双套冗余异构列车运行控制系统的可靠性及运营延误分析*

汪小勇 欧冬秀 刘 宇 纪玉清 唐晨凯

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804,上海;2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室,201804,上海;3.同济大学交通运输工程学院,201804,上海; 4.卡斯柯信号有限公司,200071,上海 ∥ 第一作者，正高级工程师)

1 现有运行线故障分析及其对运营的影响

目前轨道交通信号系统采用固定闭塞、TBTC(基于数字轨道电路的列车控制)、BM(基于固定闭塞的点式列车自动防护模式)、单CBTC(基于通信的列车控制)、CBTC+BM及CBTC+TBTC冗余备份等列车运行控制(以下简为“列控”)制式。其中，固定闭塞系统、TBTC系统、BM的点式ATP(列车自动保护)系统及单CBTC系统为单套列控系统，CBTC+BM系统及CBTC+TBTC系统为双套冗余异构列控系统。

基于互联网数据，统计分析了某市轨道交通各类突发事件(含设备发生故障)造成的列车5 min以上延误总体情况，如表1所示。分析结果显示，故障次数占据前三的线路为运营服役时间最长的3条线，其信号制式分别为固定闭塞、TBTC(准移动闭塞)、单CBTC(移动闭塞)。在故障次数占比最高的TBTC制式线路中，由信号设备故障引起的运营延误次数占比超1/4(见表2)，仅次于由车辆故障引起的延误次数，显然无法满足高质量客运服务的需求。

表1 某市轨道交通列车延误5 min以上故障次数统计(2012—2019年)

表2 某市轨道交通TBTC制式线路列车延误5 min以上的原因统计(2012—2019年)

2012年至2019年间，各线由信号设备故障导致的5 min以上延误次数差别较大。究其原因，各线建设年代不同，其信号系统制式和所用技术也不同。经细化分析发现，占比最高的TBTC制式线路信号设备故障对列车运营的影响时长大多为10～20 min及30 min以上(见图1)。对于繁忙的城市轨道交通干线，30 min以上的延误会影响到数以万计的乘客出行，必须予以避免。

2 不同列车运行控制制式的工作模式

某市轨道交通早期建设的线路,其信号系统采用单套列控系统，且未设置BM；后期建设的线路都采用CBTC+BM系统，其实质是以CBTC为主用列控系统，以点式ATP作为降级备用列控系统。列控系统主要由ATS(列车自动监控)、ATP、ATO(列车自动驾驶)、CI(计算机联锁)、TWC(车地通信设备)等多个子系统，以及基础信号设备组成。不同列控制式的列车控制模式、信息传输方式、列车追踪间隔、主要设备系统等各有差异，具体见表3。

3 不同制式列控系统的可靠性分析

3.1 单套系统可靠性分析

文献[1-4]基于城市轨道交通信号系统列车自动控制技术提出了RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)指标要求(见表4)。

根据点式ATP列控系统、TBTC系统和单CBTC系统的设备组成，参考表4的基础指标，测算整个信号系统的可靠性指标。本研究使用商用安全可靠性分析软件PTC Windchill Quality Solutions 11.0，对点式ATP列控系统、TBTC系统和单CBTC系统建立RBD(Reliability Block Diagrams，可靠性方块图)(见图2)，并进行可靠性指标计算。

表4 城市轨道交通信号系统各子系统及设备的可靠性指标

列车运行1 000 h的列控系统可靠性指标计算结果如表5所示。单CBTC系统可靠度最高，TBTC次之，BM最低。可见由于新技术的引入，CBTC系统具有更高的可靠性。列控系统可靠性与其本身结构及控制方式密切相关。虽然现在的列控系统的可靠性有所提高，但只要单套列控系统发生故障，列车仍会直接进入人工驾驶模式，由人工调度，并由司机目视行车，致使运营效率受到严重影响。

图2 列控系统的RBD[5-6]

表5 列车运行1000 h的列控系统可靠性指标计算结果

3.2 双套冗余异构系统可靠性分析

某市轨道交通新建线路较多采用CBTC+BM双信号冗余系统方案，当主用CBTC系统中的区域控制器等发生故障，或车地无线通信功能受限时，列车可切换至BM模式，以保证列车的安全运行[7]。有些设备为CBTC模式与BM模式复用。当联锁、道岔及电源等复用设备发生故障时，列车不可避免地切换为人工驾驶模式，由人工调度并由司机目视行车。

CBTC+TBTC系统是一种信号系统利旧的升级改造方案。CBTC系统中的ZC和车地无线通信子系统等一旦发生故障，会导致列控系统降级为TBTC模式。如果联锁系统、道岔和电源等复用设备发生严重故障，或者轨道电路等TBTC系统的关键设备发生故障，则会直接导致TBTC系统失效，列车只能依靠人工调度、站间闭塞技术及司机目视行车[8]。

本文采用马尔科夫过程选取关键的车地通信故障，并将之作为触发条件来构建信号系统状态转换过程，进而分析CBTC+BM、CBTC+TBTC等双套冗余异构列控系统的状态转换过程(如图2及图3所示)。使用商用安全可靠性分析软件PTC Windchill Quality Solutions 11.0的Markov模块功能(参照表4)，计算列车运行1 000 h后的相关RAM指标，如表6所示。计算结果表明，CBTC+TBTC系统具有更高的可用性。

表6 不同制式的双信号系统可靠性指标计算结果

4 双套冗余异构列控系统模式切换对列车延误的影响

4.1 CBTC+BM系统

CBTC+BM系统依靠主用CBTC系统来实现移动闭塞。当CBTC系统的ZC或DCS发生故障，且CBTC系统本身的冗余失效时，列车切入BM后备模式运行，其防护曲线发生变化(见图3)。

本文使用赋时Petri网建立列控系统由CBTC模式切换到BM模式的过程，如图4所示。当CBTC制式发生DCS故障，列车丢失移动授权时，一方面，列车先紧急制动直至列车完全停稳；另一方面，司机与调度请求确认模式切换。当中心调度人员授权司机切换控制模式时，列车先切换模式至RM(限制人工驾驶模式)，待列车运行通过有源信标并完成车载BM初始化后，则进入BM。如CBTC通信恢复正常，则列车只要接收到有效的移动授权，就可自动切换回CBTC模式。

图3 CBTC+BM系统的列控模式转换

图4 CBTC+BM系统模式切换的Petri网模型

图5 不同t信标下的t误分布仿真计算结果

利用Petri网模型,仿真计算不同t信标(相邻信标运行间隔)下的t误(列车延误时间)，如图5所示。当t信标=2 min时，t误平均值约为5 min，50%以上的t误超过5 min；当t信标=4 min时，t误平均值约为10 min,超过5 min占比达90%以上；当t信标=6 min时，t误平均值已超过15 min，t误最大值约为25 min。由此可知，CBTC+BM降级时的切换时间受信标设置间距的影响较大。

4.2 CBTC+TBTC系统

当CBTC+TBTC系统的主用CBTC系统发生故障且其本身冗余失效时，列控系统切入TBTC制式，可实现准移动闭塞，虽增大了最小追踪间隔，却仍能保障较为充足的运力。CBTC+TBTC系统的列车控制模式转换如图6所示。

图6 CBTC+TBTC系统的列控模式转换

采用赋时Petri网建立列控系统由CBTC模式切换到TBTC模式的过程如图7所示。当CBTC系统的DCS发生故障时，列车随即接入TBTC系统下的数字轨道电路TWC子系统，从而实现连续通信。准移动闭塞下列车降速10%运行，必须保证前方闭塞分区出清后方可驶入，转入TBTC制式下基于目标-距离追踪运行。列车延误主要由于列车运行间隔的增大和列车行驶速度的降低造成，根据构建的赋时Petri网模型对列控系统降级导致的列车晚点时间进行计算。

图7 CBTC+TBTC制式下由于通信故障导致系统降级至TBTC运行模型

基于Petri网模型，仿真计算当t运行(运行设计间隔)分别为100 s、120 s和180 s时的t误，结果如图8所示。当t运行=100 s时，t误均不超过2 min。这与当前某线路“CBTC+TBTC”信号系统改造工程中的TBTC制式设计行车间隔一致。当t运行=120 s和t运行=180 s时，t误均未超过5 min。CBTC+TBTC系统为1套连续通信的闭塞系统，其降级时的信号切换用时仅由本身行车间隔和速度降级造成，远低于CBTC+BM系统的信号切换用时。

图8 TBTC不同t运行下的t误分布仿真计算结果

5 结语

本文基于现场数据和理论建模，计算列控系统的RAM指标。计算结果表明，双套冗余异构列控系统的可用性高。针对CBTC+BM系统及CBTC+TBTC系统，建立Petri网模型并分析了列控模式切换对列车延误的影响。CBTC+TBTC系统的模式切换用时短，基本不会发生5 min的列车延误。CBTC+BM系统的模式切换用时与t信标有直接关系：t信标越小，对列车延误的影响越小，当t信标=2 min时，列车的平均延误时间约为5 min；当t信标增大时，列车延误时间将成倍增长。

在工程实践中，应结合实际选择信号制式，选择合适的双套冗余列控系统，既能提升列控系统的可用性，也能降低列控模式切换对列车延误的影响，从而满足线路大客流运输的需求，提升服务水平。