城市轨道交通信号的安全性与可靠性.docx

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城市轨道交通信号的安全性与可靠性

城市轨道交通信号的安全性与可靠性

1.城市轨道

1.1城市轨道交通现状

近年来，随着改革开放政策的贯彻执以及经济建设世纪目标的实现，我国国民经得到了蓬勃发展，经济的发展将会伴随更大都市化，促进了城市的建立和发展，2000年城市人口即达到4亿6千万。

目前，约有40城市归类为大城市，人口超过100万，其中个城市人口超过300万。

由于城市经济区域局的变化以及大城市的聚集和辐射效应越来强烈，城市流动人口大为增加，居民出行更频繁，城市交通需求的矛盾也就越来越突出同时，随着工业化进程和经济建设步伐的快，人们的工作节奏也越来越快，时间观念来越强。

因此，需要准时、安全、快捷的交方式来满足人们的出行需要。

因此轨道交通的安全性非常重要，信号系统有则是完成轨道交通运行不可分隔的重要环节.

1.2轨道交通的形式与特点

一般地，特大城市特别是首都、直辖市及省会城市都是全国或地区的政治、经济、文化中心，每天进出市区的上班族和进行商业活动的人员及各种流动人员数量十分庞大，为了输送如此数量的旅行人员，应该分地区、分区域、分路段，根据客流需要，结合城市总体规划,考虑环保等要求，合理选择相应的城市轨道交通系统。

城市轨道交通系统按照轨道建筑物在城市内所处的空间位置、能够满足的运量大小、运行方式、轨道结构、管理方式的不同，划分为地下铁道、现代有轨电车、单轨交通、小型地铁以及轨道新交系统。

1.3地下铁道

地下铁道，简称地铁，是线路的大部分建筑物在地下，作为大运量轨道交通手段的城市高速铁道的总称，其特别适合于城市内市区及老城区建设。

其特点是在市内地下通行，不占用地表及地上空间，运营干扰小，输送能力大，每小时运量达30000～60000人，但造价比较昂贵。

1863年，世界上最初的地铁在伦敦开通，全长6km。

1969年10月，我国在北京建成了第一条地铁，即北京地铁第一期工程投入试运营，也是我国自行设计、建设的第一条地下铁道。

目前，北京地下铁道的运营里程全长41.6km，有30个运营车站，日平均客运量达125万人，同时,北京地铁的满载率和单车运行均居世界第一。

1.4现代有轨电车

现代有轨电车是利用轨道作为车辆导向的运输轨道交通系统。

它以客运为主，它是在旧式有轨电车的基础上发展起来的现代化水平很高的客运系统，输送能力为每小时10000～30000人，属于中运量城市交通客运系统，具有高速、高加速性能，噪音小，低振动，对周围环境影响小的特点，省功、节能，可以无人驾驶，同时建设费用比较便宜，运营费用也较小。

法国是世界上最早拥有现代有轨电车的国家之一。

在法国的南特市，城市人口约45万，1984年建成一条自东向西穿过市区的现代有轨电车线路，线路全长10.6km，平均运行速度可达24km/h，目前年客运量已接近2千万人次。

在我国上海,也采用现代有轨电车交通系统，即轻轨明珠线，1998年投入运营。

目前，在世界上拥有城市轨道交通系统的320个国家当中，拥有有轨电车（包括现代有轨电车和旧式有轨电车）的达84%。

1.5单轨交通

单轨交通是指以橡胶轮胎为主的车辆在一根轨道上运行的交通方式。

按支撑方式的不同可划分为跨座式和悬吊式两种。

单轨交通具有以下特点：

运行安全,运行速度快,容易在陡坡上、小半径曲线上行驶，公害小，支撑少，建设费用低，建设工期短的特点。

但单轨交通通过城市景观区、市中心、住宅区的时候，乘客总有点担心；和其他交通设施不能换乘；和其他高架交通设施交叉时，要建成更高的高架结构：

道岔装置结构复杂，运转时间也较长；车辆出现故障等紧急情况，需要避难时间。

小型地铁和新交通系统，都是20世纪80年代至90年代发展起来的新型轨道交通系统，具有技术先进、建设造价低的特点。

在世界上许多地方得到不同程度的修建。

2.信号系统

2.1城市轨道交通信号所具有的特点及优势

轨道交通信号系统所具有的特点及优势：

技术密集度高、更新换代快；投资少、见效快、效益高；渗透铁路运输各部门及轨道运输部门，全程全网服务于轨道运输；由轨道交通信号产生的各种实时信息传输速度快、准确率高；控制命令逻辑关系严密，安全可靠度强。

轨道交通信号是城市轨道交通现代信息技术的重要领域，列车运行控制与行车调度指挥自动化是铁路信号发展的关键性技术，代表着城市轨道行车信息与控制技术的发展趋势。

随着我国轨道交通建设的快速发展，当今城市轨道信号系统技术已融通信、信号、计算机等先进技术于一体，并向数字化、智能化、综合自动化方向发展，其发展水平已成为我国城市轨道现代化建设的重要标志之一。

研究轨道交通信号的发展方向也将有助于铁路行业的运输能力及竞争能力。

轨道交通信号设备是轨道运输的基础设备之一。

它犹如人的耳目和中枢神经，担负着路网上行车设备的运用状况、列车运行的实时状态、运输调度的指令控制等信息的传递与监控任务。

铁路信号的主要功能是：

保证轨道交通行车安全、扩大线路通过能力、提高运输组织效率、改善职工劳动条件。

本文还分析了我国传统运输模式下信号技术在信号显示、车站信号联锁、机车信号与列车运行控制、行车调度指挥、轨道交通枢纽信号和信号基础设备等方面发展的现状、技术特征及我国轨道交通信号系统适应提速发展的发展方向。

2.2城市轨道交通信号系统

城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（AutomaticTrainControl，简称ATC）组成，ATC系统包括三个子系统：

　—列车自动监控系统（AutomaticTrainSupervision，简称ATS）

　　—列车自动防护子系统（AutomaticTrainProtection，简称ATP）

　　—列车自动运行系统（AutomaticTrainOperation，简称ATO）

　　三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

　2.3列车自动控制系统分类

　　1、按闭塞布点方式：

可分为固定式和移动式。

固定闭塞方式中按控制方式，又可分为速度码模式（台阶式）和目标距离码模式（曲线式）。

　　2、按机车信号传输方式：

可分为连续式和点式。

　　3、按各系统设备所处地域可分为：

控制中心子系统、车站及轨旁子系统、车载设备子系统、车场子系统。

　2.4固定闭塞ATC系统

　　固定闭塞ATC系统是指基于传统轨道电路的自动闭塞方式，闭塞分区按线路条件经牵引计算来确定，一旦划定将固定不变。

列车以闭塞分区为最小行车间隔，ATC系统根据这一特点实现行车指挥和列车运行的自动控制。

固定闭塞ATC系统又可分为速度码模式和目标距离码模式。

　　2.5速度码模式

　　如北京地铁和上海地铁1号线分别引进的英国西屋公司和美国GRS公司的ATC系统均属此类ATC系统，该系统属70～80年代的产品，技术成熟、造价较低，但因闭塞分区长度的设计受限于最不利线路条件和最低列车性能，不利于提高线路运输效率。

固定闭塞速度码模式ATC是基于普通音频轨道电路，轨道电路传输信息量少，对应每个闭塞分区只能传送一个信息代码，从控制方式可分成入口控制和出口控制两种，从轨道电路类型划分可分为有绝缘和无绝缘轨道电路两种。

　　以出口防护方式为例，轨道电路传输的信息即该区段所规定的出口速度命令码，当列车运行的出口速度大于本区段的出口命令码所规定的速度时，车载设备便对列车实施惩罚性制动，以保证列车运行的安全。

由于列车监控采用出口检查方式，为保证列车安全追踪运行，需要一个完整的闭塞分区作为列车的安全保护距离，限制了线路通过能力的进一步提高和发挥。

能提供此类产品的公司有：

英国WSL公司、美国GRS公司、法国ALSTOM公司、德国SIEMENZ公司等。

　　2.6目标距离码模式（曲线式）

　　目标距离码模式一般采用音频数字轨道电路或音频轨道电路加电缆环线或音频轨道电路加应答器，具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。

通过音频数字轨道电路发送设备或应答器向车载设备提供目标速度、目标距离、线路状态（曲线半径、坡道等数据）等信息，车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合于列车运行的目标距离速度模式曲线（最终形成一段曲线控制方式），保证列车在目标距离速度模式曲线下有序运行。

不仅增强了列车运行的舒适度，而且列车追踪运行的最小安全间隔缩短为安全保护距离，有利于提高线路的通过能力。

如上海地铁2号线引进美国US&S公司、明珠线引进法国ALSTOM公司和广州地铁1、2号线引进德国西门子公司的ATC系统均属此类。

　3移动闭塞ATC系统

　　移动闭塞方式的ATC系统通常采用无线通信、地面交叉感应环线、波导等媒体，向列控车载设备传递信息。

列车安全间隔距离是根据最大允许车速、当前停车点位置、线路等信息计算得出，信息被循环更新，以保证列车不间断收到即时信息。

　　移动闭塞ATC系统是利用列车和地面间的双向数据通信设备，使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息，并距此计算出每一列车的运行权限，动态更新发送给列车，列车根据接收到的运行权限和自身的运行状态，计算出列车运行的速度曲线，实现精确的定点停车，实现完全防护的列车双向运行模式，更有利于线路通过能力的充分发挥。

　　移动闭塞ATC系统在我国还未有应用实例，国外能提供此类系统的公司有：

阿尔卡特公司交叉感应电缆作为传输媒介的ATC系统，在加拿大温哥华“天车线”和香港KCRC西部铁路等应用，技术比较成熟，但交叉感应轨间电缆给线路日常养护带来不便；美国哈蒙公司基于扩频电台通信的移动闭塞应用在旧金山BART线，其系统结构、系统运用尚不成熟；阿尔斯通公司基于波导传输信息的移动闭塞正在新加坡西北线试验段安装调试。

3.1信号系统基本功能

　　3.1.1列车自动监控子系统

　　ATS系统由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。

ATS系统在ATP系统的支持下完成对列车运行的自动监控，实现以下基本功能：

（1）通过ATS车站设备，能够采集轨旁及车载ATP提供的轨道占用状态、进路状态、列车运行状态以及信号设备故障等控制和监督列车运行的基础信息。

（2）根据联锁表、计划运行图及列车位置，自动生成输出进路控制命令，传送至车站联锁设备，设置列车进路、控制列车停站时分。

　　（3）列车识别跟踪、传递和显示功能。

系统能自动完成正线区段内列车识别号（服务号、目的地号、车体号）跟踪，列车识别号可由中央ATS自动生成或调度员人工设定、修改，也可由列车经车—地通信向ATS发送识别号等信息。

　　（4）列车计划与实迹运行图的比较和计算机辅助调度功能。

能根据列车运行实际的偏离情况，自动生成调整计划供调度员参考或自动调整列车停站时分，控制发车时间。

　　（5）ATS中央故障情况下的降级处理，由调度员人工介入设置进路，对列车运行进行调整，由ATS车站完成自动进路或根据列车识别号进行自动信号控制，由车站人工进行进路控制。

　　（6）在计算机辅助下完成对列车基本运行图的编制及管理，并具有较强的人工介入能力。

通过设在车辆段的终端，向车辆段管理及行车人员提供必要的信息，以便编制车辆运用计划和行车计划。

　　（7）列车运行显示屏及调度台显示器，能对轨道区段、道岔、信号机和在线运行列车等进行监视，能在行调工作站上给出设备故障报警及故障源提示。

　　（8）能在中央专用设备上提供模拟和演示功能，用于培训及参观。

能自动进行运行报表统计，并根据要求进行显示打印。

　　（9）能在车站控制模式下与计算机联锁设备结合，将部分或所有信号机置于自动模式状态。

　　（10）向通信无线、广播、旅客向导系统提供必要的信息。

　　3.1.2列车自动防护子系统（ATP）

　　ATP系统由地面设备、车载设备组成，监督列车在安全速度下运行，确保列车一旦超过规定速度，立即施行制动，主要实现以下功能：

（1）自动连续地对列车位置进行检测，并向列车发送必要的速度、距离、线路条件等信息，以确定列车运行的最大安全速度。

提供列车速度保护，在列车超速时提供常用制动或紧急制动，保证前行与后续列车之间的安全间隔，满足正向行车时的设计行车间隔和折返间隔。

对反向运行列车能进行ATP防护。

（2）确保列车进路正确及列车的运行安全。

确保同一径路上的不同列车之间具有足够的安全距离，以及等防止列车侧面冲撞。

　　（3）防止列车超速运行，保证列车速度不超过线路、道岔、车辆等规定的允许速度。

　　（4）为列车车门的开启提供安全、可靠的信息。

　　（5）根据联锁设备提供的进路上轨道区间运行方向，确定相应轨道电路发码方向。

　　（6）任何车—地通信中断以及列车的非预期移动（含退行）、任何列车完整性电路的中断、列车超速（含临时限速）、车载设备故障等均将产生安全性制动。

　　（7）实现与ATS的接口和有关的交换信息。

　　（8）系统的自诊断、故障报警、记录。

　　（9）列车的实际速度、推荐速度、目标速度、目标距离等信息的记录和显示。

具有人工或自动轮径磨耗补偿功能。

3.1.3列车自动驾驶子系统（ATO）

　　ATO子系统是控制列车自动运行的设备，由车载设备和地面设备组成，在ATP系统的保护下，根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。

（1）自动完成对列车的启动、牵引、巡航、惰行和制动的控制，以较高的速度进行追踪运行和折返作业，确保达到设计间隔及旅行速度。

（2）在ATS监控范围的入口及各站停车区域（含折返线、停车线）进行车—地通信，将列车有关信息传送至ATS系统，以便于ATS系统对在线列车进行监控。

　　（3）控制列车按照运行图进行运行，达到节能及自动调整列车运行的目的。

　　（4）ATO自动驾驶时实现车站站台定点停车控制、舒适度控制及节省能源控制。

　　（5）能根据停车站台的位置及停车精度，自动地对车门进行控制。

　　（6）与ATS和ATP结合，实现列车自动驾驶、有人或无人驾驶。

3.2信号系统运营模式

　　1、ATS自动监控模式

　　正常情况下ATS系统自动监控在线列车的运行，自动向联锁设备下达列车进路命令，列车在ATP的安全保护下由司机按规定的运行图时刻表驾驶列车运行。

控制中心行车调度员仅需监督列车和设备的运行状况。

每天开班前，控制中心调度员选择当日的行车运行图/时刻表，经确认或作必要的修改，作为当日行车指挥的依据。

　　2、调度员人工介入模式

　　调度员可通过工作站发出有关行车命令，对全线列车运行进行人工干预。

调整列车运行计划包括对列车实施“扣车”、“终止站停”、改变列车进路、增减列车等。

　　3、列车出入车场调度模式

　　车辆调度员根据当日列车运行图/时刻表编制车辆运用计划和场内行车计划，并传至控制中心。

车场信号值班员按车辆运用计划设置相应的进路，以满足列车出入段作业要求。

　　4、车站现地控制模式

　　除设备集中站其他车站不直接参与运营控制，车站联锁和车站ATS系统结合实现车站和中央两级控制权的转换。

在中央ATS设备故障或经车站值班员申请，中央调度员同意放权后，可改由车站现地控制。

　　在现地控制模式下，车站值班员可直接操从车站联锁设备，可将部分信号机置于自动模式状态，也可将全部信号机设为自动模式状态，控制中心行车调度员应通过通信调度系统与列车驾驶员、车站值班员保持联系。

　　5、车场控制模式

　　列车出入场和场内的作业均由场值班员根据用车计划，直接排列进路。

车场与正线之间设置转换轨，出入场线与正线间采用联锁照查联系保证行车安全。

　　6、列车运行控制模式

　　列车在正线、折返线上的运行作业时，常用ATO自动驾驶模式和ATP监督下的人工驾驶模式，限制人工驾驶和非限制人工驾驶模式均为非常用模式。

（1）ATO自动驾驶模式

　　列车启动后，在ATP设备安全保护下，车载ATO设备自动控制列车加速、巡航、惰行、制动，并控制列车在车站的停车位置，开关车门，司机仅需监督ATP/ATO车载设备运行状况。

（2）ATP监督下的人工驾驶模式

　　列车启动后，车载ATP设备根据地面提供的信息，自动生成连续监督列车运行的一次速度模式曲线，实时监督列车运行。

司机根据ATP显示的速度信息驾驶列车，当列车运行速度接近限制速度时，提出报警；当列车运行速度超过限制速度时，ATP车载设备将对列车实施制动。

　　（3）限制人工驾驶模式

　　司机以不超过车载ATP的限制速度行车，列车运行安全由司机负责，当列车超过该限制速度时，ATP车载设备则对列车实施制动。

　　（4）非限制人工驾驶模式

　　在车载ATP设备故障状态下运用，ATP将不对列车运行起监控作用。

列车运行安全由司机、调度员、车站值班员共同负责。

　3.3列车折返模式

　　列车在ATP监督人工驾驶模式下折返时，列车由人工驾驶自到达股道牵出至折返线，由司机转换驾驶端，并折返至发车股道。

　　在ATO有人驾驶模式下折返时，列车能以较合理的速度从到达股道牵出至折返线，由司机转换驾驶端和启动列车，然后从折返线进入发车股道。

　　信号ATC系统依据控制方式以及信息传输方式的不同，系统结构组成和配置方式也完全不同，在工程设计中选择何种配置，须根据行车组织、车辆性能、车站规模、线路条件等，以安全性、可靠性为基本原则，兼顾成熟性、经济性、合理性，以发挥最大效能为目标，并需适当考虑先进性等。

4故障分析与处理方法

4.1信号故障分类

电气集中联锁设备是故障——安全电路，虽然在电路中采取了许多安全措施，但并不能做到万无一失。

设备在长时间使用中，由于连接导线、元件、器材的性质功能，产生质量的差异，焊接、安装质量及使用条件，维修水平和自然界客观因素影响等，都又可能产生故障或影响正常工作。

故障的原因和故障现象虽然繁杂，但可以按照一定得方法对其进行分类，以便于对电气集中的故障分析和处理，找出规律性。

（1）非潜伏性故障是故障发生后能及时被发现的故障，即设备在运用中通过电路本身的自诊技术直接表现出来的故障，如道岔失去表示、灯泡主灯丝灯故障。

必须指出，非潜伏性故障发生后，必须迫使系统或设备不能正常工作，修复后才准许恢复正常工作。

否则，就不能称其为非潜伏性故障。

非潜伏性故障一般不考虑与其他非潜伏性故障的组合。

因为故障是偶然发生的，若发生后会及时发现并修复它，那么同时存在两个非潜伏性故障的可能性就非常小。

（2）潜伏性故障是故障发生后不能及时表现出来，只有在与另一故障构成组合时才可显示出故障，如电源接地等故障。

潜伏性故障发生后可能会出现短暂的不正常状态，然后设备系统又能正常工作，也有可能不发生故障。

潜伏性故障应该考虑与其他潜伏性故障或非潜伏性故障的组合。

（1）责任故障是由于对设备维修不良或违章作业所造成的影响设备正常使用的故障。

如：

设备超期使用发生故障、设备维修不当影响正常使用、人为作业影响设备正常使用等属责任故障。

（2）非责任故障是因突发因素或因无法抗拒和防止的外界干扰、自然灾害等造成的故障。

如：

环境和气候不良，雷击、冰雪、高温、有害物质侵蚀；设备被盗；其他部门管理的设备不良直接反映在信号设备上。

（1）断线故障：

闭合电路某处线路断开，电路转变为开路状态，导致设备不能正常工作。

（2）混线故障：

闭合电路某处线路相混或混入其他电源，是电源短路或接地，造成设备不能正常工作，或使联锁条件和控制条件短接，导致设备错误动作。

4.2信号事故和信号障碍

（1）信号事故及事故等级：

根据《铁路交通事故调查处理规则》规定，铁路机车车辆在运行过程中发生冲突、脱轨、火灾、灯影响铁路正常行车的事故，包括影响铁路正常行车的相关作业过程中发生的事故；或者铁路机车车辆在运行过程中与行人、机动车、非机动车、牲畜及其他障物相撞的事故，均为铁路交通事故（一下简称事故）。

凡因信号设备故障二造成的事故为信号事故。

根据事故造成的人员伤亡、直接经济损失、列车脱轨辆数、中断铁路行车时间等情形，事故等级分为特别重大事故、重大事故、较大事故和一般事故。

各类事故的区分界限是根据事故后果，即事故造成的人员伤亡数目，机车、车辆破坏数目，中断行车时间及造成的经济损失数额等来确定。

（2）常见的信号事故：

信号设备发生故障，构成行车事故时，一般常见的一厌恶列车运行、挤道岔、列车冲突、列车车辆脱轨等较为多见。

　　常见的信号事故有以下几方面：

　　①信号设备维修不良;

　　②信号维修人员违章作业；

　　③车站人员发现信号设备不良危及行车安全时，应立即停止使用，来不及采取措施二耽误列车；

　　④信号设备中安装的集成元件、分离电子元件及组成的整机，未经测试或超周期使用，影响列车运行时；

　　⑤工厂生产的产品，自安装使用时起，在工厂保修期内，发生适量故障耽误列车行车时（列为生产厂责任事故，超过保修期的列为信号部门责任事故）。

　　信号工作人员发现信号设备不良危机行车安全时，应积极设法修复。

如不能立即修复时，应在《列车设备检查登记薄》内登记，停止使用。

停止使用的设备，发生强行使用而造成事故时，列为使用单位责任事故。

未达到信号事故等级的信号设备故障均为信号障碍，包括信号责任障碍和信号非责任障碍。

（1）信号责任障碍指信号设备维修不良及人为作业影响造成设备故障，影响了正常使用。

（2）信号非责任障碍指无法防止雷害和自然灾害及无法检查、发现的器材材质不良及外界影响所造成设备故障，影响正常使用时。

外界影响属信号非责任障碍，包括电力、电网影响；列车车载体刮、砸及外部人员砸、拆，毁坏设备；道岔尖轨卡物、外界施工影响等；其他不可抗拒的、不可预见的和设备不能承受的外部原因。

4.3处理故障的程序

处理故障不能盲目乱动，要按一定的程序进行，这是缩短故障处理时间，防止将故障扩大化、复杂化的关键所在。

处理设备故障一般应按以下的程序进行。

（1）故障发生赶赴现场

当接到行车人员信号故障通知时或自己发现信号设备故障时，信号维修人员应立即赶赴运转室和现场。

（2）询问了解

信号维修人员到达现场后，应向行车人员询问当时操作情况和故障状态。

（3）初步判断

在观察了解情况的基础上，初步判断故障性质和地点时是室内还是室外。

（4）等级停用

了解当时列车运行情况，根据故障繁简和所处位置及故障处理所需时间，如果不能马上排除时，应采取果断措施，在车站《行车设备检查登记薄》上等级停用。

登记故障发生与设备停用的时间，停用设备的名称，签上登记者姓名，并经车站值班员同意签认。

当发生与信号设备有关联的机车车辆脱轨、冲突、颠覆事故时，信号维修人员应会同车站值班员记录设备状态，派人监视、保护事故现场，不得擅自触动设备，并立即报告电务段调度。

注意：

发生故障不能忙于处理，应先登记后处理，不能使事故性质升级。

（5）汇报

发生故障，应立即向电务段调度和车间汇报，汇报内容包括故障设备名称、故障现象及影响范围，并说明已采取的措施，以得以指导和帮助。

（6）处理

在不影响行车安全、人身安全和不破坏事故现场的前提下，迅速组织处理。

设备停用后，应按故障现象、状态进行分析查找，查找中应采取一定的措施与方法，使用合适的工具仪表，必要时应征得车站值班员同意后方可进行试验，以确定故障的性质和范围，做到沉着、细心、耐心、又快又准的把故障地点和原因