基于系統(tǒng)論層次分析法的高速鐵路信號點燈系統(tǒng)研究

王耀安

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團責任有限公司， 西安 710000)

近年來，隨著鐵路運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，信號系統(tǒng)日益復(fù)雜，對運營維護人員和設(shè)計人員的工作效率與質(zhì)量均提出了更高的要求。作為鐵路信號系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，信號機是指揮列車運行的關(guān)鍵，直接影響運輸效率與安全，如何更全面、完整地分析信號機點燈系統(tǒng)成為亟待解決的問題。目前，對信號機點燈系統(tǒng)的研究多局限于點燈電路的原理性、各種繼電器的選擇與升級改造、點燈單元智能化等方面，從未系統(tǒng)全面地審視信號機點燈系統(tǒng)。這使得需基于系統(tǒng)分析才能發(fā)現(xiàn)的問題難以被研究者們察覺，同時也導(dǎo)致現(xiàn)場工作效率無法提升。

本文采用一種基于系統(tǒng)論的層次分析法，對鐵路信號機點燈系統(tǒng)的構(gòu)成性與整體性進行分析，可為運營維護人員(下文稱運維人員)與信號設(shè)計人員的工作提供指導(dǎo)。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究現(xiàn)狀

對于信號機點燈電路的分析，國內(nèi)外已有了較多的研究。如庫峰[1]為襄渝II線改進了使用起始指示器的出站信號照明電路；王明泉[2]根據(jù)現(xiàn)場情況和特點，對ZPW-2000A軌道電路下的區(qū)間通過信號機點燈電路進行了分析研究，改進了點燈電路易發(fā)生故障的部分；付剛[3]應(yīng)用“故障-安全”原則對鐵路信號系統(tǒng)進行了分析；陳艷華[4]對信號機點燈系統(tǒng)的監(jiān)測方面進行了分析和研究，提出了利用比較器升級監(jiān)測系統(tǒng)的方法；張立東等人[5]對進站信號機點燈電路進行了模擬，對進站信號機點燈電路開展了電子方面的研究；張建鋼[6]針對神華集團大準鐵路點燈電路亂顯示的現(xiàn)象進行了故障診斷與系統(tǒng)升級；李麗蘭等人[7]對信號機點燈電路故障處理進行了分析。

這些研究缺少從系統(tǒng)角度對鐵路信號機進行的分析，而系統(tǒng)論針對這一問題，提出了一種可行的思路和方法。系統(tǒng)論認為，所有系統(tǒng)應(yīng)具有關(guān)聯(lián)性、整體性、復(fù)雜性、開放性、自組織性、等級結(jié)構(gòu)性以及動態(tài)的平衡、時間序列性等特性，通過分析系統(tǒng)的特性與特征，可更為全面地探究和把握研究對象的特點[8]。信號機點燈系統(tǒng)是典型的人工工程系統(tǒng)，較適合采用系統(tǒng)論的方法進行分析研究。

系統(tǒng)論方法在多個維度條件下求解偏微分方程組較為困難。采用層次分析法可較為方便地對系統(tǒng)論建立的模型進行數(shù)據(jù)分析，通過層次分析建立模型、對已建立的模型進行分析等方法均已被廣泛使用[9-11]。因此，本文首先采用系統(tǒng)論的方法建立信號機點燈系統(tǒng)分析模型，然后應(yīng)用層次分析法對已建立模型進行分析，并與傳統(tǒng)的信號機點燈電路分析比較，發(fā)現(xiàn)電路分析忽略的因素，最后得出各影響因素的權(quán)值矩陣。

1.2 系統(tǒng)論

系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特點、行為、動態(tài)等系統(tǒng)間聯(lián)系，并使用數(shù)學(xué)工具進行描述的科學(xué)。一般認為，系統(tǒng)論最早由美籍奧地利人貝塔朗菲(L. Von. Bertalanffy)所創(chuàng)立，他認為系統(tǒng)的重要特性之一為生長性。但鐵路信號機點燈系統(tǒng)為典型的人造工程系統(tǒng)，其最重要的兩種特點為構(gòu)成性與整體性。

構(gòu)成性指在系統(tǒng)中每個要素都是承擔系統(tǒng)功能的主要載體，這些要素的差異(如結(jié)合方式上的差異)，使得系統(tǒng)中各要素在作用、結(jié)構(gòu)與功能上表現(xiàn)出等級秩序性，即形成了分層結(jié)構(gòu)的特性。如在信號機點燈系統(tǒng)中，點燈電路與繼電器均為系統(tǒng)的構(gòu)成部分，點燈電路能夠完成一定的邏輯任務(wù)，但繼電器則是這些邏輯任務(wù)的承擔者，因此，兩者形成了不同的層級。在信號系統(tǒng)中，構(gòu)成性是運維人員所關(guān)注的系統(tǒng)特點。

整體性作為系統(tǒng)論的核心，指系統(tǒng)的功能由整個系統(tǒng)共同體現(xiàn)，但不是各個組成部分的簡單相加，而是組成部分之間相互作用關(guān)系的涌現(xiàn)。因此，組成部分又常常被稱為要素，要素之間具有較強的相互關(guān)聯(lián)性，使得系統(tǒng)構(gòu)成了一個不可分割的整體。如在信號機點燈系統(tǒng)中，將任何一個繼電器割離出來，它將失去邏輯性，無法完成電路作用。在信號系統(tǒng)中，系統(tǒng)的整體性是設(shè)計人員較為關(guān)注的系統(tǒng)特點。

一般情況下，系統(tǒng)論需把研究對象作為一個系統(tǒng)，在系統(tǒng)中分析對象的功能、要素、環(huán)境和這三者之間的相互作用關(guān)系，以此來認知系統(tǒng)特點與規(guī)律，最終利用這些特點、規(guī)律去控制、管理和改造系統(tǒng)，使系統(tǒng)發(fā)展?jié)M足人們的需要。

需要注意的是，人工工程系統(tǒng)中難免需要人的參與，如在信號機點燈系統(tǒng)中，信號設(shè)計人員需參與系統(tǒng)的構(gòu)建，信號運維人員需參與系統(tǒng)的維護。而在以往的研究中，往往忽略了人在系統(tǒng)中的作用，而系統(tǒng)中人為因素往往產(chǎn)生決定性的作用。因此，本文利用系統(tǒng)論來分析信號機點燈系統(tǒng)，基于系統(tǒng)本身的特點來尋找傳統(tǒng)電路分析中難以關(guān)注的系統(tǒng)因素，以指導(dǎo)運維人員和設(shè)計人員的日常行為工作。

1.3 層次分析法

層次分析法是將系統(tǒng)分解成多個層次和對應(yīng)的多個影響因素，在每一層級中，比較這些影響因素對上層的影響程度，得出可以反映各影響因素重要程度的權(quán)重[12]，從而判別哪些因素需要著重關(guān)注。

將系統(tǒng)論法得到的影響因素作為層次分析法的影響因素，對其進行層級性歸納，形成有序的準則層和指標層，在準則層與指標層之間可出現(xiàn)中間層，以形成更強的歸納作用。由于系統(tǒng)論法的等級構(gòu)成性，各要素之間的層級將非常明顯，因此將系統(tǒng)論融入層次分析法會使研究過程更為簡便。

層次分析法定量計算的核心是判斷矩陣，設(shè)某準則層或指標層X有n個因素，即X={x1,x2,…,xn}，通過比較它們對上一層因素的影響重要性，得到判斷矩陣A為：

A=(aij)m×n

(1)

式中：(aij)——第i個因素相對于第j個因素的比較結(jié)果。

在兩兩因素重要性的比較過程中，可根據(jù)原因事件和運維專家、設(shè)計專家或現(xiàn)場工程師所擁有的經(jīng)驗、歷史事故與故障數(shù)據(jù)進行決策。aij的取值如表1所示。

表1 判斷矩陣中比較結(jié)果的取值標準及含義[13]

一致性檢驗是判斷矩陣正確與否最重要的依據(jù)，判斷矩陣一致性檢驗的過程如下。

(1)計算一致性指標CI

(2)

式中：λmax——判斷矩陣的最大特征值。

CI越小，說明判斷矩陣的一致性越好，反之，則說明判斷矩陣的一致性越差。

(2)計算檢驗數(shù)CR

(3)

式中：RI——同階平均隨機一致性指標，可按式(4)計算。

RI=CI1+CI2+…+CIn

(4)

引入檢驗數(shù)CR是為了避免隨機原因造成的偏離，可作為判斷矩陣是否滿足一致性的指標。若CR<0.1，判斷矩陣通過一致性檢驗；否則判斷矩陣無法通過檢驗，需要進行修正。

2 進站信號機點燈電路分析

以高速列車進站信號機點燈系統(tǒng)為例，應(yīng)用本文所提出的方法，對其進行系統(tǒng)性的分析。高速列車進站信號機點燈系統(tǒng)是典型的信號機點燈系統(tǒng)，其點燈電路較為復(fù)雜，使用繼電器數(shù)目較多，且室內(nèi)、外設(shè)備組成完整，適合進行系統(tǒng)性分析。

進站信號機點燈電路由電源部分、繼電電路、信號機構(gòu)三部分組成，如圖1所示。電源部分由220 V信號用交流電以及隔離變壓器組成，并設(shè)置熔斷器，這部分設(shè)備均設(shè)置在信號機械室；繼電電路由LXJ、KDJ、ZXJ、TXJ、DJ、2DJ、YXJ等繼電器以及熔斷器構(gòu)成，是點燈邏輯的主要承擔部分。

通過安全型繼電器達到“故障-安全”的目的，如當進站信號機需點綠黃燈時，若室外2U燈絲故障，導(dǎo)致黃燈無法點亮，則2DJ繼電器無法勵磁吸起，從而切斷綠燈點燈回路，LXJ落下，進站信號機最終點亮紅燈，避免了因為黃燈無法點亮而僅有綠燈點亮導(dǎo)致的信號升級。這部分繼電器均設(shè)置在信號機械室的組合柜內(nèi)。信號機由點燈單元、雙燈定焦盤燈組以及主、副雙燈組成，是最終的執(zhí)行設(shè)備，通過組合燈光的顯示，指示列車的運行，這部分設(shè)備均設(shè)置在室外站場上。

通過對進站信號機點燈電路的組成分析，可以看到點燈電路將室內(nèi)、外設(shè)備區(qū)分開，突出了繼電電路的邏輯部分。實際上點燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計本身是完整的，點燈電路圖只是一種接線、邏輯的表現(xiàn)形式。系統(tǒng)性分析高速鐵路信號機點燈系統(tǒng)對分析故障、理解原理尤為重要。

3 模型計算與結(jié)果分析

3.1 構(gòu)成性模型

高速列車進站信號機系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備位置(位于室內(nèi)或室外)分成兩部分，如圖2所示。

從系統(tǒng)同級的角度上分析，室外部分由電纜、接續(xù)點、點燈單元、燈絲4部分組成。電纜連接室內(nèi)，點燈電路與點燈單元在站場內(nèi)徑路的不同，導(dǎo)致了接續(xù)點的產(chǎn)生，接續(xù)點是常易被忽視的故障點之一，點燈單元、燈絲為信號機機構(gòu)內(nèi)主要承擔點燈任務(wù)的部分。

室內(nèi)部分由電源屏、聯(lián)鎖機、隔離變壓器、繼電電路、防雷系統(tǒng)、接點6部分組成。電源屏為信號系統(tǒng)供電設(shè)備，是任何設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)；聯(lián)鎖機是驅(qū)動繼電器，使點燈電路變化的根本條件；防雷系統(tǒng)(如法拉利籠等)是防止雷電脈沖或電磁場感應(yīng)的設(shè)備[14]；接點這里指的是室內(nèi)設(shè)備之間靠軟線連接的點。

3.2 整體性模型

整體性是工程系統(tǒng)最重要的性質(zhì)，是系統(tǒng)所沒有的新的性質(zhì)和行為，表現(xiàn)為系統(tǒng)的功能與邏輯。對于信號機點燈系統(tǒng)，其整體性表現(xiàn)在電路邏輯、電路特性、故障降級和“故障-安全”等方面，如圖3所示。

圖1 進站信號機點燈電路圖(高速)

圖2 信號機點燈系統(tǒng)構(gòu)成性模型圖

圖3 信號機點燈系統(tǒng)整體性模型圖

(1)電路邏輯

通過繼電器組合搭建的電路所帶來的邏輯。如當LXJ、TXJ、ZXJ吸起時，進站信號機點亮綠燈，即代表進站信號機列車進路開放，列車直向通過本站時，綠燈點亮。

(2)電路特性

由于繼電器的種類不同，電阻、電容、變壓器等元件的使用，使各點電壓、電流、頻率產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。電路特性對進站信號機點燈系統(tǒng)的影響在于繼電器是否能夠準確完全吸起、繼電器吸起時序等。

(3)故障降級

當系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，在保證工作安全的前提下，自動改變工作模式或降低容錯能力及性能。信號點燈系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，主要有兩種降級表現(xiàn)：①若為聯(lián)鎖機主機故障，則及時切換至熱備副機，此時仍具有完整的系統(tǒng)功能；②若為部分燈絲、繼電器故障，列車的效率降低，但仍能夠完成一定的作業(yè)。以需點出綠黃燈時，綠燈燈絲故障為例，1DJ無法勵磁吸起，此時僅會有2U燈點亮，即只顯示一個黃燈。

(4)故障-安全

當設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)做出反應(yīng)，導(dǎo)向安全側(cè)。目前，鐵路交通中，安全側(cè)普遍認為是停車或降低列車運行速度[15]。但“故障-安全”與故障降級不同，“故障-安全”是設(shè)備發(fā)生故障時，保證列車運行安全的設(shè)計措施，如進站信號機需要點亮綠燈時，LXJ故障使得LXJ無法吸起，那么將會導(dǎo)向安全側(cè)，即點亮紅燈，禁止列車進入站內(nèi)，使列車停止運行。而故障降級更偏向于設(shè)備發(fā)生故障時，保證列車的運行效率。

3.3 AHP分析

按照表1所示準則，對系統(tǒng)構(gòu)成模型與系統(tǒng)整體性模型構(gòu)建判斷矩陣。首先，對圖2與圖3中所有的指標因素進行編號，即電纜(a1)、接續(xù)點(a2)、點燈單元(a3)、燈絲(a4)，電源屏(b1)、聯(lián)鎖機(b2)、隔離變壓器(b3)、繼電電路(b4)、防雷系統(tǒng)(b5)、接點(b6)，電路邏輯(z1)、電路特性(z2)、故障降級(z3)、故障-安全(z4)；對準則因素進行編號，即構(gòu)成性(G)、整體性(Z)；為更清晰地分析構(gòu)成性的影響因素，對構(gòu)成性模型引入中間層，即室外部分(A)、室內(nèi)部分(B)。其次，對指標因素的重要性進行兩兩比較，當比較i因素和j因素時，若i因素所對應(yīng)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度大于j因素所對應(yīng)基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度，則認為其對上面準則層或總目標層的重要性更大，反之亦然。

依照上述方法，分別對室外部分、室內(nèi)部分、整體性建立判斷矩陣，如表2～4所示。

表2 進站信號機點燈系統(tǒng)室外部分判斷矩陣表

表3 進站信號機點燈系統(tǒng)室內(nèi)部分判斷矩陣

表4 進站信號機點燈系統(tǒng)整體性判斷矩陣

分別對其判斷矩陣進行一致性檢驗，得到如下結(jié)果：

(1)室外部分一致性指標CAI為 0.018 8，CAR為 0.020 9<0.1；

(2)室內(nèi)部分一致性指標CBI為 0.051 1，CBR為 0.041 2<0.1；

(3)整體性一致性指標CZ1為 0.040 0，CZR為 0.044 5<0.1。

綜上，判斷矩陣的一致性指標達到要求。

由于二階矩陣的RI=0，因此由室外部分(A)與室內(nèi)部分(B)組成的二階判斷矩陣、由構(gòu)成性(G)與整體性(Z)組成的二階判斷矩陣一致性指標均達到要求。因此，本文所建立的層次分析法模型是成立的。

進站信號機點燈系統(tǒng)模型與進站信號機點燈電路相比，有如下優(yōu)點：(1)進站信號機點燈系統(tǒng)模型所挖掘到的因素多于進站信號機點燈電路，如室外電纜的接續(xù)點、室內(nèi)部分的防雷系統(tǒng)均無法在進站信號機點燈電路中體現(xiàn)；(2)進站信號機點燈系統(tǒng)模型具有各因素層次分明的特點，而進站信號機點燈電路僅將電路中繼電器的連接關(guān)系簡單呈現(xiàn)，層次混雜；(3)進站信號機點燈系統(tǒng)模型可結(jié)合層次分析法進行多元定量與定性結(jié)合分析，而進站信號機點燈電路僅能定性分析電路邏輯。

按照文獻[16]的方法計算各個指標因素的權(quán)重向量，可得權(quán)重如表5、表6所示。

表5 進站信號機點燈系統(tǒng)構(gòu)成性AHP模型各層因素的權(quán)重向量表

表6 進站信號機點燈系統(tǒng)整體性AHP模型各層因素的權(quán)重向量表

由表5、表6的權(quán)值向量可以看出：

(1)室外部分中，電路分析中常被忽視的接續(xù)點的重要程度最高，遠遠大于其他指標因素；信號機燈絲的重要程度次之；點燈單元具有良好的可靠性，因此，受重視程度不必很高；電纜是最不容易產(chǎn)生故障的點，受重視程度可以為最低。

(2)室內(nèi)部分中，各指標因素的重要程度依次為：聯(lián)鎖機、防雷系統(tǒng)、繼電電路、室內(nèi)接點、電源屏與隔離變壓器。聯(lián)鎖機與繼電電路為承擔信號機點燈電路的主要構(gòu)成部分，應(yīng)獲得最高的重視程度；防雷系統(tǒng)作為室內(nèi)電磁防護的重要組成部分，受重視程度也較高；由于室內(nèi)環(huán)境更為穩(wěn)定，因此接點的受重視程度較低；隔離變壓器對工作環(huán)境的要求低、可靠性高，因此受重視程度最低。

由此可見，針對室外設(shè)備，信號運維人員應(yīng)注重電纜接續(xù)點；針對室內(nèi)設(shè)備，信號運維人員應(yīng)注重聯(lián)鎖機、防雷系統(tǒng)和繼電電路。

(3)整體性中，電路邏輯與“故障-安全”應(yīng)受到較高程度的重視。電路邏輯的目的是實現(xiàn)系統(tǒng)功能，因此為首要重視的部分，而“故障-安全”為實現(xiàn)安全性的技術(shù)，其重要程度次之。這里值得注意的是，系統(tǒng)層面的“故障-安全”不應(yīng)僅僅停留在繼電電路的設(shè)計層面，還應(yīng)放大至整個信號點燈系統(tǒng)。

此外，在不同的準則因素中，各個指標因素的權(quán)值相差較大，這為運維人員、設(shè)計人員的工作提供了便利。運維、設(shè)計人員可有目地加強應(yīng)受重視的部分，較為迅速的提升工作效率。

4 結(jié)論

本文通過分析鐵路信號機點燈系統(tǒng)的構(gòu)成性與整體性，選擇專家打分的方法獲得判斷矩陣的參數(shù)，得出了以下主要結(jié)論：

(1)利用AHP方法建立信號機點燈系統(tǒng)的分析模型，并基于此模型獲得各因素權(quán)重，可確定各因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響力。

(2)系統(tǒng)論方法能夠更加全面、清晰地分析系統(tǒng)的構(gòu)成性與整體性。

(3)通過AHP方法進行定量分析，將符合一致性檢驗條件的判斷矩陣中的特征向量作為該層對應(yīng)因素的權(quán)重向量，并獲得構(gòu)成性權(quán)重向量與整體性權(quán)重向量，可分別對運維人員和設(shè)計人員的工作重點進行指導(dǎo)。

(4)應(yīng)用基于系統(tǒng)性的層次分析法可定量與定性相結(jié)合地分析鐵路信號機點燈系統(tǒng)的構(gòu)成性、整體性，并可推廣至其他鐵路系統(tǒng)(如轉(zhuǎn)轍機系統(tǒng)、信號聯(lián)鎖系統(tǒng)、自動售票系統(tǒng)等)，解決單一分析電路所帶來的不足。