線電機提供牽引力，其牽引系統一般分為高壓柜和低壓柜，高壓柜內裝有高速斷路器、接觸器、濾波電感及充放電回路、中間繼電器等部件，主要部件如斷路器故障會導致列車喪失動力[3]；由于采用電磁懸浮系統，車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比，不是自穩系統，必須精確地控制電磁鐵的懸浮力，使車體與導軌之間保持大約8 mm的間隙，懸浮系統故障會導致列車無法運行[4][5]；陳傳峰、田健等對地鐵大客流形成的原因以及應對措施進行了研究，對大客流的類型進行了分類[6][7]；盧文龍對軌道交通火災事故進行了研究，發現火災事故是歷年來軌道交通發生最多的事故之一，往往影響惡劣、后果嚴重，通常會造成較大的人員傷亡，需要針對火災制定專門的應急預案[8]。

本文以西南交通大學羅世輝教授團隊正在研發的第二代中低速磁浮列車為例，對中低速磁浮列車運營的風險等級劃分，進行風險識別與分類，并對車輛、車站、軌道等設備的典型故障進行了分析，為進一步制定合理的中低速磁浮交通緊急疏散和應急救援方案提供了依據。

1 運營安全風險

1.1 風險等級劃分

根據磁浮交通運營突發事件可能造成的危害程度、波及范圍、影響范圍、人員傷亡及財產損失等情況，參照國務院辦公廳關于城市軌道交通突發狀況處理的相關文件，將突發事件按應急程度由高到低劃分為四個等級，即特別重大運營突發事件(Ⅰ級)、重大運營突發事件(Ⅱ級)、較大運營突發事件(Ⅲ級)和一般運營突發事件(Ⅳ級)。

1.2 風險識別與分類

風險識別范圍大部分包括但不僅限于《危險化學品重大危險源辨識》(GB18218-2009)，對于中低速磁浮交通而言，凡是可能在車站、區間、機房以及車輛段等范圍內造成乘客受傷死亡、車輛和設備損壞損毀、列車中斷運營以及其他危害運營安全的突發事件的因素，均在風險識別范圍內，常見風險可分為人員因素、設備設施因素以及環境因素三個方面。

1.2.1 人員因素

工作人員是影響中低速磁浮交通安全運營的首要因素，尤其是行車指揮人員和列車運行關鍵崗位的人員，任何違規操作都有可能造成嚴重事故。

乘客對中低速磁浮交通的安全性也有重要影響。因為公共交通的開放性，各類社會人員只要通過安檢即可進入中低速磁浮交通系統，且客流量大，安檢并不能阻止所有危險物品進入，使得不法分子有機會在中低速磁浮系統內制造事端。此外，乘客間發生的治安案件也有可能造成嚴重的后果。

1.2.2 設備設施因素

車輛系統的主要風險有動力丟失、懸浮功能失效、車載電氣設備故障、制動系統故障、車門系統故障以及車輛沖突等；線路系統的主要風險有道岔失聯、線路脹軌、線路下沉、線路斷裂、異物侵限等；供電系統的主要風險有牽引供電系統故障、懸浮供電系統故障、大面積停電等；機電系統的主要風險有車站扶梯故障、通風系統故障、照明系統故障等。

1.2.3 環境因素

自然環境的運營風險主要有洪水倒灌、地震、高溫以及雷擊等；公共衛生環境的運營風險主要有傳染病、乘客突發疾病等。

2 典型故障

2.1 車輛的典型故障

2.1.1 動力系統故障

中低速磁浮列車采用直線電機，在車上安裝三相電樞繞組，軌道上安裝感應軌，即把電動機的“定子”布置在列車上，把電動機的“轉子”鋪設在軌道上。通過“定子”與“轉子”間的相互作用，將電能轉化為前進的動能。其牽引系統一般分為高壓柜和低壓柜，高壓柜內裝有高速斷路器、接觸器、濾波電感及充放電回路、中間繼電器等部件，逆變柜包括逆變模塊、過壓斬波電路、濾波電容、測量傳感器、傳動控制單元等部件。

中低速磁浮列車的動力丟失故障一般由直線電機故障或牽引系統故障引起，如斷路器故障、逆變模塊故障等。發生動力丟失故障后，列車一般能夠保持懸浮，但是失去前進的動力，此時可以利用救援車輛進行救援。

2.1.2 懸浮系統故障

中低速磁浮列車采用電磁浮系統(EMS)，它是一種吸力懸浮系統，依靠懸浮架的電磁鐵通電后與軌道F型軌的磁極間產生的電磁吸引力實現懸浮，車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。懸浮系統主要包括懸浮電磁鐵、傳感器和懸浮控制系統，懸浮控制系統根據傳感器測得到間隙與加速度信號，通過控制懸浮電磁鐵電流的大小實現對懸浮氣隙的調節和控制。為了保證這種懸浮的可靠性和列車運行的平穩，使直線電機有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場保持穩定的強度和懸浮力，使車體與導軌之間保持大約8 mm的間隙。

懸浮功能的典型故障有懸浮控制器故障、間隙傳感器故障和懸浮電磁鐵故障。根據故障的嚴重程度不同，列車可能完全失去懸浮能力，也可能保持懸浮但需要降低功率前進。若列車完全失去懸浮能力，則需要將應急輪放下從而頂起車體，并利用救援車輛進行牽引。當應急輪裝置運行時，車輛也同時失去了電導向力，此時列車由各模塊上的側向導向滑橇導向。

2.2 線路的典型故障

2.2.1 線路脹軌

線路脹軌是因線路在溫升較大時，F軌內部積存巨大的溫度壓力，而可能導致軌縫瞎縫、軌排小碎彎，嚴重時導致F軌線路幾何尺寸狀態嚴重不良、脹軌跑道，列車無法運行，磁浮線路運營中斷。

2.2.2 線路斷裂、下沉

線路結構或構件在荷載和其他作用的影響下處于某種平衡狀態，結構或構件由于平衡形式的不穩定性，從初始平衡位置轉變到另一平衡位置，稱為失穩。運營線路結構失穩會導致線路下沉、斷裂，從而造成磁浮系統運營中斷。

2.2.3 道岔失聯

道岔在正常狀態或轉換后失去表示時，信號樓控制臺顯示道岔編號和岔尖紅閃。故障發生后行調應對故障道岔進行轉換試驗，向不同位置轉換2次仍不能恢復正常時，行調通過ATS(列車自動監控)工作站查看報警信息，如報警有“連接中斷”等信息，則按道岔失聯故障處理。

2.2.4 軌行區異物侵限

因受天氣、人為等因素的影響，磁浮線路易發生異物侵入磁浮行車限界事件，對運營造成較大的影響。司機在駕駛列車行駛過程中發現軌行區出現可能影響行車的異物，或者巡道人員發現軌行區出現異物，應根據相關應急處理程序對列車、線路設備和其它軌行區設備進行檢查確認，并將檢查情況及時報告控制中心。控制中心根據相關應急處理程序，采取相應措施，并在第一時間通知相關專業人員現場查看檢查確認。

2.3 站內設施的典型故障

2.3.1 電扶梯故障

電扶梯設備一旦出現故障，將直接危及乘客安全，必須立即處理。車站工作人員必須時刻警惕電扶梯是否故障。在乘客遇到電扶梯故障時，工作人員應及時采取措施，組織救援，妥善應對緊急情況，使受傷乘客得到解救，避免因恐慌、非理性操作而導致傷亡，最大限度地保障乘客的人身安全以及設備安全。機電班組人員接到通知，應及時到場解救乘客，排除故障。

2.3.2 站臺門故障

站臺門指沿站臺邊緣布置，將車站站臺與軌行區隔離開，可以消除乘客誤落入軌道的危險因素，可以降低能耗的機電一體化設備。站臺門系統主要由玻璃門體、控制系統及電源系統組成。滑動門是乘客上下列車的主要通道，由車站電腦系統控制，與磁浮列車車門同步開門或關門。

2.3.3 突發大客流

中低速磁浮交通一個或多個車站在一定時間內出現較多客流并有持續發展的趨勢，造成車站能力或列車運能明顯不足時，統稱為大客流。同時根據客流的可預見性可分為可預測性大客流和突發性大客流，其中可預測性客流根據其產生原因及特點又可分為節假日大客流、大型活動大客流及惡劣天氣大客流。

2.3.4 車站火災

火災事故是歷年來軌道交通發生最多的事故之一，發生后往往影響惡劣、后果嚴重，通常會造成較大的人員傷亡，是危害最大的一類城市軌道交通事故。

2.4 信號系統的典型故障

2.4.1 正線聯鎖機故障

正線聯鎖機故障時，中央ATS工作站顯示單個或多個聯鎖區灰顯，車站ATS工作站顯示本聯鎖區灰顯，ATS專業值班人員確認響應聯鎖區站連鎖機癱瘓。

2.4.2 中央ATS癱瘓

故障發生時，中央ATS工作站和大屏幕顯示所有聯鎖區灰顯，各聯鎖區車站ATS工作站顯示正常，設備圖標狀態顯示應用服務器紅閃。

2.4.3 中央DCS節點設備中斷故障

故障發生時，中央ATS工作站和大屏幕顯示所有聯鎖區灰顯，DCS(分布式控制系統)網管服務器顯示相應報警。

2.4.4 通信系統故障

中低速磁浮交通的通信系統設備包括時鐘系統、傳輸系統、無線系統、廣播系統、公務電話系統、專用電話系統、視頻監控系統及乘客信息系統等子系統。

3 結語

本文對中低速磁浮交通的運營風險等級劃分、危險源識別和典型故障進行了分析，結果表明：

(1)影響中低速磁浮安全性的常見因素可分為人員因素、設備設施因素和環境因素三個部分，其中人員因素是首要因素。

(2)中低速磁浮交通的典型故障可分為車輛的典型故障、線路的典型故障、站內設施的典型故障以及信號系統的典型故障四個部分。其中，車輛部分的動力系統故障和懸浮系統故障是磁浮列車特有的故障。

(3)由于采用高架運行和磁浮懸浮導向，常規城市軌道交通的應急方案并不適用于中低速磁浮，應當針對中低速磁浮系統的特點，制定適合的緊急疏散、應急救援方案。

[1]吳紅梅.中國自主研制中低速磁懸浮問世時速可達140公里[N].新華日報，2014-08-21.

[2]國務院辦公廳.國家城市軌道交通運營突發事件應急預案[EBOL].2015-04-30.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/14/content_9751.htm.

[3]He H，Xu Y.Vehicle-Mounted Electric Traction System of Mid-to-low Speed Maglev Train[J].Electric Drive for Locomotives，2012(6)：35-42.

[4]Scott D，John Free.Maglev： How they’re Getting Trains off the Ground[J].Popular Science，1973(12)：135.

[5]Goodall R.The theory of electromagnetic levitation[J].Physics in Technology，1985，16(5)：207-213.

[6]陳傳峰.淺談地鐵車站大客流應對措施探討[J].科技資訊，2015(20)：1390-1391.

[7]田 健，蒲 琪，陳小麗.基于層次分析法模糊綜合評價大客流安全狀態[J].城市軌道交通研究，2014(1)：47-50.

[8]盧文龍.城市軌道交通應急疏散的研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2012.