郝凌云

(中電物流路港有限責任公司赤峰鐵路分公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

鐵路信號控制系統(tǒng)是鐵路運行的中樞環(huán)節(jié)，對保障鐵路安全運行意義重大。而隨著現(xiàn)代鐵路運行技術(shù)的深入發(fā)展，鐵路信號控制技術(shù)也呈現(xiàn)出豐富的智能化、一體化特征。但即使是在鐵路運行技術(shù)高度發(fā)達的情況下，也仍然無法避免鐵路事故的發(fā)生，因此，加強對鐵路信號控制系統(tǒng)的故障導向安全研究，保證列車在鐵路信號控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下能夠?qū)嵤┚o急制動停止運行，避免重大鐵路安全事故的發(fā)生，是當下列車運行安全工作過程需要解決的首要問題。

1 解析鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全

1.1 鐵路信號系統(tǒng)構(gòu)成要素

鐵路信號系統(tǒng)構(gòu)成主要包括車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、列車運行控制等各個方面的內(nèi)容，車站聯(lián)鎖主要用與保證車站的道岔、進路及信號三者間的聯(lián)鎖關系，實現(xiàn)對列車進站、分路等運行過程的監(jiān)察控制；區(qū)間閉塞，主要用來保持列車運行區(qū)間的安全有序，維持列車與列車之間的距離，并方便相關工作者了解各自的運營情況及列車?？繒r間，保證運行安全[1]；列車運行控制，主要用來記錄和控制列車行駛狀態(tài)；行車調(diào)度控制分為調(diào)度指揮系統(tǒng)和行車調(diào)度指揮控制系統(tǒng)兩個部分，其作用是收集行車信息，保持列車調(diào)度效率并對列車故障進行及時處理，為列車安全高效行駛提供技術(shù)支持；道口信號主要用于對車輛和行人發(fā)出行車提醒和警示，避免列車行駛過程中的人員誤傷；信號微機監(jiān)測，主要借助計算機技術(shù)，收集列車運行數(shù)據(jù)，檢查相關設備故障，并通過及時的數(shù)據(jù)處理和設備故障診斷處理，保證鐵路運行安全規(guī)范。以上就是鐵路信號系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素，它們相互關聯(lián)，缺一不可，共同作用于列車運行過程中，對整個鐵路運行工作的順利開展發(fā)揮著不可替代的作用。

1.2 鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全

鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全，指的是設備內(nèi)部出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以將設備運作后果及時納入安全保護范疇，保證故障狀態(tài)下的安全命令能夠緊急發(fā)出并得到準確執(zhí)行，簡單來說，就是相關技術(shù)人員通過設置一個保證安全的輸出信號控制系統(tǒng)，保證列車在出現(xiàn)設備故障的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)安全控制，這個系統(tǒng)就是“故障—安全”系統(tǒng)，簡稱“FSS”[2]。在鐵路運行規(guī)劃中，“故障—安全”系統(tǒng)設置十分重要，它能夠保證鐵路信號控制系統(tǒng)故障狀態(tài)下的列車安全，并根據(jù)實時故障情況制止列車運行，保證列車不會因為系統(tǒng)故障引發(fā)的錯誤指令而釀成重大安全事故，最大限度的保護公眾生命安全。

2 現(xiàn)代鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全措施

2.1 安全性冗余結(jié)構(gòu)信號控制系統(tǒng)

所謂安全冗余結(jié)構(gòu)就是指采用多重備份增加系統(tǒng)可靠性的一種結(jié)構(gòu)設計方式，如電力系統(tǒng)中的線路雙重保護設計，就是采用設備性冗余機構(gòu)進行電網(wǎng)安全維護，倒閘操作雙監(jiān)護則是以制度性冗余的方式保護人身安全[3]。而在鐵路計算機聯(lián)鎖中則常采用安全性冗余結(jié)構(gòu)提升信號系統(tǒng)控制的可靠性。安全性冗余結(jié)構(gòu)有3種冗余方式：雙機熱備由兩臺計算機組成，一臺為主機聯(lián)鎖，另一臺則進行聯(lián)鎖運算，由于雙擊切換存在操作安全問題，因此僅在單線支線或者非提速區(qū)段使用；二乘二取二系統(tǒng)，采用4臺計算機組合為主機輸出控制指令系統(tǒng)和熱備系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，再將其中一個子系統(tǒng)中的兩臺不同計算機計算同一套編碼程序，并進行運算結(jié)果對比，如果結(jié)果一致就可以輸出控制指令，如果不一致立即切換到另一個子系統(tǒng)進行輸出；三取二系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3臺計算機構(gòu)成，3臺計算機同時運行相同的聯(lián)鎖軟件，輸出指令由聯(lián)鎖表決器判斷，任意兩臺輸出一致則表示聯(lián)鎖工作正常，如果任意兩臺故障，則必須服從“故障—安全”原則，禁止輸出。目前，二乘二取二冗余技術(shù)可靠性和安全性最高，是我國鐵路信號設備采用的最主要冗余結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 二乘二取二冗余技術(shù)基本結(jié)構(gòu)

2.2 靜態(tài)多元控制系統(tǒng)

靜態(tài)多元控制系統(tǒng)下的故障安全導向輸入接口電路如圖2所示。線路信息通過多個光電耦合采集單元同時進行采集并傳輸?shù)接嬎銠C端口。當采集條件啟動并連接正常時，各采集單元輸出皆顯示為高電平，計算機端收到的代碼就會顯示為1111；如果采集條件停止或者出現(xiàn)斷開時，各采集單元就會輸出低電平，其計算機顯示代碼為0000[4]。而同一時間，計算機會啟動對4個碼元的邏輯運算，如運算結(jié)果顯示“1”，則說明采集條件接通，為“0”，則表示電路采集條件已經(jīng)斷開，從而實現(xiàn)“故障—安全”的有效控制。

2.3 動態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)

動態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)電路接口形式如圖3所示。在該系統(tǒng)下，光電耦合管G2輸出側(cè)由計算機輸出口控制，光電耦合管G1輸入側(cè)由采集輸入口控制，兩者形成串聯(lián)[5]。當采集條件充分時，計算機輸出的脈沖序列會通過系統(tǒng)作用重返計算機輸入端，形成以動態(tài)脈沖為主要表現(xiàn)的危險側(cè)信息；如果電路任意位置發(fā)生斷線或混線等線路故障，計算機輸入端的電平數(shù)值則會保持穩(wěn)定，并作為安全側(cè)信息處理，計算機輸入端的電平則會保持在穩(wěn)定狀態(tài)，其數(shù)值則可用作安全側(cè)信息處理。除此之外，動態(tài)輸出驅(qū)動電路對信息的控制是采用輸出動態(tài)脈沖的形式來進行的，只有動態(tài)的脈沖信息才能激起執(zhí)行繼電器的執(zhí)行反應，靜態(tài)電平驅(qū)動則沒有不會產(chǎn)生作用。同時輸出代碼需要回讀到計算機上，如果計算機出現(xiàn)工作異?；蜉敵鲭娐饭收希嬎銠C就不能完成輸出代碼會讀，相關的連續(xù)動態(tài)信息輸出就難以保證，此時執(zhí)行繼電器不會發(fā)生反應，設備也不會執(zhí)行錯誤動作。綜上所述，動態(tài)輸入/輸出電路其實本質(zhì)上是連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理是通過計算機進行輸入或/輸出代碼校驗來判斷系統(tǒng)故障，從而保證“故障—安全”控制的有效性。

圖2 故障安全導向輸入接口電路

圖3 電路接口形式

3 常見鐵路信號系統(tǒng)故障診斷方法

鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全措施對保證故障狀態(tài)下的鐵路運行安全意義重大，可以有效降低鐵路安全事故危害，盡最大限度避免人員傷亡。但從另一個方面來講，鐵路安全事故除了緊急保護之外，還應做好鐵路信號系統(tǒng)故障診斷工作，全面提高鐵路信號系統(tǒng)故障診斷水平，如此才能有效避免鐵路安全事故的發(fā)生，保證公眾生命健康安全。因此，加大鐵路信號系統(tǒng)故障診斷方法研究，強化對相關信號設備故障問題處理能力，提升鐵路運行安全指數(shù)，也是當下鐵路信號系統(tǒng)故障控制的重要議題之一。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷方法

神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷法工作原理如下：先選擇一個與實際應用需求符合的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡，再為該網(wǎng)絡選擇適配的學習方法，反復輸入不同的變量、權(quán)值或者合適數(shù)據(jù)值進行試錯學習[6]。通過不斷輸出相應樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡進行重復訓練，獲取最終理想值，再將相應的閾值和權(quán)值留下進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測并計算，最后再結(jié)合已有的各項故障數(shù)據(jù)與獲得的輸出數(shù)據(jù)進行對比，以此實現(xiàn)對故障的準確診斷。該診斷法有自主學習能力強、并行計算及時、非線性優(yōu)勢強等特點，同時，由于這種方式能夠通過網(wǎng)絡現(xiàn)有數(shù)據(jù)對故障發(fā)生概率進行準確預測，還可以根據(jù)模式識別算法對不同故障進行智能化分類，并建立基于故障知識處理下的高效化故障診斷系統(tǒng)，具有較高的智能性與靈活性，因此常用在人為因素引起的各種鐵路信號系統(tǒng)故障診斷中。

3.2 模糊邏輯故障診斷方法

模糊邏輯故障診斷法不需要建立復雜的數(shù)學模型，其基本原理是通過特定算法對人類思維模糊性特點進行模擬，從而達到故障診斷自動化的應用目的。由于它在實際操作中并不需要再建立復雜的數(shù)學模型進行模型訓練，因此實際應用過程中的操作比較簡單。但即便如此，其在具體操作過程中也需要建立相應的算法規(guī)則，并根據(jù)規(guī)則確定相關隸屬函數(shù)，實現(xiàn)對設備故障的檢查診斷。由于目前該方法缺少完善的模型支持，故在實際應用中只用于處理前期預警等相對簡單的系統(tǒng)故障問題。

3.3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷方法

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷方法是一種結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊理論兩種故障診斷方法主體優(yōu)勢而開發(fā)出來的一種綜合性較強的系統(tǒng)故障診斷方法。其工作過程分為兩步：先利用神經(jīng)網(wǎng)絡逼近任意函數(shù)；再通過映射模糊推理進行主動的輸入輸出推理，以此實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的模糊控制診斷。這種方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：它同時具備人腦思維模擬與模糊信息處理兩種功能，具有較強知識儲備和學習能力，并可以通過反復試錯積累經(jīng)驗，提升故障診斷能力。除此之外，它還可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡，對系統(tǒng)模糊規(guī)則進行持續(xù)的優(yōu)化完善，并不斷調(diào)整隸屬函數(shù)參數(shù)，擴大和豐富自身的模糊算法容量，具有高度的智能化和先進性特點。因此，該方法目前研究比較廣泛，具有很強的應用潛力，可以作為未來設備故障診斷技術(shù)發(fā)展的新方向進行研究。

4 提升鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全的方案

4.1 完善安全性冗余結(jié)構(gòu)設計，保障列車行駛安全

鐵路信號系統(tǒng)構(gòu)成主要包括車站聯(lián)鎖、列車運行控制、行車調(diào)度控制等各種不同的控制系統(tǒng)，各個系統(tǒng)之間既有各自獨立的功能，也有內(nèi)部緊密的內(nèi)部協(xié)調(diào)聯(lián)系[7]。因此，列車的安全行駛，是所有控制系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的共同結(jié)果。故為了保持各個信號控制系統(tǒng)的功能穩(wěn)定，避免設備故障導致重大安全事故發(fā)生，鐵路工程技術(shù)相關工作人員在進行工程建設時，要做好鐵路信號控制系統(tǒng)故障導向安全措施，在每一個系統(tǒng)中都進行安全性冗余結(jié)構(gòu)設計，并設置好各結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中的輸入輸出命令，保證一旦某一子系統(tǒng)出現(xiàn)安全信息，即可通過綜合控制系統(tǒng)發(fā)出緊急控制命令，使運行中的列車減速或停止運行，避免出現(xiàn)重大鐵路安全事故，保證列車運行的穩(wěn)定性和安全性。

4.2 加強列車防護，規(guī)避列車沖突風險

雖然鐵路信號控制系統(tǒng)本身已經(jīng)具備強大的安全故障及緊急控制功能，但鐵路運維本身仍然屬于機械性工作，因此，列車追尾事故還是難以避免。并且由于列車運能強大，當發(fā)生列車追尾時，其所造成的公眾生命及工作人員生命安全損失難以估算，因此做好列車防護保護也十分重要。理論上講，由于列車行駛速度很快，增加列車防護裝置似乎缺乏可行性，但從另一個思路來看，技術(shù)人員也可以通過在列車頭部尾部配備智能化防護裝置，對運行中的列車進行安全距離控制，如果兩車之間的距離小于列車安全行駛距離時，智能化設備就會感應到其他列車的存在，從而向前面或者后面的列車發(fā)出警告信號，提示對方存在相撞可能，從而促使對方做出反應，緊急制動以規(guī)避沖突風險。當然，這種防護設備應用還處于理論階段，其具體使用還需考慮抗干擾設計，避免因其他因素造成運行困擾。

4.3 提升系統(tǒng)整體性能，做好各階段安全防控工作

鐵路信號控制系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)，除了做好多冗余設計外，還要采取其他手段進行“故障—安全”控制，例如飛機運行中使用的“多個發(fā)動機”手段，就是一個很好的參考[8]。鐵路技術(shù)工作人員可以將該手段鐵路運輸系統(tǒng)相結(jié)合，研發(fā)相似設計進行應用，以此提升系統(tǒng)整體性能，保持鐵路信號控制系統(tǒng)運行的安全高效。除此之外，為了保持列車運行的整體安全性，還要在鐵路其他信號系統(tǒng)如區(qū)間閉塞系統(tǒng)、行車調(diào)度控制系統(tǒng)等各重要工作系統(tǒng)中增加冗余設備配置，保證一旦列車運行出現(xiàn)故障信號，即可自動切換進入緊急安全制動模式，以此保證列車運行的安全穩(wěn)定。同時，還可以通過對鐵路信號控制系統(tǒng)開展積極有效的耐高壓和耐強磁試驗等方式，對系統(tǒng)進行“破壞性”試驗訓練，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)極限干擾問題時，仍然能夠保持正常工作，以此提升系統(tǒng)工作性能，避免重大鐵路安全事件的發(fā)生。

5 結(jié)語

隨著我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，鐵路運行安全問題已經(jīng)成為我國鐵路工程技術(shù)發(fā)展的重要課題。在此背景下，相關技術(shù)人員要加強鐵路信號控制系統(tǒng)的深入研究，提高鐵路信號系統(tǒng)故障診斷及應急處理能力，保證故障發(fā)生時列車導向安全，高效快捷的解決列車運行問題，同時還要以“故障—安全”原則為指導，加強冗余結(jié)構(gòu)設計，做好安全備份，提升鐵路信號控制系統(tǒng)整體性能，為列車行駛安全提供有力保障。