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通信信号发展

城市地铁工程通信信号系统安全性研究

来源:中国轨道交通网 作者: 点击率:3576 发布时间:2010年06月07日 字号:T|T

现代城市道路交叉纵横,交通日益拥挤。发展以城市地铁为骨干的大运量快速公共交通系统是解决城市客运交通问题的根本途径,这一点已成为业内人士的共识。目前,我国的城市轨道交通(主要是地铁)建设正面临史无前例的高潮。北京、上海、广州等城市每年都以40~50千米、百亿元以上的投资速度推进,目前已获批的15个城市也正在进行地铁建设。
 

但由于地铁运营环境的特殊性,地铁如突发安全事故,乘客紧急逃生十分困难,容易造成群死群伤。而通信、信号系统是城市地铁工程中的重要组成部分,用于指挥地铁列车运行、进行运营管理、公务联络和传递语音、文字、数据及图像等各种信息,是保证地铁列车安全、有序、快速、正常运行,提高运输效率,实现列车自动控制的关键系统设备。同时在发生事故情况下,也是应急处理、抢险救灾的基本保障措施之一。
 

通信系统由专用通信系统、民用通信系统和公安通信系统三部分组成。三套通信系统构成传送语音、文字、数据和图像等各种综合业务通信网,以满足城市地铁运营和管理的要求。
 

信号系统通常指地铁列车自动控制(ATC)系统。ATC系统可由三个子系统组成,即列车自动监控(ATS)子系统、列车自动防护(ATP)子系统(含联锁功能)和列车自动运行(ATO)子系统。信号系统必须以安全、可靠、技术先进实用和经济合理为宗旨,必须满足确保行车安全、提高运输效率和改善服务质量的要求。
 

近年来,因通信、信号系统故障引发的事故时有发生,如:(1)2008年6月底,广州地铁3号线为了压缩行车间隔,在调试过程中系统不稳定,导致列车连续两天因故障停运。(2)2009年6月22日,美国华盛顿哥伦比亚特区发生一起两列地铁列车相撞事故,至少有9人丧生、70余人受伤。事故原因是电脑自动控制系统故障、刹车失灵等某一原因或多重因素所致。(3)2009年12月22日,上海地铁1号线发生两车侧撞导致一车冲出轨道和乘客受困的事故,引起地铁全线瘫痪。上海地铁方面称事故原因为信号或操作问题。
 

此外,在日常运营中因通信、信号系统故障引发的地铁列车延误等故障也不鲜见。如2009年9月16日上海地铁3号线上海南站往石龙路方向列车因信号故障造成列车晚点,影响时间10分钟以上。
 

一、通信、信号系统危险、有害因素分析
 

通信、信号系统可能存在的危险、有害因素主要有:
 

1)系统失灵影响行车安全。造成系统失灵的原因有:①系统设备受到电机牵引所产生的谐波电流、外界电磁波、静电、雷击、杂散电流腐蚀等干扰或破坏,引起系统故障或损坏,导致信息破坏或丢失。②在南方沿海的梅雨季节或台风暴雨季节,地铁内湿度增加,电子元件可能受潮、浸水等引起设备失灵或损坏。过高、过低的温湿度或温度剧烈变化也可能导致元件电参数变化、水汽凝结及尺寸变化等后果,对设备造成影响。(3)震动易造成弱电设备元件接点脱落、接插件松动、接触不良、部件损坏等。
 

2)系统硬件设施对系统运行环境的影响主要有:(1)系统设备质量低下、性能不稳定、元器件使用寿命短和抗干扰能力差等,容易使系统设备发生故障或损坏,轻则造成站点与控制中心失去通信联系,重则造成整个地铁线路瘫痪。(2)通信、信号系统均为电子设备和电子计算机设备组成的综合系统。电子元件及其设备由于散热不良、故障、电气线路老化短路及用电不当等人为因素会引起火灾。(3)系统设备接地不当,可能由于外界原因使通信、信号设备及其元器件损坏或击穿,导致通信、信号系统故障,甚至危及人身安全。(4)线路布置不当,容易引起线路故障。(5)隧道内托板架侵入设备限界或车载天线超出车辆限界等,都会引起车载通信、信号设备发生损坏,导致意外事故的发生。
 

3)人为因素导致系统故障、影响行车安全:(1)系统电源断电。(2)运营操作人员违章操作或操作失误,引起系统设备故障或烧毁,甚至发生人身伤亡事故。(3)敷设在控制中心及正线地下区段的通信、信号系统内外电缆遇明火、老鼠啮咬短路或其他原因存在火灾危险。(4)系统的计算机网络由于存在安全漏洞,很容易受到恶意软件、木马、病毒的破坏和黑客的攻击,可能导致网络系统故障、数据丢失或错乱直至系统瘫痪。(5)系统未经安全检测和调试合格就投入使用,难以保证系统正常运行,容易发生安全事故。
 

二、通信、信号系统安全性
 

根据以上危险、有害因素分析,结合现有国家及行业有关安全法律法规标准的要求,对通信、信号系统在系统设计、软硬件配置、安装维护等方面,提出一些合理可行的安全对策措施和建议。
 

1 通信系统
 

1)系统传输能力要求:地铁各种信息传输要求必须具有大容量、低成本、标准化和高可靠性的通信传输手段。为满足地铁通信各子系统和信号、电力监控、防灾、环境与设备监控系统和自动售检票等系统信息传输的要求,应建立以光纤通信为主的传输系统网络。
 

2)自愈性要求:0)系统应具有网络自愈特性,光缆线路、传输设备的重要部件均应具有备份保护及故障自动切换功能,主要设备和网络需采用热备冗余配置。(2)传输系统应从网络安全可靠性考虑,在控制中心、停车场/车辆基地、各个车站各设置一套传输设备,通过隧道两侧光缆的光纤隔站跳接,组成两个传输系统自愈环网,确保各种行车安全信息及控制信息不间断地可靠传送。
 

3)应急手段要求:(1)在各车站、车辆段综合控制室以及车辆段的消防控制室等地点应设置防灾、环境与设备监控系统调度电话分机。公务电话通信网的程控电话应自动将“119”、“110”等特种业务呼叫转接到市公众电信网的相应特服号,并具备电话跟踪功能。(2)地铁应设置无线通信系统,为控制中心调度员、列车司机、车站、车辆综合基地值班员和现场移动工作人员提供无线通信联络,且必须具有选呼、组呼、全呼几种方式、多级优先呼叫功能和网络管理功能,并具备显示、录音、检索等存储、监测功能。同时应将市网、公安无线系统和消防无线调度系统引入地下,以满足在火灾或紧急事故情况下抢险救灾的要求。
 

4)系统保障要求:在地铁沿线敷设的光缆、电缆等管线结构,应选择符合杂散电流腐蚀防护的材质、结构设计和施工方法。隧道内的通信电缆、光缆应以绝缘方式进行敷设。地铁敷设光缆不设屏蔽地线,但接头两侧的金属护套及金属加强件应相互绝缘,光缆引人室内应做绝缘接头。(1)系统电源设备应满足通信设备对电源的要求,必须是独立的供电设备并具有集中监控管理功能,保证对通信设备不间断、无瞬变地供电。地铁通信设备应按一级负荷供电,即由变电所接双电源双回路的交流电源至通信机房交流配电屏,当一路出现故障时,应能自动切换至另一路。采用综合不间断电源UPS对各通信设备供电时,不间断电源的蓄电池组容量应保证连续供电不少于4小时。(2)通信设备的接地系统设计,应做到确保人身、通信设备安全和通信设备的正常工作。建议在控制中心、各车站、停车场/车辆基地均设置一组地线接地装置,接地电阻≤1欧,并采用反屏蔽接地方式。
 

2 信号系统
 

1)系统的形式与完整性要求:(1)系统(特别是最大通过能力不小于30对的运营线路)应采用完整的ATC闭环系统,以实现列车完整的无人驾驶自动控制,满足行车指挥自动化和列车超速防护的要求。(2)系统设备按所处地域应包括控制中心系统、车站及轨旁系统、车载设备系统和车辆段及停车场系统。若缺少其中任一区域子系统,就无法实现地一车控制结合、现地控制与中央控制结合,也就构不成一个完整的列车自动控制系统。(3)当前地铁信号系统可具有下列主要ATC制式:固定闭塞式、准移动闭塞式和移动闭塞式。固定闭塞和准移动闭塞以轨道电路、信标作为车一地通信媒介,只能实现连续的轨旁至车载的单向通信,无法实现连续的车对地的信息传输,因而地面无法连续、实时地了解列车及设备的运行情况,也就无法实现地面对列车的连续监测,无法满足无人驾驶的要求。所以,为实现地铁交通网络最大限度地互联互通,根据信号技术发展的主流,应选择无线移动闭塞ATC系统。
 

2)“故障一安全”原则:(1)凡涉及行车安全的信号设备必须满足“故障一安全”原则。即地铁信号设备在发生障碍、错误、失效的情况下,应具有导致减轻以至避免损失的功能,以确保行车安全。其措施主要有:①为防止人的错误操作而出现的各种联锁及闭塞技术等。②故障后使功能软化或降级使用技术,满足故障复原的需要。如自动闭塞中绿灯烧坏改亮黄灯的技术。③应急顶替技术,如电源故障时利用蓄电池供电的技术。④检测、报警和预防性养护的技术。⑤冗余技术,如多重设备。⑥器件的降额使用技术,如信号灯泡的降压使用等。(2)系统应具有较高的安全性和可靠性,并具备多级后备降级模式。当信号系统发生故障时,ATC系统控制等级应遵循降级运行,按车站人工控制优先于控制中心人工控制、控制中心人工控制优先于控制中心的自动控制或车站自动控制的原则来确保运营安全。系统须经安全检测、认证并批准后使用。(3)在ATC控制区域内使用限制模式或非限制模式时,应有破铅封、记录或特殊控制指令授权等技术措施。(4)导致列车停车是ATP系统设计的最高安全准则。任何车一地通信中断以及列车非预期移动(含退行)、列车完整性电路的中断、列车超速(含临时限速)、车载设备故障等应产生安全性制动。在车站站台及车站控制室应设置站台紧急关闭按钮:在车站控制室应设置具有备份、监视和紧急处理功能的综合后备控制IBP盘,以支持发生紧急事件时的控制。(5)ATO系统在ATP系统的安全防护下实现列车自动驾驶、完成运行自动调整,在设有屏蔽门的情况下,应能控制站台屏蔽门与列车车门的开、闭按预定顺序动作,ATO的定点停车精度要求在±0.25米以内,以免发生上下车的乘客被车门或屏蔽门夹住等机械伤人事故。
 

3)系统保障要求:(1)系统设备应由综合不间断电源UPS设备统一供电,并按一级负荷供电。车上设备应由车上直流电源直接供电或经变流设备供电。(2)为防止火灾发生时引起电线电缆燃烧,产生浓烟雾、毒气等,给救援和乘客逃生带来严重困难,信号系统线路宜采用阻燃、低毒、防腐蚀护套电缆。地面电缆应采用直埋或管道方式敷设。(3)高架和地面线的室外信号设备、与外线连接的室内信号设备必须设置防雷设施。信号设备应设工作地线、保护地线、屏蔽地线和防雷地线等;地铁信号设备的接地宜接入综合接地系统,也可采用分设接地方式;信号设备室应通过主接地板接地。室外电缆屏蔽和防雷器的接地,宜通过设于电缆引入口的接地板与主接地板相连。车载信号设备的地线应经车辆的接地装置接地。控制中心、车站、车辆综合基地、停车场信号系统地线应接人各系统共用的综合接地系统,综合接地系统接地电阻值应≤1欧。
 

三、通信、信号设备用房安全性
 

良好的机房环境是通信、信号系统正常运行的重要保证。合理有效地充分利用通信机房,提高通信、信号网络安全防护水平,对于设备的运行维护、快速处理设备故障、降低成本等具有十分重要的意义。
 

设备用房可能存在的缺陷有:(1)机房环境不符合或者达不到要求,可能存在粉尘、潮湿、静电、火灾和震动等危害。(2)安全配套设施跟不上通信建设扩容或超负荷运行的要求。(3)人为因素造成损害,如维护不良、操作不当和人为破坏等。
 

针对可能存在的安全问题,应采取的安全技术措施主要有:(1)设备用房的位置安排,应做到经济合理、运转安全,并考虑满足线路远期扩展的需要,预留适当的运营间隔,以备设备增加、更新倒换等。(2)在机房装修、安全设施配置等方面,应满足设备及各种元器件的防尘、防潮、隔音、防火、防震和防静电等要求。特别是应设置通风空调系统,在区间阻塞和火灾时与事故风机联合运行,保证区间事故通风要求。

(3)设置火灾报警探测器和气体自动灭火装置。(4)加强对机房环境的维护管理。
 

四、结束语
 

城市地铁工程具有周期长、技术复杂、不可预见风险因素多和对社会环境影响大等特点,属于高风险工程。只有进行科学的规划、设计和施工,构建通信、信号系统的本质安全,加强通信、信号系统日常管理,并建立突发事件的应急救援体系,才能减少甚至杜绝城市地铁工程安全事故的发生,降低事故灾害造成的危害和损失,确保城市地铁的可持续发展。

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