地鐵交通信號安全與可靠性探討

(深圳市地鐵集團有限公司運營總部，廣東 深圳 518040)

1 概述

軌道交通系統作為大容量的公共交通工具，其安全性直接關系到廣大乘客的生命安全。信號系統作為保證列車運行安全，實現行車指揮和列車運行現代化，提高運輸效率的關鍵系統設備，在軌道交通系統中有舉足輕重的地位，通常由列車自動控制系統(Automatic Train Control，簡稱ATC)組成。ATC系統包括列車自動監控系統(Automatic Train Supervision，簡稱ATS)、列車自動防護子系統(Automatic Train Protection，簡稱ATP)、列車自動運行系統(Automatic Train Operation，簡稱ATO)。其中，ATP主要對行駛中的列車進行監控和安全防護，避免其出現聯鎖備或自身系統中出現問題故障而影響列車運行安全。ATS對列車的實際運行情況進行監督與控制，可使行車調度工作者對整個線路的列車進行全面、系統、完整的管理。ATO則通過分析地面情況來對列車進行控制，避免列車在行駛中突然加速或減速，提高列車運行的舒適性和節能性。

3個子系統通過信息交換網絡構成閉環系統，實現地面控制與車上控制結合、現地控制與中央控制結合，構成一個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行調整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統。

2 軌道交通信號系統的安全性分析

對于軌道交通信號系統而言，安全性主要是指行車的安全和乘客的人身安全。在列車的行駛過程中，無論是因為設備出現故障，還是因為電路、軟件出現問題，都可能會影響到列車的正常行駛，而由此造成的誤動或錯誤操作，極有可能造成嚴重的安全事故。為此，在軌道交通信號系統的設計與應用中，應該以故障-安全為原則。在此過程中，需要解決的問題主要包括軌道數據處理、數據采集與驅動以及數據傳輸等三個方面的故障-安全問題。可以采用當前先進的計算機技術，如容錯技術、故障檢測和診斷技術以及多重化技術等，均能夠為提高軌道交通信號系統的安全性提供技術支持。

2.1 ATS系統

在控制中心設立兩套ATS系統，互為熱備份，即其中的一個系統在線時，另一個系統也在不斷更新其數據信息，當出現故障需要切換時，熱備份系統在很短時間內完成對軌旁信息的掃描，從而保證系統獲取最新的數據。

各車站和車輛段ATS系統通過冗余配置的網絡通道和控制中心ATS連接，實現信息交換，以保證某點或某段通信信道發生故障時，系統仍能正常工作。ATS系統采用DCS系統提供的接口獨立組網，實現信息的安全獨立穩定傳輸。

ATS采用集中控制的方式，可以減少系統維護工作，并且減少沿線工區和人員配置。車站自動控制為控制中心自動控制的降級模式，當控制中心設備故障或者控制中心與車站通信網絡故障，造成控制中心ATS子系統無法正常工作時，系統自動降級為車站自動工作模式，此時ATS本地系統根據本地服務器中存儲的時刻表信息繼續進行進路自動辦理。

2.2 ATP系統

由于ATP系統主要是對列車的設備和系統進行安全監控，因此其安全性設計應該將重點放在保證設備系統安全上。首先，ATP系統可以利用雙層網絡與全冗余的模式來進行設計，將系統中的所有設備都設置相應的冗余接口，并做好備份，以保證系統某個節點出現故障后系統也可以不受影響而正常運行。其次，編碼軟件也可以利用冗余技術，且編碼中不可出現循環語句，這樣是為了保證某個編碼控制程序出現中斷后可以繼續對系統進行控制，且不會形成死循環的問題。第三，為了進一步保證系統的安全性與可靠性，對于一些較為重要或者較為容易出現故障的設備，應該進行雙重備份。同時，為了避免強信號對系統產生干擾，還要在電路中設計一定的防沖擊電路和防干擾措施。這樣才可以很好地保證系統的安全運行。

例如地面ATP子系統一般采用“二乘二取二”安全冗余設計，帶獨立“故障-安全”檢驗的安全冗余系統，其硬件平臺從硬件設計上采用了“二乘二取二”結構、雙系并行工作的“二乘二取二”安全計算機系統，內部通信和外部通信都采用冗余通道設計。雙系之間采用隔離技術，對其中一系進行維修與替換不會對另外一系以及其他子系統正常工作有任何影響，任何一個計算機或網絡設備不能正常工作，整個系統仍可繼續正常運行，不會導致其他子系統的無故切換。

2.3 ATO系統

作為以地控車的控制系統，ATO系統自動完成對列車的啟動、牽引、巡航、惰行和制動的控制，以較高的速度進行追蹤運行和折返作業，確保達到設計間隔及旅行速度。當其因故障無法自動運行，應該能夠盡快轉入人工操作的程序中，以保證列車安全運行。同時，在系統的運行中需要大量的實時數據，因此數據傳輸應該首先循環傳送。為了保證行駛中的列車和地面工作站點之間可以隨時聯系溝通，在列車出站之前，要對ATO系統進行檢查，尤其是要對接口處進行仔細檢查，以保證系統的安全工作。

ATO系統主要與列車控制系統非安全性的功能相關，深圳地鐵7號線車載ATO子系統在車頭、車尾各設置一套，單套ATO子系統采取雙機熱備的冗余架構，若一系出現故障，可自動切換為備機工作。

3 軌道交通信號系統的可靠性分析

對于系統可靠性要求，目前一般以平均功能故障間隔時間(Mean Time Between Functional Failure，MTBFF)和平均故障間隔時間(Mean time Between Failure，MTBF) 兩個參數作為定量可靠性性分析指標。規定系統的 MTBFF應考慮影響系統完成規定功能的所有故障，系統的 MTBF則既包括影響系統功能的故障，也包括不影響系統功能完成 ( 例如由于設備冗余 )的所有故障。

考慮實際應用系統的特點，在對現場的城市軌道交通信號系統評估時，MTBF作為基本可靠性的特征量，應反映出系統對維修人力、費用及備品備件的需求。如果一個系統基本可靠度低，即便任務可靠度滿足要求，也會導致該系統維護成本太高，不能說該系統是一個可靠的系統。因為，只要有設備故障，即使由于設備采用冗余并沒有影響系統功能的完成，卻仍馬上需要有維修人員進行診斷、維修或更換備件。而軟件故障是指軟件設計的缺陷在一定的運行條件下，導致系統運行中出現可感知的不正常、不正確和不按規范執行的狀態。任何軟件內部缺陷引起的錯誤，不在用戶維修范疇內，并且用戶也無法維修，因而考慮軟件故障，并不能考察出系統對維修人力、費用和備品備件的需求。因此，針對城市軌道交通信號系統，MTBF應主要考慮硬件故障。

MTBFF則應綜合考慮硬件故障與軟件錯誤，考察系統在規定的任務剖面中完成規定功能的能力。隨著現代信號系統中采用計算機 ( 包括微機、單片機)越來越廣泛，由軟件來承擔安全和可靠性需求的比重越來越大，因而軟件的可靠性在完成系統功能方面往往起著至關重要的作用。實際運行的故障統計也表明，由于軟件缺陷引起的系統功能失效約占故障總數的 70%。因此，只有綜合考慮軟件故障和硬件故障，才能全面準確地衡量系統完成規定任務的可靠度。

綜上所述，信號系統可靠性指標可以參考國際相關標準，明確 MTBF主要考慮硬件故障以衡量系統對維修人力、費用及其備品備件的要求；MTBFF綜合考慮軟件和硬件故障，以便準確考察系統完成規定功能的能力。

例如在城市軌道交通中，由于ATP系統在正常駕駛模式下使用是惟一能連續控制列車運行，并長期確保列車安全運行的駕駛模式。降級駕駛模式是ATP系統出現故障情況下，在限速條件以人工駕駛來降低列車運行風險所采用的一種駕駛模式。不過，該模式并不能避免所有風險，所以要求正常駕駛模式必須非常穩定可靠，以盡量減少采用降級駕駛模式。鑒于上述因素，在國外城市軌道交通工程中，提出ATP系統正常駕駛模式的可靠性必須高于99．99%。

參考相關的技術標準，計軸設備平均無故障工作時間≥1.75×105h；BTM天線≥2.5×105h；雷達傳感器在40 ℃環境溫度下，平均無故障時間≥1.66×105h；速度傳感器平均無故障時間≥1×105h。

4 軌道交通信號系統安全性與可靠性的關系

信號系統的安全性與可靠性相輔相成，并且相互影響。可靠性是衡量系統在規定的時間內、規定的條件下完成規定功能的能力，而系統的安全性是衡量系統在發生故障時不致產生危險側輸出的能力，二者密不可分。系統的可靠性越高，其發生故障的概率越小；系統的安全性越高，發生故障時產生危險側輸出的概率也就越小。