雙套冗余異構(gòu)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)營延誤分析*

汪小勇 歐冬秀 劉 宇 紀(jì)玉清 唐晨凱

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海;2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海;3.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,201804,上海; 4.卡斯柯信號(hào)有限公司,200071,上海 ∥ 第一作者，正高級(jí)工程師)

1 現(xiàn)有運(yùn)行線故障分析及其對(duì)運(yùn)營的影響

目前軌道交通信號(hào)系統(tǒng)采用固定閉塞、TBTC(基于數(shù)字軌道電路的列車控制)、BM(基于固定閉塞的點(diǎn)式列車自動(dòng)防護(hù)模式)、單CBTC(基于通信的列車控制)、CBTC+BM及CBTC+TBTC冗余備份等列車運(yùn)行控制(以下簡為“列控”)制式。其中，固定閉塞系統(tǒng)、TBTC系統(tǒng)、BM的點(diǎn)式ATP(列車自動(dòng)保護(hù))系統(tǒng)及單CBTC系統(tǒng)為單套列控系統(tǒng)，CBTC+BM系統(tǒng)及CBTC+TBTC系統(tǒng)為雙套冗余異構(gòu)列控系統(tǒng)。

基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了某市軌道交通各類突發(fā)事件(含設(shè)備發(fā)生故障)造成的列車5 min以上延誤總體情況，如表1所示。分析結(jié)果顯示，故障次數(shù)占據(jù)前三的線路為運(yùn)營服役時(shí)間最長的3條線，其信號(hào)制式分別為固定閉塞、TBTC(準(zhǔn)移動(dòng)閉塞)、單CBTC(移動(dòng)閉塞)。在故障次數(shù)占比最高的TBTC制式線路中，由信號(hào)設(shè)備故障引起的運(yùn)營延誤次數(shù)占比超1/4(見表2)，僅次于由車輛故障引起的延誤次數(shù)，顯然無法滿足高質(zhì)量客運(yùn)服務(wù)的需求。

表1 某市軌道交通列車延誤5 min以上故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)(2012—2019年)

表2 某市軌道交通TBTC制式線路列車延誤5 min以上的原因統(tǒng)計(jì)(2012—2019年)

2012年至2019年間，各線由信號(hào)設(shè)備故障導(dǎo)致的5 min以上延誤次數(shù)差別較大。究其原因，各線建設(shè)年代不同，其信號(hào)系統(tǒng)制式和所用技術(shù)也不同。經(jīng)細(xì)化分析發(fā)現(xiàn)，占比最高的TBTC制式線路信號(hào)設(shè)備故障對(duì)列車運(yùn)營的影響時(shí)長大多為10～20 min及30 min以上(見圖1)。對(duì)于繁忙的城市軌道交通干線，30 min以上的延誤會(huì)影響到數(shù)以萬計(jì)的乘客出行，必須予以避免。

2 不同列車運(yùn)行控制制式的工作模式

某市軌道交通早期建設(shè)的線路,其信號(hào)系統(tǒng)采用單套列控系統(tǒng)，且未設(shè)置BM；后期建設(shè)的線路都采用CBTC+BM系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是以CBTC為主用列控系統(tǒng)，以點(diǎn)式ATP作為降級(jí)備用列控系統(tǒng)。列控系統(tǒng)主要由ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、ATP、ATO(列車自動(dòng)駕駛)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、TWC(車地通信設(shè)備)等多個(gè)子系統(tǒng)，以及基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備組成。不同列控制式的列車控制模式、信息傳輸方式、列車追蹤間隔、主要設(shè)備系統(tǒng)等各有差異，具體見表3。

3 不同制式列控系統(tǒng)的可靠性分析

3.1 單套系統(tǒng)可靠性分析

文獻(xiàn)[1-4]基于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)列車自動(dòng)控制技術(shù)提出了RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性)指標(biāo)要求(見表4)。

根據(jù)點(diǎn)式ATP列控系統(tǒng)、TBTC系統(tǒng)和單CBTC系統(tǒng)的設(shè)備組成，參考表4的基礎(chǔ)指標(biāo)，測算整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。本研究使用商用安全可靠性分析軟件PTC Windchill Quality Solutions 11.0，對(duì)點(diǎn)式ATP列控系統(tǒng)、TBTC系統(tǒng)和單CBTC系統(tǒng)建立RBD(Reliability Block Diagrams，可靠性方塊圖)(見圖2)，并進(jìn)行可靠性指標(biāo)計(jì)算。

表4 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性指標(biāo)

列車運(yùn)行1 000 h的列控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表5所示。單CBTC系統(tǒng)可靠度最高，TBTC次之，BM最低。可見由于新技術(shù)的引入，CBTC系統(tǒng)具有更高的可靠性。列控系統(tǒng)可靠性與其本身結(jié)構(gòu)及控制方式密切相關(guān)。雖然現(xiàn)在的列控系統(tǒng)的可靠性有所提高，但只要單套列控系統(tǒng)發(fā)生故障，列車仍會(huì)直接進(jìn)入人工駕駛模式，由人工調(diào)度，并由司機(jī)目視行車，致使運(yùn)營效率受到嚴(yán)重影響。

圖2 列控系統(tǒng)的RBD[5-6]

表5 列車運(yùn)行1000 h的列控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3.2 雙套冗余異構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析

某市軌道交通新建線路較多采用CBTC+BM雙信號(hào)冗余系統(tǒng)方案，當(dāng)主用CBTC系統(tǒng)中的區(qū)域控制器等發(fā)生故障，或車地?zé)o線通信功能受限時(shí)，列車可切換至BM模式，以保證列車的安全運(yùn)行[7]。有些設(shè)備為CBTC模式與BM模式復(fù)用。當(dāng)聯(lián)鎖、道岔及電源等復(fù)用設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，列車不可避免地切換為人工駕駛模式，由人工調(diào)度并由司機(jī)目視行車。

CBTC+TBTC系統(tǒng)是一種信號(hào)系統(tǒng)利舊的升級(jí)改造方案。CBTC系統(tǒng)中的ZC和車地?zé)o線通信子系統(tǒng)等一旦發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致列控系統(tǒng)降級(jí)為TBTC模式。如果聯(lián)鎖系統(tǒng)、道岔和電源等復(fù)用設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障，或者軌道電路等TBTC系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障，則會(huì)直接導(dǎo)致TBTC系統(tǒng)失效，列車只能依靠人工調(diào)度、站間閉塞技術(shù)及司機(jī)目視行車[8]。

本文采用馬爾科夫過程選取關(guān)鍵的車地通信故障，并將之作為觸發(fā)條件來構(gòu)建信號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)而分析CBTC+BM、CBTC+TBTC等雙套冗余異構(gòu)列控系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程(如圖2及圖3所示)。使用商用安全可靠性分析軟件PTC Windchill Quality Solutions 11.0的Markov模塊功能(參照表4)，計(jì)算列車運(yùn)行1 000 h后的相關(guān)RAM指標(biāo)，如表6所示。計(jì)算結(jié)果表明，CBTC+TBTC系統(tǒng)具有更高的可用性。

表6 不同制式的雙信號(hào)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4 雙套冗余異構(gòu)列控系統(tǒng)模式切換對(duì)列車延誤的影響

4.1 CBTC+BM系統(tǒng)

CBTC+BM系統(tǒng)依靠主用CBTC系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。當(dāng)CBTC系統(tǒng)的ZC或DCS發(fā)生故障，且CBTC系統(tǒng)本身的冗余失效時(shí)，列車切入BM后備模式運(yùn)行，其防護(hù)曲線發(fā)生變化(見圖3)。

本文使用賦時(shí)Petri網(wǎng)建立列控系統(tǒng)由CBTC模式切換到BM模式的過程，如圖4所示。當(dāng)CBTC制式發(fā)生DCS故障，列車丟失移動(dòng)授權(quán)時(shí)，一方面，列車先緊急制動(dòng)直至列車完全停穩(wěn)；另一方面，司機(jī)與調(diào)度請(qǐng)求確認(rèn)模式切換。當(dāng)中心調(diào)度人員授權(quán)司機(jī)切換控制模式時(shí)，列車先切換模式至RM(限制人工駕駛模式)，待列車運(yùn)行通過有源信標(biāo)并完成車載BM初始化后，則進(jìn)入BM。如CBTC通信恢復(fù)正常，則列車只要接收到有效的移動(dòng)授權(quán)，就可自動(dòng)切換回CBTC模式。

圖3 CBTC+BM系統(tǒng)的列控模式轉(zhuǎn)換

圖4 CBTC+BM系統(tǒng)模式切換的Petri網(wǎng)模型

圖5 不同t信標(biāo)下的t誤分布仿真計(jì)算結(jié)果

利用Petri網(wǎng)模型,仿真計(jì)算不同t信標(biāo)(相鄰信標(biāo)運(yùn)行間隔)下的t誤(列車延誤時(shí)間)，如圖5所示。當(dāng)t信標(biāo)=2 min時(shí)，t誤平均值約為5 min，50%以上的t誤超過5 min；當(dāng)t信標(biāo)=4 min時(shí)，t誤平均值約為10 min,超過5 min占比達(dá)90%以上；當(dāng)t信標(biāo)=6 min時(shí)，t誤平均值已超過15 min，t誤最大值約為25 min。由此可知，CBTC+BM降級(jí)時(shí)的切換時(shí)間受信標(biāo)設(shè)置間距的影響較大。

4.2 CBTC+TBTC系統(tǒng)

當(dāng)CBTC+TBTC系統(tǒng)的主用CBTC系統(tǒng)發(fā)生故障且其本身冗余失效時(shí)，列控系統(tǒng)切入TBTC制式，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，雖增大了最小追蹤間隔，卻仍能保障較為充足的運(yùn)力。CBTC+TBTC系統(tǒng)的列車控制模式轉(zhuǎn)換如圖6所示。

圖6 CBTC+TBTC系統(tǒng)的列控模式轉(zhuǎn)換

采用賦時(shí)Petri網(wǎng)建立列控系統(tǒng)由CBTC模式切換到TBTC模式的過程如圖7所示。當(dāng)CBTC系統(tǒng)的DCS發(fā)生故障時(shí)，列車隨即接入TBTC系統(tǒng)下的數(shù)字軌道電路TWC子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)通信。準(zhǔn)移動(dòng)閉塞下列車降速10%運(yùn)行，必須保證前方閉塞分區(qū)出清后方可駛?cè)?，轉(zhuǎn)入TBTC制式下基于目標(biāo)-距離追蹤運(yùn)行。列車延誤主要由于列車運(yùn)行間隔的增大和列車行駛速度的降低造成，根據(jù)構(gòu)建的賦時(shí)Petri網(wǎng)模型對(duì)列控系統(tǒng)降級(jí)導(dǎo)致的列車晚點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

圖7 CBTC+TBTC制式下由于通信故障導(dǎo)致系統(tǒng)降級(jí)至TBTC運(yùn)行模型

基于Petri網(wǎng)模型，仿真計(jì)算當(dāng)t運(yùn)行(運(yùn)行設(shè)計(jì)間隔)分別為100 s、120 s和180 s時(shí)的t誤，結(jié)果如圖8所示。當(dāng)t運(yùn)行=100 s時(shí)，t誤均不超過2 min。這與當(dāng)前某線路“CBTC+TBTC”信號(hào)系統(tǒng)改造工程中的TBTC制式設(shè)計(jì)行車間隔一致。當(dāng)t運(yùn)行=120 s和t運(yùn)行=180 s時(shí)，t誤均未超過5 min。CBTC+TBTC系統(tǒng)為1套連續(xù)通信的閉塞系統(tǒng)，其降級(jí)時(shí)的信號(hào)切換用時(shí)僅由本身行車間隔和速度降級(jí)造成，遠(yuǎn)低于CBTC+BM系統(tǒng)的信號(hào)切換用時(shí)。

圖8 TBTC不同t運(yùn)行下的t誤分布仿真計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)和理論建模，計(jì)算列控系統(tǒng)的RAM指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果表明，雙套冗余異構(gòu)列控系統(tǒng)的可用性高。針對(duì)CBTC+BM系統(tǒng)及CBTC+TBTC系統(tǒng)，建立Petri網(wǎng)模型并分析了列控模式切換對(duì)列車延誤的影響。CBTC+TBTC系統(tǒng)的模式切換用時(shí)短，基本不會(huì)發(fā)生5 min的列車延誤。CBTC+BM系統(tǒng)的模式切換用時(shí)與t信標(biāo)有直接關(guān)系：t信標(biāo)越小，對(duì)列車延誤的影響越小，當(dāng)t信標(biāo)=2 min時(shí)，列車的平均延誤時(shí)間約為5 min；當(dāng)t信標(biāo)增大時(shí)，列車延誤時(shí)間將成倍增長。

在工程實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際選擇信號(hào)制式，選擇合適的雙套冗余列控系統(tǒng)，既能提升列控系統(tǒng)的可用性，也能降低列控模式切換對(duì)列車延誤的影響，從而滿足線路大客流運(yùn)輸?shù)男枨?，提升服?wù)水平。