城市轨道交通信号系统的安全策略与可靠性分析
【摘 要】随着我国城市轨道交通的迅猛发展，信号系统作为控制运行安全的核心设备，对其安全、可靠性的分析评价显得尤为重要，本文从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等方案的主要方面对描述了城巾轨道交通中信号系统的安全策略及可靠性分析。
【关键词】城市轨道 信号系统 安全策略 可靠性
1前言
随着我国城市轨道交通的迅猛发展，运量日益增长，列车运行密度不断加大，为了保障运营系统的安全、高效，配置一套科学、合理的信号系统成为大家关注的核心。
目前，对于信号系统设计方案的取舍，注重其功能的实现和价格的高低，而很少甚至没有从安全和可靠性方面进行分析比较，其结果是造成系统性能和用途不协调，投资大小和投资方向的准确性下降，通俗地说不是“大马拉小车”就是“小马拉大车”。本文将从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等的安全和可靠，陛方面进行分析，希望能够对信号系统的方案设计提供—些借鉴。
2 系统方案的安全策略
信号系统的安全性体现在两个方面，即方案的安全性和设备的安全性。—一般人们只注重了设备的安全性，而忽视了方案的安全性比较，也就是说在不同没备提供同样的安全性指标时，巾于方案选择的不同，也会造成整个信号系统安全性能的差异。
2．1 列车检测方式的选择
实时安全的列车检测是实现列车安全运行和其他系统安全工作的基础，合理选择列车检测方式也就成为确保运营安全、高效的关键课题。列车检测的方法有模拟轨道电路、音频数字轨道电路、查询应答器、感应电缆环线、计轴以及无线通信等。
传统的模拟轨道电路用于检测列车位置，虽然具有较高的安全性，但是由于不能提供“车—地’传输的足够多的信息，较长的应变时间也无法把行车间隔时间进一步缩短，而且存在钢轨绝缘接头，增加了维修工作量，并影响乘坐的舒适性，所以已几乎不在城市轨道交通的正线中运用。
音频数字轨道电路采用微处理器对地面信息进行数字编码，再传递到钢轨上，由于其编码可包含的信息量大，不仅可以检测列车位置，还可以作为“车—地’通信的方式，对列车进行较精确的控制，并且由于数字轨道电路的高度灵敏度和可靠性，所以该系统的安全性能是很高的。另外取消了钢轨绝缘接头，已使之成为城轨交通工程中采用的ATP系统的主要方式。 查询应答器也属于较实用的系统，在国外有较多的运用，我国上海莘闵轻轨交通工程已设计采用此方式。该系统工程造价较低，维护成本低，使之具备较强的竞争力。虽然查询应答器系统不能提供紧急制动功能以及钢轨的断轨检测功能，但是城市轨道交通属于封闭线路，一般能够进行良好的行车组织、车站管理和线路维护等工作，在一定程度上弥补了上述不足之处。当然，在繁忙的线路上，这种不连续的列车检测方式将降低整个运营系统的安全陛和效率，在系统设计时应充分考虑采用相应的补充设备，譬如在必要地点设置电缆环线。
感应电缆环线的检测列车的方法大多被用于移动闭塞系统中，它可以实现“车—地”的双向通信，并可以非常精确地定位列车的位置。目前，正在建设中的武汉轻轨一号线就是采用的这种设备。但与查询应答器一样，它也无法对钢轨的完整性进行检测，所以其本身是存在安全性缺陷的，当然可在采用这种系统时，增加轨道电路作为补充，可以提高运行的安全性。另一个问题是，感应电缆环线存在串码干扰问题，特别是在某段环线被损坏时，而环线的铺设也对工务维修带来不便，这些因素都是设计时应考虑的。
计轴设备一般作为主设备故障情况下的备用设备使用，它的安全性缺点在于无“记忆性”道区段有车占用情况下，当停电再恢复供电时，计轴信息会丢失，造成轨道区段无车的假象使用计轴设备时，一定要采用不停电措施或者其他手段以保证运行安全。
无线通信则由于技术和管理上的因素，目前尚难以在城市轨道交通工程中运用。
2．2 机车信号的选择
由于在城市轨道交通的正线运营中，已基本取消地面信号，列车凭借ATP机车信号运行。依据ATP机车信号的“车—地”信息传输方式，可分为连续式还是点式ATP系统，虽然点式ATP系统和连续式ATP系统都属于“故障—安全”系统，并且在信息量、信息传输速度，信息码可靠性等技术参数均能满足城市轨道交通的需求，但是两者的区别仍对运行的安全性和行车效率产生影响。
点式ATP系统意味着“车—地”之间的信息传递是不连续的，显然这样造成了后续追踪列车无法及时得知前行列车的运行区段，也就不能及时改变运行速度，以保证列车运行的安全性并提高线路的通过能力。另一方面，由于“车—地”之间的信息传递是间断的，反过来，将对“车—地，’通信的设备的可靠性要求更高，以免遗漏某个点的信息。点式ATP系统对列车的高密度运行、加速效率以及紧急停车等都是不利。但考虑到工程投资和维护成本的约束，点式ATP在低密度等项目中仍具备一定的优势。
连续式ATP系统克服了点式ATP的缺点，能够及时得知前方区段占用或故障情况，以及时改变运行速度，保证运行的安全和高效。连续式ATP系统即能适用于固定闭塞，也能适用于移动闭塞。
需要指出的是，为了确保行车安全，“车—地”的信息传输可以是间断的或连续的，但列车的速度检测必须是连续的，只有连续的速度检测才能保证列车运行速度实时地控制在安全范围内。另一方面，在配有ATO系统的列车上，虽然ATO系统具备很高的可靠性，但其本身不是“故障—安全’设备，所以仍需要ATP系统的车载设备能够提供列车行进速度和安全速度的指示信息，以便司机监视和控制。
2．3 设备控制方式
设备控制方式指的是对沿钱各种信号设备控制点的设置方式，一般分为集中控制和分散控制两种。虽然控制方式的不同选择对设备本身的可靠性并不会产生变化，但对于整个系统运行的可用性带来影响。
采用设备集中控制方式，可以减少系统维护工作，并且减少沿线工区和人员配置；而采用设备分散控制，则可以减小系统故障时的影响面，从而提高全线运营的保障性。由此在系统设计时，可依据设备不同的重要性来选择，例如：ATS设备的故障—般不会对全线运行安全产生巨大影响，采用集中控制方式有利于发挥其优势；而ATP中央设备的故障可能造成全线范围的停运，其的后果是严重的，所以对于可靠性不是很高的ATP系统采用采用分散控制方式是个明智之举，即便设备故障其影响也是局部的，可以容忍的。
2．4 系统的通信
现代化的信号系统依赖于计算机之间大量的信息传递，所以系统通信的安全、可靠性必须得到保障。通信网络运行的安全问题是一个综合、复杂的问题，值得注意的是除了提供商所描述的系统功能外，用户必需关注系统的安全通信接口、升级能力、失败/恢复技术以及我国对密码进口的制度等等。
3 系统的可靠性分析
在信号系统的设计时，除了系统安全性外，可靠性评估也是非常重要的，高度的可靠性也是高安全性的一个重要保障。为了能够放心地在实际中运用，设计一个完善的信号系统必须定量地分析出系统的可靠性指标。例如：在国铁规范中，已明确了列车超速防护的车上设备的平均无故障时间(MTBF)不低于104h，地面设备的平均无故障时间不低于105h。
在城市轨道交通中由于ATP系统在正常驾驶模式下使用，是惟一能连续控制列车运行，并长期确保列车安全运行的驾驶模式。降级驾驶模式是ATP系统出现故障情况下，在限速条件以人工驾驶来降低列车运行风险所采用的一种驾驶模式。不过，诙漠式并不能避免所有风险，特别是不能保护列车不闯关闭的信号机，所以要求正常驾驶模式必须非常稳定可靠，以尽量减少采用降级驾驶模式。鉴于上述因素，在国外城市轨道交通工程中，提出ATP系统正常驾驶模式的可靠必须高于99．99％。其中，月为系统可靠性概率；T为系统设计寿命；MTBF为平均无故陶司隔时间。
4小结
系统的安全、可靠性都应以整个系统为对象，而不是某个具体设备。这就要求系统设计、设备制造和设备维护三位一体，以保证系统使用中的性能指标。 在许多发达国家都设有专门的系统安全工程师在方案设计时对整个系统的安全、可靠性作出科学的评价。我国虽然没有专门的系统设计安全工程师，但不应轻视对于信号系统的安全、可靠性分析，正确的分析有助于系统设计、设备选型以及科学投资，并为维修工作量的确定和日常维护的重点提供参考。
