南京地鐵地面信號設(shè)備故障分析*

戴榮武

(南京地鐵運營有限責(zé)任公司通號分公司，210012，南京//工程師)

1 南京地鐵1號線及南延線地面信號設(shè)備故障介紹

南京地鐵1號線及南延線使用的是西門子提供的ATC(列車自動控制)信號系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制中心及車站ATS(列車自動監(jiān)控)設(shè)備、軌旁及車載LZB700 ATP(列車自動保護(hù))設(shè)備、SICAS(西門子計算機輔助信號)和FTG S軌道電路設(shè)備組成。

當(dāng)SICAS準(zhǔn)備好進(jìn)路后，ATP產(chǎn)生的報文通過軌道電路傳送至車載ATP設(shè)備上，行駛列車根據(jù)接收的ATP自動駕駛。設(shè)置在地面上的色燈信號機為列車司機輔助信號設(shè)備，便于司機確認(rèn)前方進(jìn)路信息。

當(dāng)在線運營列車遇到軌旁或車載LZB700 ATP設(shè)備發(fā)生故障時，運行列車應(yīng)立刻切除車載ATP功能。此時根據(jù)《行車組織規(guī)則》規(guī)定，列車司機根據(jù)地面信號機的燈位顯示意義，來判斷此時列車運行前方進(jìn)路安全與否，同時以地面信號的顯示意義為準(zhǔn)，列車司機根據(jù)地面信號機顯示手動駕駛列車。

1.1 色燈信號機的工作原理

信號機設(shè)備主要是由室內(nèi)控制板件(西門子信號控制系統(tǒng))和室外顯示設(shè)備(國產(chǎn)信號機)組成。操作人員在LOW(現(xiàn)場操作員工作站)上操作排列進(jìn)路命令或打開相應(yīng)的信號機自排(或追蹤)功能，并經(jīng)聯(lián)鎖計算機判斷該信號機是否可以開放信號，將開放信號命令通過光纖發(fā)送至現(xiàn)場接口柜內(nèi)相應(yīng)信號機對應(yīng)的S板；S板通過模擬信號將開放信號命令傳給信號機驅(qū)動模塊(D模塊)，再將燈位轉(zhuǎn)換命令通過分線架傳至信號機內(nèi)的點燈單元以驅(qū)動燈位轉(zhuǎn)換，并點亮信號機燈泡。每架信號機分別有紅、黃、綠3個顏色的燈位。信號機顯示的意義如下：紅燈表示禁止；綠燈表示進(jìn)路空閑且進(jìn)路中道岔開通直股；黃燈表示進(jìn)路空閑且進(jìn)路中道岔開通側(cè)向位置；黃燈+紅燈表示引導(dǎo)信號。信號機每個燈位獨立使用D模塊，如圖1所示。

由圖1可知，每架信號機各個燈位的點燈電源220 V直接從電源屏引入到D模塊一次側(cè)，當(dāng)列車進(jìn)路信號不開放時，紅燈D模塊工作，信號機點亮紅燈；當(dāng)進(jìn)路排列完成后，S板控制紅燈D模塊切斷紅燈電源，紅燈滅燈；當(dāng)綠燈D模塊工作時，輸出220 V電源，保證綠燈點亮。

圖1 色燈信號機各燈位點燈原理框圖

1.2 色燈信號機典型故障分類

在信號機室內(nèi)控制板件正常的情況下，可能出現(xiàn)的信號機故障一般包括信號機單個燈位滅燈故障和信號機單個燈位信號燈常亮故障兩大類。

1.2.1 信號機單個燈位滅燈故障

信號機單個燈位滅燈故障主要是由于信號機燈位的點燈保險絲斷絲造成的。

1.2.2 信號機單個燈位信號燈常亮故障

信號機單個燈位信號燈常亮故障主要是由于該燈位的D模塊故障造成的。由于每架信號機各個燈位的點燈電源220 V直接從電源屏引入至D模塊一次側(cè)，由D模塊負(fù)責(zé)通斷各個燈位的點燈電源。當(dāng)D模塊內(nèi)部開關(guān)電路(繼電器)出現(xiàn)接點粘連故障后，無法正常切斷點燈電源，從而導(dǎo)致某個燈位的信號燈常亮(即不滅)，使室外信號機出現(xiàn)紅燈和綠燈同時點亮的現(xiàn)象。以信號機的綠燈為例，由于西門子點燈電路中，在紅燈能正常點亮的情況下，不能實時檢查和監(jiān)督非工作狀態(tài)下的D模塊性能，更不能識別室外綠燈非正常點亮狀體，所以此時在未開放信號機的前提下，出現(xiàn)點亮紅燈的情況，系統(tǒng)并不能對該故障做出報警，即在LOW、MMI(人機界面)上無法立刻知曉該故障發(fā)生。此類故障發(fā)生后，均由列車司機觀察到綠燈和紅燈同時點亮后，并上報控制中心信號出現(xiàn)異常。

2 地面信號設(shè)備故障帶來的風(fēng)險及隱患分析

以圖2南京地鐵1號線站場為例，當(dāng)前方列車越過信號機X3106且信號機防護(hù)進(jìn)路被占用時，該架信號機點紅燈。若該架信號機綠燈D模塊出現(xiàn)故障，即發(fā)生了綠燈不滅故障時，室外信號機在正常點紅燈的基礎(chǔ)上，綠燈會同時點亮。而此時LOW和MMI上信號機圖標(biāo)顯示正常，未發(fā)生任何報警。如果這一故障還未來得及修復(fù)好，該架信號機紅燈電路保險絲或燈泡突然斷絲，造成紅燈出現(xiàn)滅燈故障，此時室外信號機的顯示狀態(tài)就會顯示獨立的綠燈，表示該信號機防護(hù)進(jìn)路鎖閉，允許列車正常通過，實際上卻是進(jìn)路可能并未出清、道岔正處于轉(zhuǎn)換的過程中。當(dāng)紅燈發(fā)生斷絲故障而造成紅燈滅燈后，LOW、MMI上會立即做出紅燈滅燈故障的報警，此時ATP系統(tǒng)會立即發(fā)出停車指令及0速度碼報文。后續(xù)即將通過的列車司機，雖然觀察到地面給出了綠色允許通過信號，但ATP系統(tǒng)會發(fā)出正確指令，禁止列車越過該信號機。但正線上經(jīng)常存在線上載客列車需切除車載ATP運行的情況，若該趟列車切除車載ATP后，手動駕駛至已經(jīng)發(fā)生綠燈不滅故障的信號機X3106前方時，紅燈適時地發(fā)生滅燈故障，列車司機在已經(jīng)切除車載ATP的基礎(chǔ)上，只能看到前方信號機點綠燈，并不知曉此時道岔是否轉(zhuǎn)換以及前方進(jìn)路空閑與否。列車司機只會憑借錯誤的地面信號機顯示繼續(xù)行進(jìn)，以無ATP防護(hù)的手動模式駕駛越過該信號機后，就會出現(xiàn)必然的列車冒進(jìn)信號事件，甚至可能造成擠岔、列車沖突及追尾等事故。

圖2 南京地鐵1號線站場信號機布置示意圖

3 地面信號設(shè)備故障原因分析

為確保信號系統(tǒng)為行車組織提供穩(wěn)定、可靠、安全的行車保證，現(xiàn)對地面信號故障原因進(jìn)行分類并逐一分析。

3.1 信號機單個燈位滅燈故障原因分析

通過示波器檢測，發(fā)現(xiàn)信號機在開放或關(guān)閉信號的一瞬間，電路中偶爾存在的電流瑕疵(見圖3)，造成電路中的瞬間電流峰值超出保險管的負(fù)荷，該瞬時電流正常熔斷保險管(見圖4)，造成信號機滅燈故障。

圖3 點燈電路電流瑕疵脈沖

圖4 信號機紅燈位熔斷保險管電路示意圖

3.2 信號機單個燈位信號燈常亮故障原因分析

由于信號機紅、綠、黃3個點燈燈位電路均獨立存在，點燈電源由各自的D模塊輸出供給。信號綠燈位D模塊內(nèi)部電路示意如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)信號機S模塊發(fā)出允許開放綠燈命令后，綠燈D模塊的S0、S1繼電器得電并吸起，S0的第2組和第3組接點接通信號機點燈電源220 V，S1的第2組接點接通信號機點燈電源220 V，此時室外信號機綠燈燈泡點亮。

圖5 信號機綠燈位D模塊內(nèi)部電路示意圖

當(dāng)D模塊的S0、S1繼電器出現(xiàn)接點粘連故障后，無法正常切斷點燈電源，從而導(dǎo)致某個燈位的信號燈常亮(即不滅)，使室外信號機出現(xiàn)紅燈和綠燈同時點亮的現(xiàn)象。

4 信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)

正如上文分析，當(dāng)綠燈非正常點亮?xí)r，造成列車司機手動駕駛時冒進(jìn)信號的主要原因是信號機紅燈已經(jīng)滅燈，未能給司機提供禁止信號。雖然在實際運營中，這種車、地信號設(shè)備同時出現(xiàn)故障的可能性較低，但是本著“未雨綢繆，居安思?！钡膽B(tài)度，認(rèn)為此種現(xiàn)象不能滿足信號設(shè)備故障導(dǎo)向安全的原則。

為避免此類情況的發(fā)生，確保信號機紅燈不會因為保險管正常斷絲造成信號機滅燈故障，對南京地鐵1號線部分信號機點燈電路進(jìn)行了改造，并自主研發(fā)了1套“信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置”。在原有的點燈電路中，供點燈電源使用的保險管只有1個，當(dāng)信號機點燈電路中出現(xiàn)的電流瑕疵沖擊保險管后，瞬時電流峰值一旦超出保險管的正常負(fù)荷，保險管就會自然熔斷。而“信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置”，在保險管兩側(cè)并聯(lián)1個副保險管，在副保險管的一端串聯(lián)了1個200 Ω的電阻和一個發(fā)光二極管。在正常點亮燈位時，由于主保險管支路的電阻小于副保險管支路，所以點燈電路的電流只流經(jīng)主保險管，只有維持最初電路特性，工作電流才不會流進(jìn)增加的副保險管內(nèi)。當(dāng)電流瑕疵沖斷主保險管后，在副保險管支路被電阻分壓后，瞬間流經(jīng)的電流下降，此時并不會熔斷副保險管，從而確保室外各燈位維持點亮，避免滅燈故障的發(fā)生。同時在電阻兩側(cè)的硅整流管為發(fā)光二極管提供電壓，保證發(fā)光二極管在主保險管斷絲時點亮，并給出主保險管斷絲的報警信息。信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置點燈電路如圖6所示。圖6中，對信號機每個燈位的原有保險管兩端進(jìn)行改造，接入信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置和副保險管。當(dāng)瑕疵電流峰值通過主保險管熔斷主保險斷絲后，副保險管自動接入電路，利用副保險管支路中的電阻產(chǎn)生微小分壓，減少電路中的電流峰值對副保險管的影響，從而確保了點燈電路始終保持完整，這樣便不會造成信號機滅燈故障的發(fā)生。為了方便現(xiàn)場安裝，將12套電路設(shè)計在一張PCB(印刷電路板)上，將該裝置命名為“信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置”，確定型號為NJDT01-12(見圖7)。

圖6 信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置點燈電路圖

圖7 信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置

5 結(jié)語

信號機雙熔絲轉(zhuǎn)換裝置已在南京地鐵1號線全線信號機上安裝且使用正常。第2屆青奧會開幕式當(dāng)日，安德門站X0501信號機發(fā)生了紅燈斷保險故障，由于該裝置的使用，確保了信號機在主保險管斷絲后，信號機仍然正常點亮各燈光，未發(fā)生滅燈故障，能夠始終保證地面信號機紅、綠、黃等燈光的可靠顯示。當(dāng)發(fā)生其他信號設(shè)備故障時，該裝置亦能確保信號設(shè)備故障導(dǎo)向安全，為列車安全運營提供可靠保證。