故障-安全原则在铁路信号系统的应用

赵德生

（南京铁道职业技术学院，讲师 南京，210031）

铁路信号是保证列车安全、高效运行的关键系统，而系统中各个信号设备的安全、可靠以及发生故障后不危及行车安全的能力显得尤为重要，即信号设备要做到故障-安全。

狭义的故障-安全技术是指：设备或系统发生故障时，不会错误地给出危险侧输出，可以使设备或系统导向安全侧的手段。故障-安全技术是铁路信号安全技术的核心［1］。

故障-安全原则是指：利用各种安全技术，保证铁路信号设备在发生错误、障碍、失效、人为失误的不利情况下，应该具有减轻以至避免损失的功能，以确保行车安全［2］。本文主要从继电电路和计算机设备两方面阐述故障-安全原则的应用。

1 站内继电电路中的故障-安全原则

在继电电路中，比较传统的故障-安全技术主要有：安全侧的分配（信号机以关闭状态为安全侧、道岔以维持现有的密贴状态为安全侧）［1］。

常见的有闭环方式（如闭路轨道电路）、联锁方式（如进路中道岔区段必须满足三点检查才能解锁，防止站内轨道电路区段出现瞬间分路不良或短路故障自动恢复时错误解锁的情况发生）。下面以某车站（见图1）为例，就与之相关的电路工作原理分述如下：

图1 某车站平面简图

1）信号机点灯电路（见图2）工作原理。该电路采用双灯丝冗余技术、危险侧故障率最小技术，即采用室内集中供电，控制条件在室内，控制对象在室外，用位置法达到防护混线的要求。

图2 进站信号机点灯简图

点灯电路中L灯主灯丝断丝，LDZJ线圈失去电压，LDZJ后接点接通，使副灯丝回路沟通。

如果副灯丝断丝，点灯变压器二次侧没有电流，导致一次侧的电流型DJ落下，在6502的11网路中需检查DJ的前接点，即点灯电路中LXJ的励磁电路由于DJ前接点断开而失磁落下，信号机改点红灯。

2）道岔控制电路。电路中单设表示变压器实现电源隔离，避免继电器误动，DBJ和FBJ均采用偏极继电器。

如图1所示，假设已排列下行通过进路，信号机L灯开放后，如果9#道岔表示电路中发生断线（见图3中①②）、混线（见图2.3中③④）、断电或道岔挤岔时，DBJ均失磁落下，在6502电气集中，11线网路中利用道岔表示继电器的前接点来检查进路中各道岔位置正确与否，DBJ落下导致进站信号机组合中的LXJ失磁落下，信号机改点红灯。

而7线网路的主要功能之一是进路选排一致性的检查，在信号开放前，如果道岔失表，即进站信号机组合内的KJ不会励磁吸起，保证本组合内部的XJJ和LXJ皆不会励磁，因为KJ的前接点闭合是XJJ和LXJ励磁需检查的联锁条件之一，同样LXJ的励磁也需要检查KJ和XJJ的前接点，这样信号机就不会开放，仍然保持定位的红灯状态（安全侧）。

图3 交流道岔表示电路简图

3）站内轨道电路。当发生断轨或断线故障时，使受电端继电器端电压可靠降到释放值以下，以保证行车的安全，6502电气集中的8线网路，在信号开放前和开放后都需要通过进站信号机组合内的XJJ来检查道岔位置是否正确、区段空闲与否、是否有敌对进路建立等联锁条件，当图1中的9DG瞬间出现红光带故障，会断开8线网络，使XJJ失磁落下，使LXJ落下改点红灯或者LXJ没有励磁吸起，信号机保持在红灯的定位状态。

2 区间继电电路中的故障-安全原则

1）在ZPW-2000移频轨道电路的站间联系电路（见图4）中，利用了位置法、极性法、双断法等安全技术。

图4 站间联系电路简图

其工作原理是当运行方向为：邻站开往本站，597G有车运行时，本站的GJF落下，邻站的GJ（邻）↓—GJF（邻）↓—1GJ↓，此时583G的发送器迎着列车的运行方向向钢轨发送HU码。

如果设计此电路时没有采用故障-安全的原则，电源和继电器都设在邻站或者没有采用双断法，当室外电缆发生混线短路或混入电源时，都将会产生583G信号升级的危险。

2）在区间闭塞电路中，采用故障弱化技术，保证区间信号机出现灯丝双断后，不危及行车的安全。红灯转移电路见图5。

图5 红灯转移电路简图

图5 中，假设列车由右向左运行到687G时，687G防护信号机的红灯灯丝双断，则GJ和DJF都会失磁落下，前接点断开，从而断开673G的移频发送通道，则673G的QGJ↓—GJ↓—GJF↓，使673G的防护信号机点红灯。

3）在继电电路中，其他的安全技术还包括：防错办技术（如总人解按钮、事故按钮、接发车辅助按钮、引导按钮、引导总锁闭按钮等涉及安全的按钮需要加封或计数）、冗余技术中的道岔双跳线、冗余技术中移频的“N+1”和“1+1”发送、安全余裕技术（元器件的降额使用、延时解锁等）、故障恢复技术（带电插拔、采用插接器、插拔式继电器等）［1］。

3 计算机设备中的故障-安全原则

铁路信号系统中采用计算机设备时，常用冗余技术、多重化技术、故障检测和诊断技术、过程控制技术等。

选用可靠性和安全性较高的计算机设备，如IPC。采用高可靠性硬件设备及硬件冗余；如双CPU设置，CPU经同步比较后给出输出等；采用高可靠性的软件及软件冗余。如校验算法、驱动／采集的闭环比较、看门狗等，以防止传输错误、程序跑飞、通信超时；对软件、硬件进行连续监测，以及时发现自身故障；研发、设计和生产全过程的严格把控。下面以DS6-60计算机联锁设备为例来说明故障-安全原则的应用。

1）DS6-60型计算机联锁设备基于双套专用安全硬件和相异性软件构成二乘二取二冗余结构，实现系统双系冗余管理、输入和输出管理及系统故障实时诊断［3］。其联锁逻辑部硬件和软件框图分别如图6、图7所示。

图6 联锁逻辑部硬件框图

图7联锁逻辑部软件框图

联锁逻辑部为二乘二取二结构，分为Ⅰ系和Ⅱ系，各系内部为二取二结构，任何一系都可以独立工作，双系采用主从方式运行，任一系检测到故障都会主动切换。

联锁双系中每系均包括两个独立的CPU单元，2个CPU单元实现任务级二取二比较，只有两个CPU的运算结果一致才能对外输出。

2）联锁双系中每系两个CPU单元的软件分别采用不同编译器编译，可以有效防止编译器产生的共模错误。

（3）该联锁设备输入采集单元采用动态脉冲采集方式，由输入采集机笼内的两个独立CPU单元分别进行采集，对采集结果进行比较，比较一致认为采集数据有效，否则采集数据无效，构成二取二故障-安全采集。

输出单元采用双断控制，动态和静态两路驱动串联输出，静态和动态输出分别由输出机笼内的两个独立的CPU单元控制，当一路输出无效时，总输出则为无效，构成硬件相异的二取二故障-安全输出。

4 结束语

安全性只是一种概率参数，铁路信号设备的故障是不可避免的。

（1）设计中难以考虑的某些特殊情况下产生的故障：N型（重力式）继电器失电时，前接点未能断开；在符合轨道电路设备工作的给定条件时，轨道区段有车占用但未能分路；钢轨线路机械断裂，但存在能构成轨道电路正常工作的电气连接；电器设备或元件的两端混入了能使其错误动作的不同极性的电源。

（2）轨道电路占用丢失故障率较高，隐患大，其主要原因主要有：

1）轨面异常（由于撒砂、雨后轨面生锈、轨面异物、轮对生锈、轮对有异物附着等等）造成的占用丢失。

2）外部环境干扰（第三轨联通发送接收通道、室内相关电路联通发送接收、干扰直接侵入接收）

对于轨面异常所造成的故障，可以采用站内高压脉冲轨道电路，区间增加逻辑占用检查；而对于外部环境干扰的故障，需加强技术、接口设备的管理。