北京S1線渡線道岔區段計軸相關安全分析

吳炳昊 代繼龍

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

北京S1線是北京市第一條以中低速磁懸浮列車運行的軌道交通線路，該線路裝備了中國通號研發的FZL200型MATC (Maglev Automatic Train Control)系統、JZ.GD-1型微機計軸設備，并由中國通號負責信號系統集成。北京S1線信號系統具備CBTC控制級、聯鎖控制級二級控制模式。

北京S1線采用JZ.GD-1型計軸設備進行列車的占用空閑檢測，使用方式與傳統輪軌線路有所不同，如：磁浮列車上加裝感應鋼板作為模擬輪對使計軸系統通過車輪傳感器得到列車輪對計數，線路中的渡線道岔區段區別于傳統輪軌線路那樣在渡線道岔中心安裝車輪傳感器等。

本文將對在渡線道岔中心無安裝車輪傳感器此特殊安裝方式，介紹信號系統的處理方案，并對該方案進行安全分析。

2 渡線道岔計軸相關的特殊點

北京S1線渡線道岔區段未在道岔中心位置安裝車輪傳感器，其車輪傳感器的布置如圖1所示。

圖1 渡線道岔區段車輪傳感器安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of wheel detectors in crossover switch area

為了在圖1所示的車輪傳感器安裝方式下，能夠區分渡線道岔上、下行區段各自的占用/空閑狀態，渡線道岔區段JZ.GD-1型計軸主機采集道岔的DBJ、FBJ。以單渡線道岔區段2DG計軸主機為例（雙渡線道岔與單渡線類似），說明其主要計軸邏輯如下：

當采集到DBJ吸起且FBJ落下時，計軸判斷道岔處于定位，以J2、J3為車輪傳感器進行列車輪對計數；

當采集到DBJ落下且FBJ吸起時，計軸判斷道岔處于反位，以J1、J2、J3、J4為車輪傳感器進行列車輪對計數；

當采集到DBJ吸起且FBJ吸起時，計軸判斷道岔處于四開，以J1、J2、J3、J4為車輪傳感器進行列車輪對計數。

上述計軸功能是安全可信的。

另外：

當計軸系統采集到道岔位置異常（DBJ吸起且FBJ吸起）時，則計軸進入故障狀態（輸出GJ落下）；

當計軸系統采集到道岔四開（DBJ落下且FBJ落下）時，同時檢測到輪對計數區域內存在列車輪對，則計軸進入故障狀態（輸出GJ落下）。

在北京S1線實施過程的分析中發現：計軸系統對渡線道岔定位、反位信息的采集僅可采用簡單接口方式，但這種接口方式在理論上存在錯誤采集的可能性。因此，需對由該失效引入的系統安全性影響進行分析，以確保北京S1線渡線道岔上、下行區段占用/空閑信息的安全性。本文后續內容將對這個問題進行探討。

3 北京S1線的聯鎖處理方案

由于聯鎖系統對道岔的DBJ、FBJ采集是安全可信的，項目以此為依靠點，對該問題進行處理，對聯鎖系統提出了安全需求：

當聯鎖采集到渡線道岔（含雙渡線道岔、單渡線道岔）并非所有道岔均處于定位時，則采集到渡線道岔區段上、下行任一區段的GJ落下應作為上、下行區段GJ均為落下處理；

僅當聯鎖采集到渡線道岔（含雙渡線道岔、單渡線道岔）所有道岔均處于定位時，才可將渡線道岔區段上、下行區段的GJ不做關聯，分別處理。

4 以計軸、聯鎖特殊處理為基礎上的安全分析

本文通過枚舉的方法，對道岔實際開向與計軸可能采集的道岔開向進行分析。分析時，基于下列幾點：

1）計軸采集的DBJ、FBJ不是安全可信的，聯鎖采集的DBJ、FBJ是安全可信的；

2）計軸系統的計軸功能是安全可信的，但其根據采集到的DBJ、FBJ選取的車輪傳感器、以及由車輪傳感器組成的輪對計數區域不是安全可信的；

3）對于道岔系統而言，對信號系統的安全要求是不應錯誤的啟動道岔；

4）在信號系統未啟動道岔時，道岔系統由于其他原因啟動導致的危險信號系統無法防護，本文的分析亦不考慮。

4.1 計軸未采集到DBJ、FBJ狀態變化的情況

在計軸采集DBJ、FBJ狀態與道岔實際狀態一致時，會選取正確的車輪傳感器組成正確的輪對計數區域，無安全風險。

4.1.1 CI采集渡線道岔為定位（DBJ吸起、FBJ落下）

1）若計軸錯誤判斷為反位（DBJ落下、FBJ吸起）

a.實際無車時，無安全影響；

b.若實際有車占用，會導致CI認為的占用區域擴大，影響可用性，但無安全風險。

2）若計軸錯誤判斷為四開（DBJ落下、FBJ落下）

a.實際無車時，無安全影響；

b.若實際有車占用，則計軸進入故障狀態，可能導致CI認為的占用區域擴大，會影響可用性，但無安全風險。

3）若計軸錯誤判斷為異常位置（DBJ吸起、FBJ吸起）：計軸進入故障狀態，會影響可用性，但無安全風險。

4.1.2 CI采集渡線道岔為反位（DBJ落下、FBJ吸起）

1）若計軸錯誤判斷為定位（DBJ吸起、FBJ落下）

a.實際無車時，無安全影響；

b.若實際有車占用，只要渡線道岔上、下行區段不同時出清（見4.3節），則雖然計軸輸出可能導致占用區域減小的危險測輸出，但CI在道岔反位時，會將占用區域重新修正為渡線道岔上、下行區段均為占用，并不會導致CI認為占用區域減少，沒有導致危險。

2）若計軸錯誤判斷為四開（DBJ落下、FBJ落下）

a.實際無車時，無安全影響；

b.若實際有車占用，則計軸進入故障狀態，會影響可用性，但無安全風險。

3）若計軸錯誤判斷為異常位置（DBJ吸起、FBJ吸起）

計軸進入故障狀態，會影響可用性，但無安全風險。

4.1.3 CI采集渡線道岔為四開（DBJ落下、FBJ落下）

1）若計軸錯誤判斷為定位（DBJ吸起、FBJ落下）

a.實際無車時，無安全影響；

b.若實際有車占用，只要渡線道岔上、下行區段不會同時出清（見4.3節），則雖然計軸輸出可能導致占用區域減小的危險測輸出，但CI在道岔四開時，會將占用區域重新修正為渡線道岔上、下行區段均為占用，并不會導致CI認為占用區域減少，沒有導致危險。

2）若計軸錯誤判斷為反位（DBJ落下、FBJ吸起）

a.實際無車時無安全影響；

b.若實際有車占用，計軸雖然不會進入故障，但仍按照正確的車輪傳感器計軸，CI此時只要采集到上、下行任一區段的GJ落下，則會按照上、下行區段均有車占用處理，沒有導致危險。

3）若計軸錯誤判斷為異常位置（DBJ吸起、FBJ吸起）：計軸進入故障狀態，會影響可用性，但無安全風險。

4.1.4 CI采集渡線道岔為異常（DBJ吸起、FBJ吸起）

此時CI按照道岔四開處理，可以參照“CI采集渡線道岔為四開（DBJ落下、FBJ落下）”的情況。

綜上所述：在計軸未采集到DBJ、FBJ狀態變化時，北京S1線的系統方案不會導致危險。

4.2 計軸采集到DBJ、FBJ狀態變化的情況

渡線道岔區域（包含渡線道岔上、下行區段）實際無車占用時，無安全風險，可能是正常的扳動道岔。

考慮渡線道岔區域（包含渡線道岔上、下行區段）實際有車占用的情況，通過前面的分析已經知道：在計軸未采集到DBJ、FBJ狀態變化時，沒有安全風險（見4.1節）；并且不會出現上、下行計軸區段同時出清的情況（見4.3節）。那么相對不利的情況考慮，即渡線道岔上、下行計軸區段只有1個輸出占用。

1) 出清計軸采集到DBJ、FBJ變化的情況：該計軸會將此情況當作正常狀態處理，DBJ、FBJ變化后，按照新的車輪傳感器組成輪對計數區域，并根據該區域存在的列車輪對數驅動GJ吸起或落下，無安全風險。

2) 占用計軸采集到DBJ、FBJ變化的情況：首先這是一種異常情況；另外，計軸根據其采集的DBJ、FBJ狀態，選擇相應的車輪傳感器組成輪對計數區域，進行列車輪對計數，并判斷應輸出GJ的狀態。此時，計軸應保證的是：不應存在輪對計數、輸出GJ落下時，由于其采集DBJ、FBJ的變化，而導致其輪對計數邏輯混亂，造成后續輸出GJ的不可信。可行的措施如下。

a.計軸在判定輪對計數區域內存在列車輪對（輸出GJ落下）時，若采集到DBJ或FBJ任意發生變化，則應進入持續輸出GJ落下的故障狀態；除非經人工復位確認安全，不可自動恢復。

b.計軸內部應同時維護2個輪對計數：一個通過道岔采集為定位（DBJ吸起、FBJ落下）時的車輪傳感器進行輪對計數，另一個通過道岔采集為反位（DBJ落下、FBJ吸起）、四開（DBJ落下、FBJ落下）、異常（DBJ吸起、FBJ吸起）時的車輪傳感器進行輪對計數；并根據其采集的道岔DBJ、FBJ狀態，選擇對應的輪對計數，來判定應驅動GJ吸起還是落下。

比較上述2種方法，方法b的可用性好一些；但是即便采用方法b在異常場景下，計軸系統進入故障狀態，會提升總體信號系統的安全邊際，提升總體信號系統的安全性。

4.3 渡線道岔上、下行區段計軸同時出清的安全分析

若渡線道岔上、下行區段均無車占用，此時對應上、下行計軸區段均輸出出清（GJ吸起），無安全風險。

若渡線道岔區域（包含渡線道岔上、下行區段）實際有車占用，以第2節所示單渡線道岔（雙渡線道岔類似）為例，可按照表1考慮。

如表1所示，渡線道岔上、下行區段實際有車占用時，僅當上、下行計軸主機均采集道岔位置為定位時，才存在同時輸出出清（GJ吸起）的可能。進一步分析可以發現：此時，渡線道岔上、下行區段計軸分別以上、下行的2個車輪傳感器進行列車輪對計數，至少1個計軸主機會檢測列車輪對，不會出現上、下行計軸區段同時輸出GJ吸起的情況。

所以，在渡線道岔區域（包含渡線道岔上、下行區段）實際有車占用時，至少有1個計軸會輸出占用（GJ落下），不會出現對應上、下行計軸區段均輸出出清（GJ吸起）的情況。

表1 有車占用時的渡線道岔區段計軸輸出Tab.1 Outputs of axle counters in crossover switch area when train occupied

5 總結

本文介紹了北京中低速磁懸浮軌道交通S1線信號系統集成對渡線道岔中心位置無安裝車輪傳感器的處理方法。由于北京S1線車輪傳感器的特殊安裝方式，對信號系統渡線道岔上、下行區段占用、空閑狀態的采集進行安全風險分析，論證了該處理方法的安全性。這種處理方法是一個通過系統層面安全設計，完善子系統/設備層面安全性的例子。