城市軌道交通信號系統的安全策略與可靠性分析
【摘 要】隨著我國城市軌道交通的迅猛發展，信號系統作為控制運行安全的核心設備，對其安全、可靠性的分析評價顯得尤為重要，本文從列車檢測方式、機車信號選擇、設備控制方式等方案的主要方面對描述了城巾軌道交通中信號系統的安全策略及可靠性分析。
【關鍵詞】城市軌道 信號系統 安全策略 可靠性
1前言
隨著我國城市軌道交通的迅猛發展，運量日益增長，列車運行密度不斷加大，為了保障運營系統的安全、高效，配置一套科學、合理的信號系統成為大家關注的核心。
目前，對于信號系統設計方案的取舍，注重其功能的實現和價格的高低，而很少甚至沒有從安全和可靠性方面進行分析比較，其結果是造成系統性能和用途不協調，投資大小和投資方向的準確性下降，通俗地說不是“大馬拉小車”就是“小馬拉大車”。本文將從列車檢測方式、機車信號選擇、設備控制方式等的安全和可靠，陛方面進行分析，希望能夠對信號系統的方案設計提供—些借鑒。
2 系統方案的安全策略
信號系統的安全性體現在兩個方面，即方案的安全性和設備的安全性。—一般人們只注重了設備的安全性，而忽視了方案的安全性比較，也就是說在不同沒備提供同樣的安全性指標時，巾于方案選擇的不同，也會造成整個信號系統安全性能的差異。
2．1 列車檢測方式的選擇
實時安全的列車檢測是實現列車安全運行和其他系統安全工作的基礎，合理選擇列車檢測方式也就成為確保運營安全、高效的關鍵課題。列車檢測的方法有模擬軌道電路、音頻數字軌道電路、查詢應答器、感應電纜環線、計軸以及無線通信等。
傳統的模擬軌道電路用于檢測列車位置，雖然具有較高的安全性，但是由于不能提供“車—地’傳輸的足夠多的信息，較長的應變時間也無法把行車間隔時間進一步縮短，而且存在鋼軌絕緣接頭，增加了維修工作量，并影響乘坐的舒適性，所以已幾乎不在城市軌道交通的正線中運用。
音頻數字軌道電路采用微處理器對地面信息進行數字編碼，再傳遞到鋼軌上，由于其編碼可包含的信息量大，不僅可以檢測列車位置，還可以作為“車—地’通信的方式，對列車進行較精確的控制，并且由于數字軌道電路的高度靈敏度和可靠性，所以該系統的安全性能是很高的。另外取消了鋼軌絕緣接頭，已使之成為城軌交通工程中采用的ATP系統的主要方式。 查詢應答器也屬于較實用的系統，在國外有較多的運用，我國上海莘閔輕軌交通工程已設計采用此方式。該系統工程造價較低，維護成本低，使之具備較強的競爭力。雖然查詢應答器系統不能提供緊急制動功能以及鋼軌的斷軌檢測功能，但是城市軌道交通屬于封閉線路，一般能夠進行良好的行車組織、車站管理和線路維護等工作，在一定程度上彌補了上述不足之處。當然，在繁忙的線路上，這種不連續的列車檢測方式將降低整個運營系統的安全陛和效率，在系統設計時應充分考慮采用相應的補充設備，譬如在必要地點設置電纜環線。
感應電纜環線的檢測列車的方法大多被用于移動閉塞系統中，它可以實現“車—地”的雙向通信，并可以非常精確地定位列車的位置。目前，正在建設中的武漢輕軌一號線就是采用的這種設備。但與查詢應答器一樣，它也無法對鋼軌的完整性進行檢測，所以其本身是存在安全性缺陷的，當然可在采用這種系統時，增加軌道電路作為補充，可以提高運行的安全性。另一個問題是，感應電纜環線存在串碼干擾問題，特別是在某段環線被損壞時，而環線的鋪設也對工務維修帶來不便，這些因素都是設計時應考慮的。
計軸設備一般作為主設備故障情況下的備用設備使用，它的安全性缺點在于無“記憶性”道區段有車占用情況下，當停電再恢復供電時，計軸信息會丟失，造成軌道區段無車的假象使用計軸設備時，一定要采用不停電措施或者其他手段以保證運行安全。
無線通信則由于技術和管理上的因素，目前尚難以在城市軌道交通工程中運用。
2．2 機車信號的選擇
由于在城市軌道交通的正線運營中，已基本取消地面信號，列車憑借ATP機車信號運行。依據ATP機車信號的“車—地”信息傳輸方式，可分為連續式還是點式ATP系統，雖然點式ATP系統和連續式ATP系統都屬于“故障—安全”系統，并且在信息量、信息傳輸速度，信息碼可靠性等技術參數均能滿足城市軌道交通的需求，但是兩者的區別仍對運行的安全性和行車效率產生影響。
點式ATP系統意味著“車—地”之間的信息傳遞是不連續的，顯然這樣造成了后續追蹤列車無法及時得知前行列車的運行區段，也就不能及時改變運行速度，以保證列車運行的安全性并提高線路的通過能力。另一方面，由于“車—地”之間的信息傳遞是間斷的，反過來，將對“車—地，’通信的設備的可靠性要求更高，以免遺漏某個點的信息。點式ATP系統對列車的高密度運行、加速效率以及緊急停車等都是不利。但考慮到工程投資和維護成本的約束，點式ATP在低密度等項目中仍具備一定的優勢。
連續式ATP系統克服了點式ATP的缺點，能夠及時得知前方區段占用或故障情況，以及時改變運行速度，保證運行的安全和高效。連續式ATP系統即能適用于固定閉塞，也能適用于移動閉塞。
需要指出的是，為了確保行車安全，“車—地”的信息傳輸可以是間斷的或連續的，但列車的速度檢測必須是連續的，只有連續的速度檢測才能保證列車運行速度實時地控制在安全范圍內。另一方面，在配有ATO系統的列車上，雖然ATO系統具備很高的可靠性，但其本身不是“故障—安全’設備，所以仍需要ATP系統的車載設備能夠提供列車行進速度和安全速度的指示信息，以便司機監視和控制。
2．3 設備控制方式
設備控制方式指的是對沿錢各種信號設備控制點的設置方式，一般分為集中控制和分散控制兩種。雖然控制方式的不同選擇對設備本身的可靠性并不會產生變化，但對于整個系統運行的可用性帶來影響。
采用設備集中控制方式，可以減少系統維護工作，并且減少沿線工區和人員配置；而采用設備分散控制，則可以減小系統故障時的影響面，從而提高全線運營的保障性。由此在系統設計時，可依據設備不同的重要性來選擇，例如：ATS設備的故障—般不會對全線運行安全產生巨大影響，采用集中控制方式有利于發揮其優勢；而ATP中央設備的故障可能造成全線范圍的停運，其的后果是嚴重的，所以對于可靠性不是很高的ATP系統采用采用分散控制方式是個明智之舉，即便設備故障其影響也是局部的，可以容忍的。
2．4 系統的通信
現代化的信號系統依賴于計算機之間大量的信息傳遞，所以系統通信的安全、可靠性必須得到保障。通信網絡運行的安全問題是一個綜合、復雜的問題，值得注意的是除了提供商所描述的系統功能外，用戶必需關注系統的安全通信接口、升級能力、失敗/恢復技術以及我國對密碼進口的制度等等。
3 系統的可靠性分析
在信號系統的設計時，除了系統安全性外，可靠性評估也是非常重要的，高度的可靠性也是高安全性的一個重要保障。為了能夠放心地在實際中運用，設計一個完善的信號系統必須定量地分析出系統的可靠性指標。例如：在國鐵規范中，已明確了列車超速防護的車上設備的平均無故障時間(MTBF)不低于104h，地面設備的平均無故障時間不低于105h。
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，詼漠式并不能避免所有風險，特別是不能保護列車不闖關閉的信號機，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必須高于99．99％。其中，月為系統可靠性概率；T為系統設計壽命；MTBF為平均無故陶司隔時間。
4小結
系統的安全、可靠性都應以整個系統為對象，而不是某個具體設備。這就要求系統設計、設備制造和設備維護三位一體，以保證系統使用中的性能指標。 在許多發達國家都設有專門的系統安全工程師在方案設計時對整個系統的安全、可靠性作出科學的評價。我國雖然沒有專門的系統設計安全工程師，但不應輕視對于信號系統的安全、可靠性分析，正確的分析有助于系統設計、設備選型以及科學投資，并為維修工作量的確定和日常維護的重點提供參考。
