轨道交通信号系统范文

关键词基于通信的列车控制,移动闭塞,信号系统

1信号系统升级需求

欧洲的许多轨道系统设备超过了30年的历史,潜在的轨道交通信号系统升级业务巨大。在亚洲也存在着类似的情况。信号系统升级的需求来自以下几个方面。

·技术过时:20世纪70年代建造的轨道系统都使用了当时的先进技术,如香港MTR使用当时先进的基于轨道的模拟列车自动防护(ATP)和数字化的列车自动运行(ATO)系统。而现在这样的信号系统已过时,组成系统的构件或子系统部件已很难获得,甚至无法找到合适的替代品用以更换。同样,维护这些过时系统所需的人力成本也相当高。缺少可替换元件及相应的维修人员,使维护时间延长,导致系统可靠性下降。

·性能:在亚洲,许多城市轨道交通系统的建设滞后于交通需求的增长,使得投入运营的线路马上达到了其设计通行能力甚至超负荷运行。上海轨道交通1号线北延伸段就是一例,为了缓解运能紧张,不得不采用地面公交分散客流。提高运能最直接的手段就是缩短发车间隔,而这又受到信号系统本身能力的限制。

·标准:一个城市轨道交通网络中存在多条线路运营,如采用了不同供应商的系统,则不同信号系统使用的标准可能不同,这不利于轨道网络的互联互通[3]。而采用CBTC,其控制系统间的接口均通过数据通信系统实现,采用开放式的国际标准,有利于实现不同线路的互联互通。

2升级中应考虑的问题

在确定了信号系统升级需求后,对升级项目进行规划是非常必要的。有三种可以考虑的方案:

·使用兼容新旧两个ATP系统的轨旁设备,使车辆始终在信号控制系统中运行;

·使用兼容新旧两个ATP系统的车载设备,使升级工程在局部展开;

·停止服务或使系统运行于没有ATP的特殊环境下,更换所有ATP设备。

选择以上任一方案时,应考虑以下问题。

(1)列车应照常运行

世界上只有少数的城市轨道系统能保证在列车运行时进行维护工作。纽约的轨道交通系统是一例,它在部分区段有4条并行的线路,保证了列车运行和维护工作完全隔离。其它许多轨道系统没有这样的条件,也不可能在进行信号系统升级时将整个系统关闭,通常每晚只有3～4h可以进行系统升级工作,且同时必须兼顾正常维护工作的进行。这使得系统升级必须分阶段实施,并制定周密的计划保证系统运行的可靠性和安全性。

(2)可用空间

信号系统升级过程中必然有一个阶段是新旧两个系统共同存在的,这就要求轨旁、列车及控制系统中有足够的空间。这个问题往往在制定计划时被忽略。如果需要在列车上同时安装两套设备,这个问题就更加突出了。

(3)设备的兼容性

如果新的设备或ATP系统能从已有系统中获得信息并发送给新的信号系统,这将使升级中的风险大大降低。现有的联锁系统和ATP系统可工作到所有ATP都更换完成时,而这要求新系统对已有系统的兼容能力。为此,新系统的模块化(包括硬件、软件、数据等方面)是有效手段。

3应用实例

于1968年开始运行的伦敦维多利亚线使用的系统,虽然经过一些小的改造,但基本保留了建设初期使用的信号系统:电压联锁和单机,基于轨道代码的ATP和基于轨道电路的ATO系统、控制机和控制中心。其升级目标为:计算机控制联锁,高性能车辆控制系统(包括先进的基于无线通信的ATP及ATO),先进的控制中心。

由于列车内可用空间和站台空间的限制,决定在新列车上使用新的ATP和ATO,并改造轨旁系统使其能兼容两套信号系统直到所有旧的列车被替换。升级工程包括:过渡性设备的安装,车辆测试,信号系统更新,控制中心升级等。

1)过渡性设备的安装

新列车的安装、调试和运行需要在非运营时间进行,包括如下工作:在设备方面安装联锁机和ATP系统的接口设备,安装ATP处理器以及无线电通信设备;在轨旁安装漏泄电缆无线电通信设备,安装绝对定位参照信标。上述工作可采用不同的次序进行。在实际工程中,首先从维多利亚线的北端一段线路开始;一旦这一段线路的安装、调试和试运行完成,就可以进行下一段线路的升级工程。

2)车辆测试

车辆测试同样要分阶段进行,这包括在不断扩大的范围内进行的测试:在试车场进行;非运营时间单车测试;非运营时间多车测试;运营时间单车测试;运营时间多车测试。经过这些系统的测试,才能确保新旧车辆、新旧信号系统安全可靠地联合运行。

3)信号系统更新

由于在联锁机和ATP系统安装了接口设备,故可将现有的联锁机更新。新的联锁机设备是数据驱动的,这使得更新过程中涉及到的只是输入输出数据的改变和相应的测试。当旧的列车都被更换掉后,将旧的联锁机、代码选择电路和ATP、ATO系统停止工作。其他设备的更新如轨道电路、报文头等也同时展开。

4)控制中心升级

控制中心的安装可与信号系统的安装相互独立。本地计算机(LocalSiteComputers)和接口设备以及无线电通信设备一起安装,并通过接口设备与已有信号系统交互。在经过必要的出厂测试后,控制中心可以在受控模式下运行,此时控制输出被屏蔽。一旦系统运行稳定后,控制中心开始对设备进行控制,这时新旧系统运行在一个可相互切换的状态。一旦相关的控制设备更换完成,新的信号系统完全控制联锁系统,这时旧控制中心可以被拆除了。

从以上的应用实例中可以归纳出如下信号系统升级中的几个关键技术。

·覆盖方式:在进行新旧系统的更新时,必然会以一定的方式用新设备将旧设备覆盖,但又要保证过渡时期设备运行的平稳性。CBTC实现灵活高精度的列车控制,提高了系统的集成度,简化了系统的结构,本身能为互联互通提供技术基础,可以叠加在已有信号系统上,便于已有系统的改造。使用无线通信技术很大程度上提高了这种方法的可行性。只要符合频率和通信协议的要求,任何一个厂商的无线电系统都可以被采用,这增加了系统的灵活性。

·模块化:在升级项目中不可避免地将工作分阶段进行,因此信号及车辆控制设备的模块化相当关键。通过使用接口设备使新设备运行时对已有设备的干扰最小,这样也减少了测试所需的时间。

·系统安全保障:从技术特点来讲,CBTC提供的是基于软件和信息安全的控制,使得系统调度安全控制向自动化、智能化、信息化的方向发展。系统安全在设备设计、生产、安装、测试和运行的每个阶段都必须予以统一考虑。在工程的每个阶段,都需要用户及监管部门的授权以降低风险,这也是工程顺利进行的必要保障。

希望通过本文的介绍,加深对信号系统升级中涉及的控制技术、工程技术等问题的认识,推动CBTC技术及相关信号系统国产化的进程。

轨道交通信号系统范文篇2

【关键词】现场总线城市轨道信号系统

一、引言

随着计算机和通信技术大量应用于信号系统中，传统的集中控制模式的信号系统逐渐被淘汰，采用现场总线技术的分散控制模式的信号系统逐步应用于城市轨道交通中。

二、现场总线技术的分类

目前城市轨道交通信号系统中使用的现场总线主要有以下几种：PROFIBUS、CAN、LONWORKS等。其主要技术特点如下：（1）PROFIBUS现场总线。PROFIBUS是一种国际性的、开放式的、不依赖于生产商的现场总线标准。它诞生于1987年，由德国SIEMENS公司等组织开发，先后成为德国和欧洲的现场总线标准（EN50170），并于2000年成为IEC61158中的现场总线国际标准之一。（2）CAN现场总线。CAN是控制器局域网（ControlAreaNetwork）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，其总线规范被ISO国际标准组织制定为国际标准。CAN总线在国内应用非常广泛，在目前的轨道交通有大量应用实例。

三、现场总线技术在城市轨道交通信号系统中的应用

城市轨道交通信号系统主要由计算机联锁子系统、列车自动防护子系统、列车自动驾驶子系统和列车自动监控子系统组成。本文讨论西门子计算机联锁子系统中现场总线的应用。

SICASECC基本配置：（1）操作与显示控制系统：包括计算机单元操作控制台、中央操作与显示功能、服务与诊断（S&D）设备。（2）IC（联锁计算机）系统：包括用于联锁的信号和安全逻辑，多样化的微机、冗余设计和到EIM-ECC的总线连接。（3）SICASECC（元件控制计算机）：带有3取2计算机系统的故障-安全EIM-ECC，用于室外设备和轨道空闲检测的接口连接）。

从SICAS系统硬件图中可以看到整个SICAS系统用到了ATS总线和PROFIBUS总线。其中SICASECC与相邻的SICASECC之间采用PROFIBUS总线进行通信、SICASECC与下一个SICAS之间采用PROFIBUS总线进行通信，SICASIC与SICASECC采用PROFIBUS总线进行通信，而SICASIC与相邻的SICASIC采用ATS总线通信，SICASIC和控制中心也采用ATS总线进行通信。

SICAS系统进行了冗余设计，SICAS的冗余设计分为设备冗余和通道冗余。通道冗余指的是每一台设备提供两个通道，例如PROFIBUSA通道和PROFIBUSB通道，两个通道信息同步，设备可以任意选择一条传输通道进行信息的传递。

由于采用了PROFIBUS现场总线，计算机联锁系统的系统结构具有高度分散性，网络采用冗余结构，而且从PROFIBU协议模型看，显而易见不仅简化了系统结构和设备，还提高了可靠性。重要的工作站，如SICASECC都享有信息通道冗余，可实时地选用PROFIBUSA、B网络中任一通道完成数据传输，保证了信息的安全性和可靠性。

四、结论

城市轨道交通的快速发展，对信号系统提出了更高的要求，为了改进传统信号系统的一些缺点，比如设备复杂，故障查找困难等，越来越多的城市轨道交通信号系统使用现场总线技术来简化系统结构、提高系统可靠性、降低成本。现场总线技术的应用也使得城市轨道交通信号系统向着数字化、网络化、智能化的方向发展。随着我国城市轨道交通快速发展，会有越来越多的现场总线进入城市轨道交通领域。

参考文献

[1]刘阳学，现场总线技术在城市轨道交通综合监控中的应用，现代城市轨道交通，2006年5月，pp.11-13

轨道交通信号系统范文

【关键词】：轨道交通信号系统安全认证安全相关系统

1.概述

随着社会进步、城市规模不断扩大、人口密度迅速增加，交通拥堵日趋严重已成为制约城市经济发展的一大障碍。由于城市轨道交通具有运量大、安全正点、快捷舒适及污染小等特点，建立以城市轨道交通为主的城市交通系统是解决城市交通拥堵问题的重要途径。人们对于城市轨道交通的要求越来越高，如何实现列车安全、快速、高效的运行是目前轨道交通领域亟待解决的根本性问题，作为保证行车安全、提高运营效率的轨道交通信号系统在提高运输效率、保证行车安全及旅客舒适度等方面具有决定性作用。

轨道交通信号系统是运用技术手段保证行车安全。它包括车站信号控制系统（车站联锁系统）和区间信号系统以及机车信号系统几个部分。信号系统的主要功能是保证行车安全、提高运营效率。信号系统虽然在工程投资中并不占很高的比重，但是由于信号系统担任着指挥列车安全运行的任务，关系到成千上万乘客的生命和财产安全，为此，需要专门考虑在系统出现故障，或操作人员不慎进行错误操作的情况下，系统仍能最大限度地维护乘客安全。目前无论是国产轨道交通信号系统还是国外设备国产化的推广应用所遇到的共同问题就是：国内开发的轨道交通信号系统缺乏权威的安全认证机构进行认证。而国际通行的方法都要求有安全认证这一步，这样国内开发的信号系统就难以参加相关项目的招投标。通过安全评估可以系统地从计划、设计、制造、运行等全过程中考虑信号系统的安全技术和安全管理问题，发现系统开发过程中固有的或潜在的危险因素，搞清引起系统灾害的工程技术现状，论证由设计、工艺、材料和设备更新等方面的技术措施的合理性学习。研究国际安全标准和相关的安全评估和认证体系，并结合中国轨道交通发展的实际情况建立轨道交通信号系统的安全评估和认证体系势在必行！

2.相关的国际标准

世界发达国家的城市轨道交通系统已经有了百余年的发展历史，他们不断总结经验教训，完善管理，已经形成了一整套科学的安全评估、认证、管理体系，制定了一系列切实可行的安全评估的技术标准。

IEC61508是国际电子电工委员会（IEC）制定的《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》国际标准，是进行轨道交通安全评估和论证重要的参考标准。

在铁路运输领域里，人们对安全相关系统的研究主要集中于铁路信号控制系统中，首先于1963-1965年在日本由信号保安协会开展起来，所进行的研究是以“电子技术信号设备的研究”为主体展开的，提出了相应的报告。

国际铁路联盟研究实验所（ORE）A118课题在1969年至1977年期间共出版了13个报告和2个技术文件，系统地考证了“电子技术在铁路信号系统中的应用”，A155课题在1982年至1988年期间发表了“在铁路信号设备中电子元器件的应用”报告，在A155课题的基础上，1990年1月，国际铁路联盟（UIC）了738R规程，给出了安全信息的处理和传输的一系列建议。

欧洲国家在宣传和介绍IEC61508国际标准的同时，以IEC61508国际标准为基础，吸收该标准的精髓，制订行业标准。欧洲电气化标准委员会（CENELEC）下属SC9XA委员会，制定了以计算机控制的信号系统作为对象的铁道信号标准，它包括以下4个部分。

（1）EN－50126铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）规范和说明。

（2）EN－50129铁路应用：安全相关电子系统。

（3）EN－50128铁路应用：铁路控制和防护系统的软件。

（4）EN－50159.1铁路应用：通信、信号和处理系统。

它们的相互关系和涉及到的具体信号领域见图2-1。

2.1IEC61508标准

IEC61508国际标准规范了电气/电子/可编程电子安全相关系统软硬件生存周期的各个阶段的任务和目标，提供一个制定安全需求规范的方法。它由7个部分组成：

第1部分总的要求

第2部分电气/电子/可编程电子系统的需求

第3部分软件需求

第4部分定义和缩略语

第5部分决定安全完整性级别的方法实例

第6部分应用IEC61508－2和IEC61508－3指南

第7部分技术和方法总论

其主要目标：

1)对所有的包括软、硬件在内的安全相关系统的元器件生命周期范围提供一个安全监督的系统方法。

2)提供一个确定安全相关系统安全功能要求的方法。

3)建立一个基础标准，使其可直接应用于所有工业领域，同时，亦可指导其他领域的标准，使这些标准的起草具有一致性（如基本概念、技术术语、对规定安全功能的要求等）。

4)让使用者和维护者放心使用以计算机为基础的技术。

5)建立一个概念统一、协调一致的标准。

在IEC61508中有个重要的概念：安全生命周期。安全生命周期是指从方案的确定阶段开始到所有的电气/电子/可编程电子安全相关系统、其它技术的安全相关系统、外部风险降低设备不再可用时为止，这个时间周期内发生为实现安全相关系统所必需的活动。图2-2是IEC61508描述的系统安全生命周期流程图。

2.2EN标准

2.2.1EN50126

该标准定义了系统的RAMS（reliability、availability、maintainability和safety），即可靠性、可用性、可维护性和安全性，并且规定了安全生命周期内各个阶段对RAMS的管理和要求。但是在该标准中，未定义RAMS的具体的定量目标。此处的生命周期和IEC61508中安全生命周期是一个概念。

RAMS作为系统服务质量衡量的一个重要特征，是在整个系统安全生命周期内的各个阶段通过设计理念、技术方法而得到的。为了达到规定的RAMS，必须针对前面的RAMS影响因素，在整个系统的生命周期内有效控制RAMS的影响因素，即系统的随机故障和系统故障。EN50126要求在整个安全生命周期进行RAMS管理，针对每个阶段给出应需要完成的RAMS任务，同时给出相关的具体文档和要求。

2.2.2EN50128

由于在信号系统中采用计算机（包括微机、单片机）越来越广泛，由软件来承担安全性需求的比重越来越大，因此软件安全性问题变得更加突出。为此EN50128针对软件的安全保证提出了相关的规范和设计标准。在该标准中，对铁路控制和防护系统的软件进行了安全完善度等级的划分，针对不同的安全要求制订了相应的标准，按不同等级对整个软件开发、检查、评估、检测过程包括对软件需求规格书、测试规格书、软件结构、软件设计开发、软件检验和测试、软硬件集成、软件确认评估、质量保证、生命周期、文档等提出相应的程序与规范的要求。

2.2.3EN50129

这个标准定义了为了保证安全相关的铁路信号电子系统/子系统/设备安全所必须满足的条件。这些条件包括：

1)质量管理措施

2)安全管理措施

3)功能和技术安全措施

4)安全接受和论证

作为一个安全相关系统要作到系统的安全能够得到接受和论证，必须经过前三个步骤。EN50129就是针对一个安全事例来指导系统研究开发人员在整个系统

研制开发生命周期内所要完成的质量管理、安全管理和相关的技术安全措施的实施。对于安全管理，引入IEC61508提出的安全生命周期概念，就是说对于安全相关系统的安全部分，在设计时按照该步骤进行设计，并且需要进行全程的安全评估和验证，目的是进一步减少和安全相关的人为失误，进而减少系统故障风险。图2-3将系统各个层次的开发和评估论证对应起来，描述的是“V”字型系统安全生命周期。

2.2.4EN50159.1EN－50159.1

铁路应用：通信、信号和过程控制系统在铁路中应用第一部分：封闭传输系统中安全相关通信。这个标准适用于采用封闭传输系统实现通信目的的安全相关系统。对安全相关设备和传输系统的通信接口信息传输提出安全要求。

3.国外的安全评估体系

欧美国家开展轨道交通信号系统的安全研究比较早，目前已经形成了比较完善的安全评估体系，如英国CASS安全评估框架，德国TUV评估体系等，它们主要以EN铁路标准为基准，依托第三方评估机构，对已有线路和在建项目的信号系统进行安全性论证。下面以英国CASS安全评估框架为例进行详细说明。

3.1英国CASS安全评估框架

CASS是英国工商部（DepartmentofTrade&Industry）和健康安全部门（Health&SafetyExecutive）制定的一个安全评估认证框架项目，为此还成立了CASS策划公司，它的任务和目标是为基于IEC61508标准的安全相关系统开发一个标准的认证框架。

在CASS框架中，评估员由权威部门考核和认证，并要求独立于运营商和系统制造商。评估员对认证机构负责，认证机构对客户负责。政府相关监督部门由具有安全认证经验的专家组成，CASS也有自己的技术委员会，确保满足技术发展的需要，CASS相关的标准和规范会根据IEC61508的修订进行修改。在英国UKAS是唯一授权安全论证

的机构，进行CASS框架认证的机构都要向UKAS申请授权。系统制造商再向这些UKAS承认认证机构申请评估。CASS公司会对评估员进行考核，监督评估过程[12]。

3.2英国铁路工程安全评估原则和方法

目前英国在铁路安全管理中普遍应用ALARP原则（AsLowAsReasonablePracticable）[13]，它是将安全相关系统的风险分成以下三类：

1)足够大的风险，我们不能接收；

2)足够小的风险，我们可以忽略；

3)介于以上两种风险之间的风险，我们必须采取适当的、可行的、合理成本下的方法将其降到可以接收的最低程度。

对于第三种风险，我们采用ALARP（AsLowAsReasonablyPracticable）原则进行风险的减低，该原则的含义是采用尽可能低的成本、合理的、可行的方法进行风险降低。我们将以上三种风险在图3－2中进行描述。

在图3－2的最上层，即高于不可接收风险等级，该部分的风险被认为是不可接收的风险，在任何情况下都不能，必须拒绝；

在不可接收风险等级以下，我们采用ALARP原则进行风险的减低，在该阶段，必须对风险减低而花费的代价进行评估，在风险和代价

之间进行平衡。在可接收区域边缘以下，该区域的风险有些微不足道，可以忽略。我们不需要采用任何方式或方法去减低它，当然我们必须将该区域的风险始终保持在该等级水平上。

在Railtrack铁路咨询公司出版的工程安全管理黄页[13]中把安全评估过程分为两部分：安全审核和安全认证。

安全审核是要检查工程的安全管理是否完善，能否和安全计划保持一致。评估员应该检查一下安全计划里说明的标准和步骤是不是被正确的执行了，看一下工程行为和安全计划是不是具有继承性。安全审核最后要有一个安全审核报告，这个报告应该包括：对项目和安全计划一致性的评价、认为安全计划可行的评价和计划相符或是有所改进的建议。

安全认证是一个判断和系统相关的风险扩大或者减小到一定等级的过程。系统的安全要求是安全认证的核心。评估员应该根据产品制造商提供的安全事例（SafetyCase）回顾一下安全需求规范以评价它对控制系统风险是不是已经足够，以及系统能不能满足安全需求规范。进行安全认证的目的就是收集足够的信息来证明系统的风险是可以接受的。

4.我国轨道交通信号系统安全评估与认证体系框架设想

我们设想中的轨道交通安全评估与认证体系参照的是CASS框架，由轨道交通主管部门牵头，组织专家组制定安全认证标准和方法，相关单位可以据此申请成为第三方认证机构，聘请评估员对于安全相关系统进行安全认证，包括安全认证机构、安全标准、安全认证方法以及相关各方（政府、设备生产企业、运营单位、认证机构）之间的制约关系、权利和义务等等。如图4－1所示。

可以概括为以下四个层次：

第一层次：在体系建立初期，政府主管单位集中安全、质量、科技、生产等管理部门成立轨道交通信号系统安全评估体系领导小组；

第二层次：安全评估体系领导小组组织权威专家和相关技术人员成立权威机构，进行安全评估相应标准和规范的制订工作；

第三层次：进行安全评估者的资格论证，考核独立的个人或机构进行安全评估的资格，这些个人或机构应独立与轨道交通信号系统的研制开发、生产、销售等业务；可以批准多个评估机构，但每年论证机构必须对这些评估机构或个人进行资格审查或评估；

第四层次：对参与信号系统设计、生产、维护、测试的主要人员进行安全设计、安全管理、安全测试和安全生产方面的培训和评估，保证在整个体系中，安全意识得到整体体现。

图4-1我国轨道交通安全评估与认证体系设想

5.结论

借鉴国外先进方法建立我国轨道交通信号系统安全评估与认证体系具有重大意义，可以迅速缩小和国际先进水平的差距，同时轨道交通信号系统的研制开发和应用也可以逐步走向规范化、系统化，切实保障轨道交通的运行安全。

参考文献

【1】.CENELECprEN50129，RailwayApplications：Safetyrelatedelectronicsystemforsignaling，1999

【2】.CENELECprEN50159-1，RailwayApplications：，Signalingandprocessingsystems，Part1：SafetyrelatedCommunicationinclosedtransmissionsystems，2001

【3】.StuartR.Nunns，ConformityassessmentofsafetyrelatedsystemstoIEC61508－theCASSinitiative，Computing&ControlEngineeringJournal，Feb.2000:33～39.