铁路信号控制系统故障导向安全研究

郝凌云

(中电物流路港有限责任公司赤峰铁路分公司，内蒙古 赤峰 024000)

铁路信号控制系统是铁路运行的中枢环节，对保障铁路安全运行意义重大。而随着现代铁路运行技术的深入发展，铁路信号控制技术也呈现出丰富的智能化、一体化特征。但即使是在铁路运行技术高度发达的情况下，也仍然无法避免铁路事故的发生，因此，加强对铁路信号控制系统的故障导向安全研究，保证列车在铁路信号控制系统出现故障的情况下能够实施紧急制动停止运行，避免重大铁路安全事故的发生，是当下列车运行安全工作过程需要解决的首要问题。

1.1 铁路信号系统构成要素

铁路信号系统构成主要包括车站联锁、区间闭塞、列车运行控制等各个方面的内容，车站联锁主要用与保证车站的道岔、进路及信号三者间的联锁关系，实现对列车进站、分路等运行过程的监察控制；
区间闭塞，主要用来保持列车运行区间的安全有序，维持列车与列车之间的距离，并方便相关工作者了解各自的运营情况及列车停靠时间，保证运行安全[1]；
列车运行控制，主要用来记录和控制列车行驶状态；
行车调度控制分为调度指挥系统和行车调度指挥控制系统两个部分，其作用是收集行车信息，保持列车调度效率并对列车故障进行及时处理，为列车安全高效行驶提供技术支持；
道口信号主要用于对车辆和行人发出行车提醒和警示，避免列车行驶过程中的人员误伤；
信号微机监测，主要借助计算机技术，收集列车运行数据，检查相关设备故障，并通过及时的数据处理和设备故障诊断处理，保证铁路运行安全规范。以上就是铁路信号系统的主要构成要素，它们相互关联，缺一不可，共同作用于列车运行过程中，对整个铁路运行工作的顺利开展发挥着不可替代的作用。

1.2 铁路信号控制系统故障导向安全

铁路信号控制系统故障导向安全，指的是设备内部出现故障时，系统可以将设备运作后果及时纳入安全保护范畴，保证故障状态下的安全命令能够紧急发出并得到准确执行，简单来说，就是相关技术人员通过设置一个保证安全的输出信号控制系统，保证列车在出现设备故障的情况下能够实现安全控制，这个系统就是“故障—安全”系统，简称“FSS”[2]。在铁路运行规划中，“故障—安全”系统设置十分重要，它能够保证铁路信号控制系统故障状态下的列车安全，并根据实时故障情况制止列车运行，保证列车不会因为系统故障引发的错误指令而酿成重大安全事故，最大限度的保护公众生命安全。

2.1 安全性冗余结构信号控制系统

所谓安全冗余结构就是指采用多重备份增加系统可靠性的一种结构设计方式，如电力系统中的线路双重保护设计，就是采用设备性冗余机构进行电网安全维护，倒闸操作双监护则是以制度性冗余的方式保护人身安全[3]。而在铁路计算机联锁中则常采用安全性冗余结构提升信号系统控制的可靠性。安全性冗余结构有3种冗余方式：双机热备由两台计算机组成，一台为主机联锁，另一台则进行联锁运算，由于双击切换存在操作安全问题，因此仅在单线支线或者非提速区段使用；
二乘二取二系统，采用4台计算机组合为主机输出控制指令系统和热备系统两个子系统，再将其中一个子系统中的两台不同计算机计算同一套编码程序，并进行运算结果对比，如果结果一致就可以输出控制指令，如果不一致立即切换到另一个子系统进行输出；
三取二系统，该系统由3台计算机构成，3台计算机同时运行相同的联锁软件，输出指令由联锁表决器判断，任意两台输出一致则表示联锁工作正常，如果任意两台故障，则必须服从“故障—安全”原则，禁止输出。目前，二乘二取二冗余技术可靠性和安全性最高，是我国铁路信号设备采用的最主要冗余结构。其基本结构图如图1所示。

图1 二乘二取二冗余技术基本结构

2.2 静态多元控制系统

静态多元控制系统下的故障安全导向输入接口电路如图2所示。线路信息通过多个光电耦合采集单元同时进行采集并传输到计算机端口。当采集条件启动并连接正常时，各采集单元输出皆显示为高电平，计算机端收到的代码就会显示为1111；
如果采集条件停止或者出现断开时，各采集单元就会输出低电平，其计算机显示代码为0000[4]。而同一时间，计算机会启动对4个码元的逻辑运算，如运算结果显示“1”，则说明采集条件接通，为“0”，则表示电路采集条件已经断开，从而实现“故障—安全”的有效控制。

2.3 动态闭环控制系统

动态闭环控制系统电路接口形式如图3所示。在该系统下，光电耦合管G2输出侧由计算机输出口控制，光电耦合管G1输入侧由采集输入口控制，两者形成串联[5]。当采集条件充分时，计算机输出的脉冲序列会通过系统作用重返计算机输入端，形成以动态脉冲为主要表现的危险侧信息；
如果电路任意位置发生断线或混线等线路故障，计算机输入端的电平数值则会保持稳定，并作为安全侧信息处理，计算机输入端的电平则会保持在稳定状态，其数值则可用作安全侧信息处理。除此之外，动态输出驱动电路对信息的控制是采用输出动态脉冲的形式来进行的，只有动态的脉冲信息才能激起执行继电器的执行反应，静态电平驱动则没有不会产生作用。同时输出代码需要回读到计算机上，如果计算机出现工作异常或输出电路故障，计算机就不能完成输出代码会读，相关的连续动态信息输出就难以保证，此时执行继电器不会发生反应，设备也不会执行错误动作。综上所述，动态输入/输出电路其实本质上是连续的闭环控制系统，其工作原理是通过计算机进行输入或/输出代码校验来判断系统故障，从而保证“故障—安全”控制的有效性。

图2 故障安全导向输入接口电路

图3 电路接口形式

铁路信号控制系统故障导向安全措施对保证故障状态下的铁路运行安全意义重大，可以有效降低铁路安全事故危害，尽最大限度避免人员伤亡。但从另一个方面来讲，铁路安全事故除了紧急保护之外，还应做好铁路信号系统故障诊断工作，全面提高铁路信号系统故障诊断水平，如此才能有效避免铁路安全事故的发生，保证公众生命健康安全。因此，加大铁路信号系统故障诊断方法研究，强化对相关信号设备故障问题处理能力，提升铁路运行安全指数，也是当下铁路信号系统故障控制的重要议题之一。

3.1 神经网络故障诊断方法

神经网络故障诊断法工作原理如下：先选择一个与实际应用需求符合的网络数据结构，建立神经网络，再为该网络选择适配的学习方法，反复输入不同的变量、权值或者合适数据值进行试错学习[6]。通过不断输出相应样本对神经网络进行重复训练，获取最终理想值，再将相应的阈值和权值留下进行现场数据检测并计算，最后再结合已有的各项故障数据与获得的输出数据进行对比，以此实现对故障的准确诊断。该诊断法有自主学习能力强、并行计算及时、非线性优势强等特点，同时，由于这种方式能够通过网络现有数据对故障发生概率进行准确预测，还可以根据模式识别算法对不同故障进行智能化分类，并建立基于故障知识处理下的高效化故障诊断系统，具有较高的智能性与灵活性，因此常用在人为因素引起的各种铁路信号系统故障诊断中。

3.2 模糊逻辑故障诊断方法

模糊逻辑故障诊断法不需要建立复杂的数学模型，其基本原理是通过特定算法对人类思维模糊性特点进行模拟，从而达到故障诊断自动化的应用目的。由于它在实际操作中并不需要再建立复杂的数学模型进行模型训练，因此实际应用过程中的操作比较简单。但即便如此，其在具体操作过程中也需要建立相应的算法规则，并根据规则确定相关隶属函数，实现对设备故障的检查诊断。由于目前该方法缺少完善的模型支持，故在实际应用中只用于处理前期预警等相对简单的系统故障问题。

3.3 模糊神经网络故障诊断方法

模糊神经网络故障诊断方法是一种结合了神经网络和模糊理论两种故障诊断方法主体优势而开发出来的一种综合性较强的系统故障诊断方法。其工作过程分为两步：先利用神经网络逼近任意函数；
再通过映射模糊推理进行主动的输入输出推理，以此实现对系统故障的模糊控制诊断。这种方法的优势主要体现在：它同时具备人脑思维模拟与模糊信息处理两种功能，具有较强知识储备和学习能力，并可以通过反复试错积累经验，提升故障诊断能力。除此之外，它还可以通过神经网络，对系统模糊规则进行持续的优化完善，并不断调整隶属函数参数，扩大和丰富自身的模糊算法容量，具有高度的智能化和先进性特点。因此，该方法目前研究比较广泛，具有很强的应用潜力，可以作为未来设备故障诊断技术发展的新方向进行研究。

4.1 完善安全性冗余结构设计，保障列车行驶安全

铁路信号系统构成主要包括车站联锁、列车运行控制、行车调度控制等各种不同的控制系统，各个系统之间既有各自独立的功能，也有内部紧密的内部协调联系[7]。因此，列车的安全行驶，是所有控制系统功能正常发挥的共同结果。故为了保持各个信号控制系统的功能稳定，避免设备故障导致重大安全事故发生，铁路工程技术相关工作人员在进行工程建设时，要做好铁路信号控制系统故障导向安全措施，在每一个系统中都进行安全性冗余结构设计，并设置好各结构子系统中的输入输出命令，保证一旦某一子系统出现安全信息，即可通过综合控制系统发出紧急控制命令，使运行中的列车减速或停止运行，避免出现重大铁路安全事故，保证列车运行的稳定性和安全性。

4.2 加强列车防护，规避列车冲突风险

虽然铁路信号控制系统本身已经具备强大的安全故障及紧急控制功能，但铁路运维本身仍然属于机械性工作，因此，列车追尾事故还是难以避免。并且由于列车运能强大，当发生列车追尾时，其所造成的公众生命及工作人员生命安全损失难以估算，因此做好列车防护保护也十分重要。理论上讲，由于列车行驶速度很快，增加列车防护装置似乎缺乏可行性，但从另一个思路来看，技术人员也可以通过在列车头部尾部配备智能化防护装置，对运行中的列车进行安全距离控制，如果两车之间的距离小于列车安全行驶距离时，智能化设备就会感应到其他列车的存在，从而向前面或者后面的列车发出警告信号，提示对方存在相撞可能，从而促使对方做出反应，紧急制动以规避冲突风险。当然，这种防护设备应用还处于理论阶段，其具体使用还需考虑抗干扰设计，避免因其他因素造成运行困扰。

4.3 提升系统整体性能，做好各阶段安全防控工作

铁路信号控制系统是一个综合性系统，除了做好多冗余设计外，还要采取其他手段进行“故障—安全”控制，例如飞机运行中使用的“多个发动机”手段，就是一个很好的参考[8]。铁路技术工作人员可以将该手段铁路运输系统相结合，研发相似设计进行应用，以此提升系统整体性能，保持铁路信号控制系统运行的安全高效。除此之外，为了保持列车运行的整体安全性，还要在铁路其他信号系统如区间闭塞系统、行车调度控制系统等各重要工作系统中增加冗余设备配置，保证一旦列车运行出现故障信号，即可自动切换进入紧急安全制动模式，以此保证列车运行的安全稳定。同时，还可以通过对铁路信号控制系统开展积极有效的耐高压和耐强磁试验等方式，对系统进行“破坏性”试验训练，保证系统在出现极限干扰问题时，仍然能够保持正常工作，以此提升系统工作性能，避免重大铁路安全事件的发生。

随着我国铁路事业的高速发展，铁路运行安全问题已经成为我国铁路工程技术发展的重要课题。在此背景下，相关技术人员要加强铁路信号控制系统的深入研究，提高铁路信号系统故障诊断及应急处理能力，保证故障发生时列车导向安全，高效快捷的解决列车运行问题，同时还要以“故障—安全”原则为指导，加强冗余结构设计，做好安全备份，提升铁路信号控制系统整体性能，为列车行驶安全提供有力保障。

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