雙套冗余異構列車運行控制系統的可靠性及運營延誤分析*

汪小勇 歐冬秀 劉 宇 紀玉清 唐晨凱

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海;2.上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室,201804,上海;3.同濟大學交通運輸工程學院,201804,上海; 4.卡斯柯信號有限公司,200071,上海 ∥ 第一作者，正高級工程師)

1 現有運行線故障分析及其對運營的影響

目前軌道交通信號系統采用固定閉塞、TBTC(基于數字軌道電路的列車控制)、BM(基于固定閉塞的點式列車自動防護模式)、單CBTC(基于通信的列車控制)、CBTC+BM及CBTC+TBTC冗余備份等列車運行控制(以下簡為“列控”)制式。其中，固定閉塞系統、TBTC系統、BM的點式ATP(列車自動保護)系統及單CBTC系統為單套列控系統，CBTC+BM系統及CBTC+TBTC系統為雙套冗余異構列控系統。

基于互聯網數據，統計分析了某市軌道交通各類突發事件(含設備發生故障)造成的列車5 min以上延誤總體情況，如表1所示。分析結果顯示，故障次數占據前三的線路為運營服役時間最長的3條線，其信號制式分別為固定閉塞、TBTC(準移動閉塞)、單CBTC(移動閉塞)。在故障次數占比最高的TBTC制式線路中，由信號設備故障引起的運營延誤次數占比超1/4(見表2)，僅次于由車輛故障引起的延誤次數，顯然無法滿足高質量客運服務的需求。

表1 某市軌道交通列車延誤5 min以上故障次數統計(2012—2019年)

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

2012年至2019年間，各線由信號設備故障導致的5 min以上延誤次數差別較大。究其原因，各線建設年代不同，其信號系統制式和所用技術也不同。經細化分析發現，占比最高的TBTC制式線路信號設備故障對列車運營的影響時長大多為10～20 min及30 min以上(見圖1)。對于繁忙的城市軌道交通干線，30 min以上的延誤會影響到數以萬計的乘客出行，必須予以避免。

2 不同列車運行控制制式的工作模式

某市軌道交通早期建設的線路,其信號系統采用單套列控系統，且未設置BM；后期建設的線路都采用CBTC+BM系統，其實質是以CBTC為主用列控系統，以點式ATP作為降級備用列控系統。列控系統主要由ATS(列車自動監控)、ATP、ATO(列車自動駕駛)、CI(計算機聯鎖)、TWC(車地通信設備)等多個子系統，以及基礎信號設備組成。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、主要設備系統等各有差異，具體見表3。

3 不同制式列控系統的可靠性分析

3.1 單套系統可靠性分析

文獻[1-4]基于城市軌道交通信號系統列車自動控制技術提出了RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)指標要求(見表4)。

根據點式ATP列控系統、TBTC系統和單CBTC系統的設備組成，參考表4的基礎指標，測算整個信號系統的可靠性指標。本研究使用商用安全可靠性分析軟件PTC Windchill Quality Solutions 11.0，對點式ATP列控系統、TBTC系統和單CBTC系統建立RBD(Reliability Block Diagrams，可靠性方塊圖)(見圖2)，并進行可靠性指標計算。

表4 城市軌道交通信號系統各子系統及設備的可靠性指標

列車運行1 000 h的列控系統可靠性指標計算結果如表5所示。單CBTC系統可靠度最高，TBTC次之，BM最低。可見由于新技術的引入，CBTC系統具有更高的可靠性。列控系統可靠性與其本身結構及控制方式密切相關。雖然現在的列控系統的可靠性有所提高，但只要單套列控系統發生故障，列車仍會直接進入人工駕駛模式，由人工調度，并由司機目視行車，致使運營效率受到嚴重影響。

圖2 列控系統的RBD[5-6]

表5 列車運行1000 h的列控系統可靠性指標計算結果

3.2 雙套冗余異構系統可靠性分析

某市軌道交通新建線路較多采用CBTC+BM雙信號冗余系統方案，當主用CBTC系統中的區域控制器等發生故障，或車地無線通信功能受限時，列車可切換至BM模式，以保證列車的安全運行[7]。有些設備為CBTC模式與BM模式復用。當聯鎖、道岔及電源等復用設備發生故障時，列車不可避免地切換為人工駕駛模式，由人工調度并由司機目視行車。

CBTC+TBTC系統是一種信號系統利舊的升級改造方案。CBTC系統中的ZC和車地無線通信子系統等一旦發生故障，會導致列控系統降級為TBTC模式。如果聯鎖系統、道岔和電源等復用設備發生嚴重故障，或者軌道電路等TBTC系統的關鍵設備發生故障，則會直接導致TBTC系統失效，列車只能依靠人工調度、站間閉塞技術及司機目視行車[8]。

本文采用馬爾科夫過程選取關鍵的車地通信故障，并將之作為觸發條件來構建信號系統狀態轉換過程，進而分析CBTC+BM、CBTC+TBTC等雙套冗余異構列控系統的狀態轉換過程(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)，計算列車運行1 000 h后的相關RAM指標，如表6所示。計算結果表明，CBTC+TBTC系統具有更高的可用性。

表6 不同制式的雙信號系統可靠性指標計算結果

4 雙套冗余異構列控系統模式切換對列車延誤的影響

4.1 CBTC+BM系統

CBTC+BM系統依靠主用CBTC系統來實現移動閉塞。當CBTC系統的ZC或DCS發生故障，且CBTC系統本身的冗余失效時，列車切入BM后備模式運行，其防護曲線發生變化(見圖3)。

本文使用賦時Petri網建立列控系統由CBTC模式切換到BM模式的過程，如圖4所示。當CBTC制式發生DCS故障，列車丟失移動授權時，一方面，列車先緊急制動直至列車完全停穩；另一方面，司機與調度請求確認模式切換。當中心調度人員授權司機切換控制模式時，列車先切換模式至RM(限制人工駕駛模式)，待列車運行通過有源信標并完成車載BM初始化后，則進入BM。如CBTC通信恢復正常，則列車只要接收到有效的移動授權，就可自動切換回CBTC模式。

圖3 CBTC+BM系統的列控模式轉換

圖4 CBTC+BM系統模式切換的Petri網模型

圖5 不同t信標下的t誤分布仿真計算結果

利用Petri網模型,仿真計算不同t信標(相鄰信標運行間隔)下的t誤(列車延誤時間)，如圖5所示。當t信標=2 min時，t誤平均值約為5 min，50%以上的t誤超過5 min；當t信標=4 min時，t誤平均值約為10 min,超過5 min占比達90%以上；當t信標=6 min時，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降級時的切換時間受信標設置間距的影響較大。

4.2 CBTC+TBTC系統

當CBTC+TBTC系統的主用CBTC系統發生故障且其本身冗余失效時，列控系統切入TBTC制式，可實現準移動閉塞，雖增大了最小追蹤間隔，卻仍能保障較為充足的運力。CBTC+TBTC系統的列車控制模式轉換如圖6所示。

圖6 CBTC+TBTC系統的列控模式轉換

采用賦時Petri網建立列控系統由CBTC模式切換到TBTC模式的過程如圖7所示。當CBTC系統的DCS發生故障時，列車隨即接入TBTC系統下的數字軌道電路TWC子系統，從而實現連續通信。準移動閉塞下列車降速10%運行，必須保證前方閉塞分區出清后方可駛入，轉入TBTC制式下基于目標-距離追蹤運行。列車延誤主要由于列車運行間隔的增大和列車行駛速度的降低造成，根據構建的賦時Petri網模型對列控系統降級導致的列車晚點時間進行計算。

圖7 CBTC+TBTC制式下由于通信故障導致系統降級至TBTC運行模型

基于Petri網模型，仿真計算當t運行(運行設計間隔)分別為100 s、120 s和180 s時的t誤，結果如圖8所示。當t運行=100 s時，t誤均不超過2 min。這與當前某線路“CBTC+TBTC”信號系統改造工程中的TBTC制式設計行車間隔一致。當t運行=120 s和t運行=180 s時，t誤均未超過5 min。CBTC+TBTC系統為1套連續通信的閉塞系統，其降級時的信號切換用時僅由本身行車間隔和速度降級造成，遠低于CBTC+BM系統的信號切換用時。

圖8 TBTC不同t運行下的t誤分布仿真計算結果

5 結語

本文基于現場數據和理論建模，計算列控系統的RAM指標。計算結果表明，雙套冗余異構列控系統的可用性高。針對CBTC+BM系統及CBTC+TBTC系統，建立Petri網模型并分析了列控模式切換對列車延誤的影響。CBTC+TBTC系統的模式切換用時短，基本不會發生5 min的列車延誤。CBTC+BM系統的模式切換用時與t信標有直接關系：t信標越小，對列車延誤的影響越小，當t信標=2 min時，列車的平均延誤時間約為5 min；當t信標增大時，列車延誤時間將成倍增長。

在工程實踐中，應結合實際選擇信號制式，選擇合適的雙套冗余列控系統，既能提升列控系統的可用性，也能降低列控模式切換對列車延誤的影響，從而滿足線路大客流運輸的需求，提升服務水平。