地铁车辆段作业安全保护系统设计研究

丁子全

(中铁第一勘察设计院集团有限公司环境与设备设计处，西安 710043)

1 车辆段作业安全管理现状分析

目前，绝大多数接触网、受电弓受电方式的地铁车辆段依靠不断完善规程规章制度，规范作业人员操作来确保安全。接触网无电区作业时的安全监控保护方式主要采用机械锁及电脑钥匙，人工监控手动隔离开关[3-4]。车辆出入库依靠车场信号引导，与车库台位状态、设备状态及作业条件无关联锁关系。主要由调度作业人员相互现场确认。

1.1 作业控制管理存在薄弱环节

(1)作业流程控制主要由人工操作、人工确认完成，作业方式较为繁琐。

(2)作业流程及过程控制管理方面缺乏可追溯性，不利于强化管理，规范操作。

(3)安全作业主要依靠人，不依赖设备，设备控制系统集成不够，缺乏必要的自动导向设备。

1.2 作业过程安全隐患

(1)作业人员触电

①未分闸断电时作业者误上车顶作业；

②作业者误上相邻有电线路的车顶；

③未挂接地线作业者误上车顶作业；

④车顶作业时误撤接地线；

⑤车顶作业时误合闸送电。

(2)接触网短路

①错挂接地线；

②未撤接地线时误合闸送电；

③在车辆升弓的情况下操作隔离开关；

④在作业区外的列车闯入无电作业区，触电和接触网短路。

(3)列车出入库时，车辆误闯无电区及移动设备或人员侵限。

2 系统功能需求分析

针对目前车辆段作业控制管理方面存在薄弱环节及安全隐患，按照系统集成、管理升级及“故障导向安全”的原则，本系统功能需求如下。

(1)周月检库及停车列检库内外信号采用双向自动防护信号机，由本系统联锁逻辑条件控制，替代独立的轨道电路信号系统，自动开放关闭检查库线路信号，实现列车出入库作业自动化引导。

(2)安全作业条件自动采集，替代人工逐一确认，联锁逻辑关系由计算机控制，避免误操作，安全保护系统不执行非法人员的指令及非安全作业条件下的误操作，保证监控的连续性和有效性。

(3)采用电动隔离开关及自动安全接地机构，实现远程联锁监控，替代人工挂、撤接地线等操作，并具备接地自动监测功能，应急手动方式(管理者授权)，为车顶作业者提供动态的、可靠的安全保护。操作者不直接操控高压电器，无须穿戴绝缘靴、绝缘手套和使用绝缘器具，避免了操作危险。

(4)实行IC卡口令身份管理。对管理层、作业层分配不同的访问及操作权限，各司其职，使操作和管理更加严谨、方便。

(5)车顶作业采用安全通道，禁止非法通行，利用门禁系统与视频监控系统，实现了车顶作业者的跟踪监护[5]。

(6)采用作业流程与过程控制相结合，人机互动、人机合一的工作方式强化管理，规范操作，并对历史操作、视频等信息提供了追溯、查询功能。

(7)安全型的设计保证系统运行稳定可靠，自检功能在系统发生故障时自动锁闭，同时显示故障原因。

3 系统组成及主要功能

3.1 系统组成

该系统主要由作业安全联锁电气控制单元、门禁监控子系统、视频监视子系统、检测单元及主控系统(上位机和调度台)组成，如图1所示。采用可靠的监测手段、计算机逻辑处理、电气联锁控制等方法，对系统各设备如隔离开关、接地装置、库内外信号、 库外检测引导装置、安全门、作业平台等设备进行系统集成整合，满足现场繁琐的作业流程要求，实现安全作业自动引导与自动控制，提高了工作效率及管理水平，达到人机联控确保安全的目的[7]。

图1 安全系统组成示意

3.2 主要功能

3.2.1 门禁监控子系统

用于安全作业平台的安全门开放控制、车顶人数检测和自动接地装置的挂撤连锁控制，具有很高的实时性、可靠性、安全性[6]。 它由身份识别管理工作站(调度室上位计算机兼)、数据通信设备、门禁控制器、门内读卡器、门外读卡器、电磁锁、安全门等组成，所有股道的门禁控制通过网络与上位管理机相连。

3.2.2 视频监视子系统

视频监控子系统对检修库内每股道车顶作业的状况、隔离开关的开闭状态、自动接地装置的挂接状态以及车辆进出库的过程进行监控。

各股道的每个作业台位设置3架固定球型摄像机和2台带云台的枪式摄像机，用于记录检修人员登车顶作业的全过程；在库门口设置1架固定球型摄像机记录车辆进出库的过程；在调度室内安装视频存储服务器存储各路图像信息；在室内墙上安装LED液晶大显示屏，实时显示整个周月检库或停车列检库各股道地铁车辆车顶状态以及隔离开关的分合状态。所有图像信息实现全天候录像，图像信息保持30 d循环。同时可采用TCP/IP协议通过局域网络把视频监控信息与上级有关管理部门共享，实现车间、段、公司三级监控和管理。

3.2.3 作业安全联锁作电气控制单元

将车辆入库检测单元、台位检测单元、隔离开关、自动接地装置的状态信息与门禁监控系统采集的人员进入作业平台的信息进行逻辑联锁运算，按照现场作业操作流程，实现对隔离开关合分及信号机开闭的闭环控制[8]。主要的联锁逻辑控制关系如下。

(1)隔离开关需闭合时的联锁关系，如图2所示。

图2 隔离开关需闭合时的联锁关系

(2)隔离开关闭合后与作业指示灯、门禁系统、LED显示屏、入库信号机的联锁关系，如图3所示。

图3 隔离开关闭合后的联锁关系

(3)隔离开关需断开时，与车辆、信号灯、接地装置的联锁关系，如图4所示。

图4 隔离开关需断开的联锁关系

(4)隔离开关断开后与LED显示屏、门禁系统、作业指示灯的联锁关系，如图5所示。

图5 隔离开关断开后的联锁关系

(5)台位占用传感器与台位信号灯的联锁关系，如图6所示。

图6 台位占用传感器的联锁关系[9]

图7 自动接地装置需挂接时的联锁关系

(7)接地装置需撤离时与门禁系统的联锁关系，如图8所示。

图8 接地装置需撤离的联锁关系

图9 移车信号灯开放的联锁关系

(9)移车信号灯自动关闭与本检修台的台位传感器和目标台位传感器的联锁关系，如图10所示。

图10 移车信号灯自动关闭的联锁关系

(10)入库信号灯开放与检修台位的隔离开关、库门、值班员操作的联锁关系，如图11所示。

图11 入库信号灯开放的联锁关系

(11)出库信号灯开放与检修台的隔离开关、库门、值班员操作、场联的联锁关系，如图12所示。

图12 出库信号灯开放的联锁关系

(12)门禁解锁的联锁关系，如图13所示。

图13 门禁解锁的联锁关系

(13)门禁锁闭的联锁关系，如图14所示。

图14 门禁锁闭的联锁关系

通过计算机逻辑处理、电气联锁控制等方法，满足现场繁琐的作业流程要求，实现安全作业自动引导与自动控制。

3.2.4 主控系统

主控系统包括作业过程及参数进行监控、分析、统计、记录和指令控制，实现与各单元装置与子系统的连接控制，采用网络技术，实现调度室上位机工控机与门禁子系统通信，实现视频存储服务器与现场网络视频摄像机通信。从调度室到检修库台位主干采用光纤以太网络，在调度室设置核心交换机，在每股道设置一台汇聚层交换机。调度室上位工控机与现场操作台、继电器箱之间的数据通信采用现场总线CAN，满足长距离、低速率、高可靠性的通信要求。利用检测手段、计算机逻辑处理、电器连接控制方法等，防止人为因素造成事故，实现人机联控确保安全的目的[10]。

4 主要作业流程

4.1 隔离开关合闸操作过程

(1)现场检修人员在本股道的操作台提出隔离开关合闸申请，门禁系统显示作业平台人员已出清、门禁作业门处于锁闭状态，调度员通过该股道的视频监视再次进行确认无误后，发出撤除地线命令[11]。

(2)自动接地装置开始移动，到位后计算机屏幕发出提示。调度员通过该股道的视频监视再次进行确认无误后，发出隔离开关合闸命令。报警单元自动发出声光报警20s后，电动机构开始驱动隔离开关闭合，到位后计算机控制LED显示屏显示“有电”。

4.2 隔离开关分闸作业过程

(1)现场检修人员在本股道的操作台提出隔离开关分闸申请，调度员通过该股道的视频监视确认车辆已降弓后，发出隔离开关分闸命令。

(2)报警单元自动发出声光报警后，电动机构开始驱动隔离开关分断，到位后计算机屏幕发出提示。调度员通过该股道的视频监视再次进行确认无误后，发出挂接地线命令。报警单元自动发出声光报警后，自动接地装置开始移动，到位后计算机控制LED显示屏显示“无电”。

(3)门禁作业门解锁，作业人员可以申请进入作业平台作业。

4.3 车辆出入库作业流程

车辆出入库作业主要包含初始位、进库位、检修位、试验位、出库位等几种形式。如检修位作业流程为：检修台位有车，隔离开关分闸，接地线，按检修位指令，库外信号灯红灯亮、库内信号灯红灯亮、作业指示灯显示绿灯，LED显示屏显示“无电”，门禁作业门解锁，作业人员身份识别刷卡进入检修平台作业[12]。

5 主要设备配置

5.1 隔离开关电动驱动机构

每个隔离开关设置1台电动机构，当各项联锁条件满足时才能驱动电动机构完成分合闸操作[13-14]。

5.2 接地装置

每个股道设置2台安全接地装置，完成地线的自动挂接与撤除。

5.3 库内外信号

库内外信号采用双向自动防护信号机，采用联锁逻辑条件控制，自动开放关闭线路信号和作业信号，考虑有车辆段信号系统接口设计，在车辆段信号楼内提供库内外节点复示信号，实现列车出入库作业区自动化引导。

5.4 验电装置

每个隔离开关设置1台验电装置，完成接触网电压实时检测。

5.5 台位检测装置

每个台位设置相应的台位检测传感器，完成台位占用与空闲的检测。

5.6 门禁控制装置

每个股道设置门禁控制装置，完成进出第三层作业平台检修人员的卡控。

5.7 分布式控制终端

每个股道设置1台分布式控制终端，完成现场设备的采集与驱动。终端采用软硬件冗余、动态信息接口等技术，符合故障导向安全设计。

5.8 摄像机

每个股道设置一定数量的摄像机，完成门禁通道、车顶、隔离开关、安全接地装置等设备或重要位置的监控。

5.9 集中控制室设备

控制室设备主要由UPS电源、电气柜、显示大屏、调度控制台等组成。

6 结语

本系统采用计算机控制技术、图像监控技术、身份自动识别技术和信息化管理技术，依靠检测手段、计算机逻辑处理、电气联锁控制等方法，满足现场作业流程要求，防止人为因素造成事故，实现安全作业自动引导与自动控制，达到人机联控确保安全的目的，提高了工作效率及管理水平，并能为地铁车辆段作业安全保护系统工艺设计[15]、建设提供指导与借鉴作用。

[1] 丁子全.地铁车辆段作业安全保护系统研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 5017—2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3] 黄少熔，王益.车辆段安全防护系统的应用研究[J].城市轨道交通研究，2013，16(10)：110-112.

[4] 郑涛.浅谈地铁安防系统设计[J].中国新技术新产品，2008(17)：80-82.

[5] 侯小祥.安全联锁系统在沙特麦加地铁车段中的应用级设计接口[J].西铁科技，2010(1):45-47.

[6] 贠虎.地铁车辆段上盖物业开发相关问题及应对措施[J].铁道标准设计，2015，59(7)：165-168.

[7] 张龙，姜连青.安全联锁控制系统在青岛动车所的应用[J].铁道标准设计，2008(11)：102-103.

[8] 刘民元.地铁车辆段计算机联锁系统与洗车机的接口[J].城市轨道交通研究，2013，16(9)：129-131.

[9] 石磊，喻贵忠，王民.基于力控监控组态软件的动车段安全联锁系统[J].电子技术应用，2011(6):18-19.

[10] 赵建华，石幸地.电力机务段接触网隔离开关安全联锁装置的研究[J].铁道劳动安全卫生与环保，2006(6)：282-284.

[11] 张建昭.宁波地铁车辆段检修作业安全联锁管理系统[J].电气化铁道，2015(2)：40-42.

[12] 闰玉玲，罗法水.北京动车段综合技术[J].铁道知识，2012(5):16-19.

[13] 何仲文.电力机车整备作业场电网自动接地装置的设计与应用[J].科技视界，2015(1):125.

[14] 李锋，路春莲.地铁车辆段检修库接触网隔离开关的选型[J].城市轨道交通研究，2015，18(3)：125-127.

[15] 马晓彤.天津地铁1号线车辆段停车场工艺设计[J].铁道标准设计，2009(7)：114-117.