影响上海轨道交通信号系统关键设备使用寿命的因素分析

范颖慧

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司,200235,上海∥工程师)



影响上海轨道交通信号系统关键设备使用寿命的因素分析

范颖慧

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司,200235,上海∥工程师)

以信号系统关键设备使用寿命为研究对象,对上海轨道交通线路多年运营中出现的故障及问题进行汇总,总结出影响信号系统关键设备使用寿命的九大重要因素为:设备固有因素，运行环境因素，系统接口因素，设计条件因素，规范及标准因素，操作使用因素，维护管理因素，技术更新因素，工程改造因素。

信号系统; 设备使用寿命; 因素分析

Author′s address Shanghai Rail Transit Maintenance Support Co.,Ltd.,200235,Shanghai,China

我国城市轨道交通建设进入发展的高峰期,北京、上海、广州等特大城市已进入网络化运营阶段。目前已有多条早期开通运营线路已进入或已超越大修期,而且随后会有越来越多的运营线路设备将迫近或进入大修期。设备的运行状态和使用寿命已成为运营维护单位及管理部门所关心的重大问题,对运行设备的状态评价及使用寿命评估的需求进而会愈发强烈。例如,上海轨道交通1号线、2号线及3号线均投用10年以上,其信号设备更换、报废及系统大修改造大多依据设备实际使用情况及多年维护经验,缺少必要的理论分析和评估手段作为依据 。因此,遵从科学发展观、可持续发展的指导思想,应对信号系统关键设备使用寿命进行充分论证。

本文以信号系统关键设备使用寿命为研究对象,对上海轨道交通线路多年运营中出现的故障及问题进行汇总,并结合实例对故障原因加以分析,总结出影响信号系统关键设备使用寿命的重要因素。

1 信号系统关键设备使用寿命

设备自投入运用到运用被终止的时间是设备的使用寿命。设备投入运用通常可从安装结束并通过验收开始。但什么时候终止运用,则存在多种影响因素,例如设备固有可靠性,而影响设备固有可靠性的设备运行环境、维护保障手段、替换部件质量、软件升级、工程改造和外损等因素,以及维护成本、维修成本、政策法规、技术进步、安全要求、功能升级等其他因素。

文献[1]对铁路信号系统设备的大修周期做了规定:一般信号设备大修周期为15 a; 计算机联锁、TDCS (调度指挥管理系统)、CTC (调度集中控制系统)、CTCS (中国列车控制系统)、机车信号、微机监测、驼峰自动化等电子系统设备为10 a; 显示器、打印机、绘图仪等终端设备,是计算机联锁、TDCS、CTC、CTCS、机车信号、微机监测、驼峰自动化等电子系统的有机组成部分,大修周期应满足系统使用整体性能的要求。此外,文献[1]规定,如遇到系统及设备在使用中磨耗或老化,已不能保证行车安全和正常使用时,或不能满足运输扩能和安全保证需求时,或属于淘汰设备、器材或维修配件没有供应来源而不能保证使用时,可提前进行大修。文献[2]规定地铁信号系统的寿命周期为15～20 a。但在实际执行过程中,考虑前面所述的影响终止运用的多种因素和标准规范中所给出的模糊判断要求,使用维护单位很难给出某个设备终止运用的确切时间点。所以,确定或判断运营设备的使用寿命存在难以把握的模糊区[3]。

2 影响上海轨道交通信号系统关键设备使用寿命诸因素

上海轨道交通目前已有14条运营线路,无论是系统制式,还是系统结构或设备类型都各有不同。

表1为上海轨道交通各线的开通时间和运营时间。从表1中可以看出,运营时间最长的1号线,至今已运营20 a,现已开始实施信号设备大修改造工程。2号线及3号线的运营时间均为约15 a。

表1 上海轨道交通各线运营时间情况表

目前上海轨道交通主要有固定闭塞、准移动闭塞及移动闭塞3种信号系统制式(如表2所示)。其中,采用固定闭塞制式的线路有1、5号线,采用准移动闭塞制式的线路有2、3、4号线,采用移动闭塞制式的线路有6～13号线、16号线。

从使用年限的角度,在固定闭塞及准移动闭塞系统制式下,轨道电路、联锁设备、道岔及车载ATP (列车自动保护)设备是关键设备,对系统安全起到关键作用,对运营安全和运营效率也有重要影响。

从系统制式的角度,采用CBTC (基于通信的列车运行控制)移动闭塞制式的线路已占上海轨道交通全网线路的60%以上。而 CBTC技术作为主流的轨道交通信号技术,也将应用于越来越多的城市。

根据上海轨道交通近年来发生的设备或部件故障,以及由此引起的设备或部件替换,可分析影响上海轨道交通信号系统关键设备使用寿命的多种因素。

表2 上海轨道交通制式情况表

2.1 设备固有因素

设备固有因素决定了设备的固有可靠性。设备固有可靠性是设备设计制造者必须确立的可靠性,取决于产品的设计、制造与材质;按照可靠性规划,从原材料和零部件的选用,经过设计、制造、试验、直至设备出产等各阶段所确立的可靠性。设备的固有可靠性越高,设备可以无故障工作的时间就越长。

2.1.1 故障案例1

某站发现ZC(区域控制器)及PMI(联锁设备)指示跳红。这表明该控区与中央控制器及其他控制区域的通信中断。该系统网络结构如图1所示。系统骨干网网络结构为环状结构,相邻两控制区域(控区一与控区二)。控区二SD2 (保密器件2)与MC (媒体转换器)相连,而控区二MC与控区一MC相连,控区一MC与控区一骨干网交换机相连。

经分析,当控区一骨干网交换机发生故障时,其实是控区二的SD2断开了网络。网络波动会导致控区二SD主备机切换。当SD2切换成主机时,无法连接网络,于是又切换到备机,从而引起控区二与中央及相邻控区的通信中断,ZC及PMI跳红。为解决此故障,可修改系统设计。将MC更换为赫斯曼骨干网交换机MS20(BBSW)并接入骨干网。

图1 某站控制系统网络结构示意图

2.1.2 故障案例2

某站的ATS (列车自动行车系统)发生了显示绿灯信号机故障。该故障导致列车在后备模式下通过该信号机时触发了紧急制动。

后经检查分析,由于隧道清洗、雨天积水或空气湿度大等原因造成了箱盒内进水,从而造成线圈短路,进而引起了室内空气开关跳闸,形成了ATS显示绿灯信号机故障。

为解决此类故障并预防此类故障的发生,现把所有不防水线圈全部更换为防水线圈,同时对箱盒进行了密封处理。

2.1.3 固有因素影响分析

从上述案例可以看出,设备的固有因素将影响其使用寿命。

近年来,随着科学技术的不断发展,国外设备供应商不断引入,电子设备集成度也不断提高。受这些因素的影响,信号设备从单个部件到整体系统,从生产工艺到设计理念,都发生了显著的变化。电子设备的设计和生产工艺,除了满足工作性能的要求外,还必须满足加工制造要求、电路及元器件性能指标实现的要求,以及产品的架构或结构要求。随着电子技术的发展,电子设备的结构和构成形式也随之发生变化。起初,设备结构往往较为简陋,而后不断发展,形成功能复杂的设备。相应地出现了将复杂设备分为若干部件,并建立结构级别的先进方法。而密闭及减振等功能也都是为了进一步降低温湿度及振动等外在因素对设备造成的影响。

设计理念、原材料及生产工艺等因素是影响设备寿命的重要因素,直接关系到电子设备的可用性、可靠性等。上海轨道交通7号线由于材质问题,其电缆、油管、熔断器等部件在使用不足1年的时间就出现了因老化而导致转辙设备故障的现象。因此,要对产品的关键部件、重要部件进行重点控制,认真抓好产品试制中的故障分析,充分做好研制试验工作,确保电子设备在相应的工作环境和使用要求下,达到技术条件所规定的各项指标,稳定可靠地实现预期功能,提高产品的固有可靠性水平。

2.2 运行环境因素

设备所处的运行环境可分为硬环境和软环境。硬环境是指自然环境及工业环境等,软环境则主要指软件环境或系统环境等。

一般来说,影响设备的硬环境包含工作时间、工作电压、温度、湿度、振动、压力、冲击、噪音、电磁场等。由于信号设备大多是电子设备,故其环境条件会严重影响设备的可靠性,甚至造成重大损失。根据1971年美国对机载电子设备全年的故障进行剖析发现,50%以上的故障是由不当的环境所致,而温度、振动、湿度等3项环境条件造成了43.58%的电子设备故障。其中,由温度引起的故障占22.2%,由振动引起的故障占11.38%,由潮湿引起的故障占10%。所以,温度、振动及湿度等环境条件对电子设备及设备中电子元器件的影响必须引起足够的重视。

就上海轨道交通来说,在梅雨季节或台风暴雨季节,地铁内湿度增加,电子元件可能因受潮或浸水等原因而出现设备失灵或损坏。过高、过低的温湿度或温度的剧烈变化也可能导致元件电参数变化、水汽凝结及尺寸变化等,进而对设备造成影响。除高温、潮湿等因素对设备的影响外,积雪也会引起道岔结冰,不能正常操作或是失表等情况。此外,设备还会受到电机牵引所产生的谐波电流、外界电磁波、静电、雷击、杂散电流腐蚀等干扰或破坏,进而引起系统故障或损坏,甚至导致信息破坏或丢失。振动易造成弱电设备元件接点脱落、接插件松动、接触不良及部件损坏等。系统设备接地不当,也会因外界原因而使通信、信号设备及其元器件损坏或击穿,从而导致通信信号系统故障,甚至危及人身安全。

多种环境因素会对设备造成组合因素影响。这种组合环境因素往往比单一环境因素对电子元器件造成更大危害。例如,温度和湿度的并存作用往往是引起电子元器件腐蚀的主要原因。在确定电子元器件设计特性时,应清楚了解各类环境因素及组合效应,及其对产品可靠性的影响程度。设计方案或试验评价方案除了考虑单个环境因素影响外,还必须要考虑组合环境因素影响。

影响设备运行的软环境则一般包括操作系统类型、软件漏洞及网络风暴等。个别软件的安装及使用对工作站及服务器的操作系统版本有一定限制。

2.3 系统接口因素

信号专业通过接口从外部系统采集机械状态或电气数据。可见,接口的状态直接或间接地影响信号设备的正常使用。一般来说,与信号系统有接口的外部系统及设备主要包括基础设施(如GPS全局时钟)、通信系统、供电系统,以及车辆等。

在信号系统对外接口中,有些接口故障可能会导致信号设备的功能性故障或暂时性故障,有些则会造成设备的机械性故障,甚至永久性损坏。其中,影响最大、最严重的接口故障当属外电失电。车载设备需要经常采集车辆电气数据。接口故障易造成信号设备单个元器件甚至整组配件报废。此外,车体内线缆是预埋的。也曾有由于车辆接缝处密闭没有做好而导致线缆锈蚀,或车厢挂接造成的车辆线缆接头缩针而引起信号设备故障等情况。此外,上海轨道交通2号线曾发生过因列车制动率不够而造成列车自动停站对位不准的情况。这也是由接口故障引起的。

信号设备故障还会也受到接口运行管理方式等的影响。例如,对信号设备进行操作时,在高额定电压下操作可能导致设备损坏,在低于额定电压下操作也可能导致设备故障。

2.4 设计条件因素

设计条件因素影响指由于设计限制,使设备在特殊环境或特殊条件下工作,或者由于设计变更或是设计本身存在缺陷,而导致实际设备与现场环境、技术指标等不相匹配,最终直接或间接的影响设备使用寿命。

由于设计条件因素可能会使信号设备在高温或潮湿等恶劣环境下工作。如在夏季,高架区段的室外设备会在高温状态下长期持续工作,从而容易造成设备故障。此外,室外箱盒中的板卡大多未设有特殊紧固件,也会因列车经过而振动松脱。

除此之外,设计条件因素还有可能会造成设备变更、整改等情况,从而增加信号系统的建设成本及运营成本,增加维修难度,甚至会增加系统运行风险,降低信号系统的可用性及可维护性。

2.5 规范标准因素

轨道交通的建设及信号系统的使用必须符合相关规范标准。规范标准主要有设计规范、建设标准及维护规则等。规范标准中规定了某些系统、设备使用至一定年限必须更换。这也是设备使用寿命评价依据之一。

2.6 操作使用因素

设备的操作使用质量也是影响设备使用寿命的一项重要因素。在实际使用过程中,一方面要加强人员的日常操作培训,另一方面也要加强维护操作管理。

2012年10月2日，在上海轨道交通3、4号线共线段中山公园站发生了一起5#/7#道岔失表故障。监测微机上显示为220 V熔丝报警。经检修人员更换220 V保险丝后，道岔恢复正常。经判断，这是由启动电流过高而导致的保险丝熔断。回放现场情况发现，该站行车值班人员在夜间施工结束后的设备验证过程中，曾对5#/7#道岔进行单操到定位；但道岔尚未到位时，值班员又进行了单操反位操作，从而造成电流过大，导致保险丝烧毁。

事后，运营说明及限制及时对类似设备的相关操作做出相应调整的规定：当排列进路、列车触发防护进路、道岔单操所请求的道岔正在移动，ATS界面尚未显示出道岔表示的13 s内，严禁发送对相关道岔位置相反的控制命令。操作人员可观察道岔表示出现，或发现道岔表示不正常并等待13 s后，才能再次发送道岔的控制命令。

2.7 维护管理因素

设备的良好运转与日常维护息息相关。一套缺少维护和保养的设备在经过长时间运转后,其各项性能指标将会快速降低,从而导致其使用寿命缩短。因此,设备维护需制定相应的管理制度,对设备进行定期保养和维护。

信号系统所有设备均应有维护规程和作业指导书。在维护规程中,设备不同维护项目常用的维护频次见表3。

表3 设备不同维护项目的维护频次

维护不到位导致的设备或部件松动或是卡阻,可通过紧固或调整设备进行修复。例如,计轴设备年检第4条要求“机柜内各部分连线完好有效,各保险端子正常有效,连接线对地线间绝缘完好”。2013年4月7日,上海轨道交通11号线赛车场站至嘉定新城站区间上行方向,GZ0024-GZ0124区段发生计轴受扰故障。检查后确认故障为室外与室内设备的连接处支架的接触不良。在更换了支架的保险丝并重做线头之后,故障部位恢复正常。此处故障主要是维护不到位导致。

2.8 技术更新因素

随着时代的发展和工业技术的进步,信号设备的技术要求也越来越高。早期投用的设备可能无法满足当下的系统要求,需要更换为更先进的设备或技术。在这种情况下,早期设备的使用寿命也就嘎然而止了。在轨道交通领域中,由技术更新而引起设备更新最频繁的专业当属通信专业。对于趋向使用成熟技术的信号系统来说,这种情况相对较少。

2号线一期工程仅开通运营淞虹路站—张江高科站区间。后来又开通了西延伸段和东延伸段,其线路长度和设备数量比原先增加了一倍多。随着延伸段各子系统的相续开通,DTS (数据传输系统)需传输的信息容量也相应的增加。原有技术已无法满足最新要求。这给DTS部分老设备带来了很大的通信压力,也对系统的正常运行造成极大的隐患。据不完全统计,2010年4月7日至2012年1月6日期间,2号线共发生22次网络风暴。为了提升传输设备带宽、提升通道容量,从2011年9月开始对2号线进行DTS改造,将既有DTS旧网驳接至新网,并为联锁设备建立独立光纤通道,相关工作站也进行升级。此改造项目于2013年7月完成。之后的DTS故障率大大降低。

2.9 工程改造因素

由于线路延伸、系统大修、能力提升及解决故障等诸多原因,需对既有系统进行改造。在改造过程中,也会中止某些设备的寿命,将之更换为新设备。

上海轨道交通1号线大修时,原有6502联锁更换为计算机联锁,则原有相关设备及继电器也需相应更换为计算机联锁设备。此外,部分线路的信号系统车载设备已投用多年,需进行设备大修。在大修过程中,将也会更换部分老化设备。

3 结语

本文根据上海轨道交通线路多年运营中出现的故障及问题,总结出影响信号系统关键设备使用寿命的九大重要因素:设备固有因素、运行环境因素、系统接口因素、设计条件因素、规范及政策因素、操作使用因素、维护管理因素、技术更新因素及工程改造因素。在信号设备更换、报废、系统大修改造等项目中要充分考虑以上影响信号关键设备使用寿命的因素,遵从科学发展观和可持续发展的思想,从而制定出经济、合理、切实可行的方案。

[1] 中国铁路总公司.高速铁路信号维护规则:铁总运[2015]322号[S].北京:中国铁道出版社,2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社.

[3] 虞翊.城市轨道交通运营设备是寿命与安全评价方法[J].城市轨道交通研究，2014(2):彩16.

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Analysis of Factors Influencing the Service Life of Key Equipment in Shanghai Metro Signal System

FAN Yinghui

Focusing on the key equipment service life in signal system,the fault Information and problems existing in Shanghai metro signal system are collected,from which 9 influencing factors are summarized,they are the inherent equipment factor,operation environment factor,system interface factor,design condition factor,codes and standards factor,operation factor,maintenance factor,technical upgrading factor and engineering modification factor.

signal system; equipment service life; factor analysis

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.06.019

2015-08-03)