CN102514598B - 高铁信号系统级“故障-安全”方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高速铁路信号系统安全控制与监测技术领域中的一种高铁信号系统级“故障-安全”方法。所述方法包括系统级故障诊断与定位方法、系统级数据共享与融合方法、系统级列车运行双重监控方法和建立系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库。本发明通过信号子系统之间的数据共享和融合，提高了列控数据的安全性；通过各子系统之间相互测试和验证，实现了系统级故障诊断和定位并采取措施导向安全；通过信号设备及子系统内部监控与系统层校核相结合方式，实现从点到线对列车运行监控的双保险。

Description

高铁信号系统级“故障-安全”方法

技术领域

本发明属于高速铁路信号系统安全控制与监测技术领域，尤其涉及一种高铁信号系统级“故障-安全”方法。

背景技术

2008年4月28日胶济线相向行驶的T195次和5034次旅客列车在周村至王村间发生相撞事故。2011年7月23日北京南开往福州的D301次动车组列车运行至甬温线永嘉至温州南间，与前行的杭州开往福州南D3115次动车组列车发生追尾事故。两次特别重大铁路交通事故均属责任事故，信号设备存在技术缺陷和调度指挥及管理存在漏洞是造成7·23事故的主要原因，4·28事故也存在同样的问题。

既有线临时限速命令由调度、司机、车机联控、工务、电务的LKJ监控设备等相关业务环节执行。其中只要任意一、两个环节能够认真履行职责、发挥作用，即可保证临时限速的正确执行。胶济线事故正是由于管理疏漏、当事人不负责任、存在相互依赖心理等问题，造成各环节全部没有执行临时限速，最终酿成惨剧。

解决既有线临时限速命令执行中的问题可从两个方面入手，一是由设备自动执行临时限速，即采用无线方式在车地之间传输临时限速，实时更新监控装置LKJ参数数据库中的限速值；亦可采用CTCS-2线路上应用的应答器方式。二是严格执行既有临时限速调度命令制度的同时，建立各环节临时限速联控机制，即在既有TDCS或CTC系统上叠加临时限速联控机制功能模块。通过建立数据库及管理规则，实现临时限速提醒预告、签收确认、监督执行、责任追究，文献1(王俊峰，《既有线临时限速及进路信息无线传输系统[J]》，中国铁路，2009-8：47-48，64)即提供了这样一种方法。

7·23铁路事故是由于温州南站信号设备在设计上存在严重缺陷，遭雷击发生故障后，导致本应显示为红灯的区间信号错误显示为绿灯。行车调度人员对信号设备异常现象未引起高度重视，以为ATP设备工作正常，未按规定办理站间闭塞，而将两列车放入同一区间。导致发生了一起原本可以避免的特别重大铁路交通事故。

7·23铁路事故中，在信号设备故障情况下，调度指挥和信号设备的“故障-安全”设计均未发挥应有的作用，均未能控制列车停车和保证列车安全追踪间隔。人们会因此提出一系列质疑：还会否存在其它铁路信号核心设备设计缺陷？非正常情况下能否保证列车安全追踪间隔？信号设备故障后能实现“故障-安全”吗？等等。如何保证列车运行安全，特别是设备故障后的列车运行安全已成为发展高速铁路必须解决的课题。

7·23铁路事故表明，仅停留在信号设备层的“故障-安全”设计已不能满足列车运行控制的安全需求。在高铁信号系统级层面进行“故障-安全”设计，是解决列车安全问题可行的选择。

“故障-安全”是指信号系统在任何部分发生故障时，能够维持安全状态或向安全状态转移。系统级“故障-安全”以系统级故障诊断理论(Preparate FP，Metze C，Chien RT.On the Connection Assignment Problem of DiagosableSystem[J].IEEE Transaction On Electronic Computer，1967，16(12)：845-854)为基础，在系统层面实现故障诊断和定位，当出现故障时采取有效措施实现故障导向安全，保证列车运行安全。

高铁信号系统包括列控系统(CTCS)、联锁系统(CBI)、调度集中(CTC)三个子系统，以及一些信号辅助系统，如：信号微机监测系统(MMS)、列控动态监测系统(DMS)、车次号跟踪和无线校核系统、调度命令无线传输系统、电源系统等。目前，中国高速铁路采用CTCS-2和CTCS-3两种列车控制系统。CTCS-2适用于控制时速200km/h～250km/h线路的列车，CTCS-3适用于控制时速350km/h及以上线路的列车。高铁信号系统中，设计系统级“故障-安全”的必要性包括以下几个方面：

(1)高铁信号系统是各种信号设备和子系统及其辅助设备的集成。系统集成是高铁信号关键技术之一，直接关系到系统的安全性。列控系统功能需求规范(FRS)、系统需求规范(SRS)和系统接口规范(FIS)是进行系统集成的主要依据。当前高铁信号系统集成侧重于不同设备或系统之间的接口技术，以及不同信号厂商的信号设备在构成系统时的互联互通。由于这些信号设备和子系统是不同时期开发并叠加到信号系统中的，所以在此基础上构成的信号系统，非一次性按照系统工程理论整体设计，难于发挥系统总体和系统层面的优势。这种简单叠加式的集成缺少系统内数据共享和融合，缺少各子系统之间相互测试和验证、联动控制和逻辑约束机制，缺少新增无线通信和应答器等设备综合利用，缺少在系统层面实现“故障-安全”的统筹设计。

(2)无论是列控车载设备数据司法记录单元(JRU)，还是地面信号微机监测系统，都有“黑匣子”之称。它们主要用于记录信号设备操作、运行状态及电气特性的模拟量和开关量原始数据，方便在线或事后故障诊断与分析。信号故障具有多样性、复杂性和不确定性。目前的信号维护与故障处理工作，主要依靠信号微机监测系统组建联网进行实时监测，但信号微机监测系统侧重于结果管理，在过程管理方面存在明显不足，不能通过对监测数据的采集得出规律性的结论，而且尽管信号微机监测设备已经在现场广泛应用，但很多依然依靠人工来检查数据的变化，在数据量很大的情况下，人工对数据关联性分析以及对历史数据比较分析无法胜任。虽然汇集了几乎所有信号设备各种数据，但对信号数据的挖掘和逻辑分析、数据共享和融合处理不够。除信号微机监测系统具有简单的逻辑判断和部分电气量超标报警外，其它方面起不到实时自动报警并监控信号系统运行的作用。

(3)CTCS-2列控系统由ZPW-2000轨道电路构成的自动闭塞系统提供行车许可，CTCS-3列控系统由无线闭塞中心(RBC)提供行车许可。这次信号设备故障，CTCS-2列车控制中心(TCC)未能实现“故障-安全”功能，错误输出升级信号。RBC以及其它信号设备会否出现类似情况？由于导致信号设备故障的原因、故障危害程度和影响范围等因素的不确定性，决定了软件开发的不可遍历性，造成信号设备的“故障-安全”设计极有可能不止一处存在缺陷。

(4)CTCS-3列控系统采用GSM-R传输车地之间的列控数据，实现了双向信息传输。CTCS-2列控系统采用轨道电路和应答器传输列控数据，实现地对车单向信息传输。二者计算和输出列车速度控制指令，全部取决于车载设备，并未构成闭环互律控制。前者具备了闭环的形式，但非实质；后者则尚不具备闭环条件。目前，CTCS-2和CTCS-3列控系统全部为“列控动态监测系统(DMS)”设计了数据采集接口，实现了地面对列车及车载设备的动态监测，但该系统实时下传的列车数据并未介入调度集中或列控系统中，未能起到闭环反馈作用。

(5)高铁信号系统的CTCS、CBI、CTC三个子系统彼此关联、相对独立，缺少仲裁机制，以致出现联锁表示与CTC表示不一致时，无任何设备识别和报警等问题。CTC与行车调度人员交互和界面显示，自动监督列车运行，故障报警功能不完善。CTC不能取代行车调度人员或车站值班员监督列车运行，不能完全依据《技规》《行规》《站细》有关限制条件和相关安全数据约束行车调度人员或车站值班员的操作行为，达到杜绝因人为因素导致的错误接发列车等操作。信号设备故障时的应急行车指挥机制尚不够完善。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有高铁信号各个子系统之间的列车运行控制数据没有实现共享和融合，导致高铁信号系统决策层列控数据的准确性和可信度不高的问题，提出一种高铁信号系统级“故障-安全”方法，用以解决该问题。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种高铁信号系统级安全保障方法，其特征是所述方法包括系统级故障诊断与定位方法、系统级数据共享与融合方法、系统级列车运行双重监控方法和建立系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库；

所述系统级故障诊断与定位方法具体是，利用各子系统之间的通信接口传输子系统间的数据，并对传输的数据进行计算，比较各子系统传输的数据的计算结果，实现故障诊断和定位；

系统级数据共享与融合方法具体是，CTCS-3列车控制系统的C3控制单元和C2控制单元之间交换各自的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，并根据交换后的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，采用最不利原则计算列车允许速度并生成监控曲线；

系统级列车运行双重监控方法包括基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法和ATP列车追踪间隔监控方法；所述基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法具体是，在既有CTC系统中实时计算两列列车最小追踪间隔，并与该两列列车实际间隔距离比较，如果两列列车最小追踪间隔大于该两列列车实际间隔距离，则进行报警且控制列车减速或停车；

所述系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库具体是以列车运行位置和速度变化、信号码序改变、设备动作逻辑关系、联锁条件、运行场景变化和列车安全追踪间隔确定故障诊断规则的依据，按照信号系统结构特征分别建立传感器级、设备级、子系统级和系统级故障诊断规则库。

所述采用最不利原则计算列车允许速度并生成监控曲线具体是，分别比较C3控制单元和C2控制单元的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，选择比较结果小的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，以及临时限速区距离长的信息，计算列车允许速度并生成监控曲线。

所述在既有CTC系统中实时计算两列列车最小追踪间隔具体是，CTC系统从车次号系统获得前后追踪列车的车次号、机车号、运行速度、列车位置、总重、计长、辆数以及线路参数，采用牵引计算方法按照运行图实时检算该两列列车最小追踪间隔。

本发明通过信号子系统之间的数据共享和融合，提高了列控数据的安全性；通过各子系统之间相互测试和验证，实现了系统级故障诊断和定位并采取措施导向安全；通过信号设备及子系统内部监控与系统层校核相结合方式，实现从点到线对列车运行监控的双保险。

附图说明

图1是系统级数据共享与融合方法的系统层数据融合示意图；

图2是系统级数据共享与融合方法的传感器层数据融合示意图；

图3是系统级列车运行双重监控方法示意图；

图4是系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施示例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

系统级“故障-安全”是应用系统级故障诊断理论，通过不同设备执行相同的任务，比较输出结果检测故障；或通过系统中设备之间相互测试，对测试结果进行逻辑分析确定故障。实现系统级“故障-安全”需要在信号系统中的系统层面设计出一种或多种可靠的具有故障非对称性特征软硬件处理通道或监控模式，应用一致性校核准则，保证输出的正确性。在信号系统层实现“故障-安全”，与信号设备层“故障-安全”形成互补，共同提升信号系统的安全性。

本发明提供的方法包括系统级故障诊断与定位方法、系统级数据共享与融合方法、系统级列车运行双重监控方法和建立系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库。

其中，对于系统级故障诊断与定位方法，高铁信号系统各子系统之间存在多种通信接口，实现子系统间的数据传输，一方面为数据共享和融合提供了条件，另一方面，形成了冗余通道，用于进行不同处理器计算结果的比较，实现故障诊断和定位。利用列控数据的完备性，是进行故障诊断和定位的另一种途径。正常情况下列控数据是完备的，在故障或非正常时列控数据出现异常和存在缺陷。一些行车安全事故都是在错综复杂的环境、没有任何征兆的情况下发生的。发生事故的同时必然伴随着不完备列控数据的出现。

系统级数据共享与融合方法具体是，CTCS-3列车控制系统的C3控制单元和C2控制单元之间交换各自的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，并根据交换后的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，采用最不利原则计算列车允许速度并生成监控曲线。

在高铁信号系统不同层面，特别是系统决策层，充分实现数据共享和进行数据融合，提高信号系统故障条件下，输出控制数据的正确性。例如，CTCS-3列车控制系统包括C3控制单元和C2控制单元。C3控制单元通过GSM-R无线方式接收来自无线闭塞中心(RBC)的行车许可信息、线路描述信息、临时限速信息和来自应答器的列车位置校准信息，计算列车允许速度和生成监控曲线。C2控制单元接收来自轨道电路的行车许可信息和来自应答器的线路描述信息、进路信息和临时限速信息，计算列车允许速度和生成监控曲线。

图1是系统级数据共享与融合方法的系统层数据融合示意图，如图1所示，在CTCS-3列车控制系统决策层，C3控制单元与C2控制单元之间进行列控信息交换，实现数据共享。将这些分别来自不同信息源、不同传输通道和传输方式的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息等核心列控数据按照“最不利数据原则”进行数据融合。即分别比较C3控制单元和C2控制单元的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，选择比较结果小的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，以及临时限速区距离长的信息，计算列车允许速度并生成监控曲线。使用融合后的列控数据计算列车允许速度和生成监控曲线，对列车进行控制，安全性更高。这种共享和融合本质上构成了相同列控信息车地信息采集、传输和处理双通道，因此可以避免单通道因设备故障导致输出错误数据，可以降低共因错误概率。同时通过双通道比对，实现系统级故障诊断。

另外，数据融合还包括传输通道的数据融合和传感器层的数据融合。传输通道的数据融合通过轨道电路方式、应答器方式和GSM-R通道传输列控数据的融合。图2是系统级数据共享与融合方法的传感器层数据融合示意图，图2中，传感器层的数据融合包括轴端脉冲测速传感器1、轴端脉冲测速传感器2、雷达测速传感器和对测速与定位信息的融合。

在实现列控系统车地闭环控制基础上，进一步实现列控系统的车地互律控制。列控系统车地闭环控制，包括单列列车车地闭环控制和区域内列车车地闭环控制。列控系统的车地互律包括：列控车载设备与地面设备互律，即车载ATP(Automatic Train Protection System，列车自动超速防护系统)计算监控指令与地面ATP计算监控指令互相验证；列车与区域互律，即单列列车ATP计算监控指令与管内全线所有列车RBC计算监控指令互相验证。目前，接收和处理列车速度信息、应答器点式信息、轨道电路信息的车载安全计算机(VC)等设备均采用了2取2或3取2冗余技术，当这些设备输入信息正确时，均可保证计算与输出的正确性；当输入信息有错误时，冗余无法保证输出的正确性。系统级区域闭环控制和互律，可以及时发现和定位故障，有利于设备故障状态下，及时采取措施保证行车安全。

目前，列车追踪间隔、安全停车距离和列车速度等列车运行状态监控，由ATP设备控制完成。同时，行车调度人员通过CTC完成列车运行辅助监督。当ATP故障且未能实现“故障-安全”时，由ATP设备单独监控列车运行存在很大风险。而由行车调度人员通过CTC完成列车运行监督存在一定局限性和不确定性。为此，本发明提供了一种系统级列车运行双重监控方法，包括基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法和ATP列车追踪间隔监控方法。在结构上，基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法与既有ATP列车追踪间隔控制并行，构成列车运行双通道监控。基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法可实时监督ATP对列车追踪间隔的控制，特别是当ATP设备故障或输出错误信息时，保证列车运行安全。

图3是系统级列车运行双重监控方法示意图。其中，基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法，以CTC为载体，全线列车为控制对象，建立系统级实时列车追踪间隔及停车距离检算监督模式。车次号是实现该功能的关键，通过车次号追踪和无线校核系统保证车次号的正确性。列车车次号与列车位置和速度等信息绑定，列车位置由车载应答器及轴端脉冲传感器和地面轨道电路双重确定。CTC可从车次号系统获得前后追踪列车的车次号、机车号、运行速度、列车位置、总重、计长和辆数等信息，辅之以被存储的线路参数，采用牵引计算方法按照运行图实时检算相邻列车是否满足列车最短追踪间隔或安全停车距离。相对列控系统计算允许速度时的目标点为前方列车所占用闭塞分区的入口端，CTC检算的目标点为前方列车尾端，并且可以获得前车的速度信息，检算过程等同于移动闭塞中计算列车监控指令，检算结果更全面，更可信。该调度监督模式形成ATP个体计算和CTC全线整体检算双通道双保险，以此确保故障情况下列车的安全。

系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库具体是以列车运行位置和速度变化、信号码序改变、设备动作逻辑关系、联锁条件、运行场景变化和列车安全追踪间隔确定故障诊断规则的依据，按照信号系统结构特征分别建立传感器级、设备级、子系统级和系统级故障诊断规则库。

建立系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库，实现系统级信号监测报警。基于专家系统的智能故障诊断方法无需复杂系统精确的数学模型，已被广泛应用于复杂系统故障诊断。高铁信号系统因具有突发性、多原因、多过程等特点当属复杂系统，将专家系统用于高铁信号系统故障诊断是可行的。高铁信号系统设备种类多、数量大、分布范围广、运用环境复杂，故障类别、原因和表现多种多样，适合建立具有分层结构和隶属关系的树状知识库。按照信号系统结构特征分别建立传感器级、设备级、子系统级和系统级故障诊断规则库，如图4所示。通过综合利用规则、案例、数据完备性和专家经验等方法建立故障诊断规则数据库。列车运行位置和速度变化、信号码序改变、设备动作逻辑关系、联锁条件、运行场景变化、列车安全追踪间隔等是确定故障诊断规则的依据。传感器级、设备级、子系统级和系统级故障诊断规则，每一级都有各自的特点：传感器级和设备级，主要依据元器件及其电气特性确定故障诊断规则；子系统级特别是系统级则主要依据子系统横向联系和相互测试、计算比较、逻辑关系及系统综合等确定故障诊断规则。

列控数据完备性和运行规则是系统级故障诊断的又一特点。列控数据的完备性指能够保证列车运行安全控制数据的完整性、正确性、有序性、实时性、时效性和兼容性。车载设备数据取自列车动态监控系统和司法数据记录单元，地面设备数据取自信号微机监测系统。采集到的实时数据信息量大、覆盖车载和地面的不同层面。联锁的进路信息、列控中心的行车许可信息、列车位置和速度信息、轨道电路占用和闭塞信息、应答器线路描述信息、临时限速信息等，如果单一判断这些信息难以确定其正确与否，但如果以同一时间基准，在系统层按照列控数据完备性和运行规则判断则较容易发现错误。

本发明解决了高铁信号系统级故障诊断和定位方法中的双通道形成、子系统互测、诊断算法问题，同时解决了采用数据融合提高控制数据的可靠性，避免因部分设备故障导致数据失效的问题。另外，为了避免列车追尾和冒进信号事故，采用在既有CTC系统中实现列车追踪间隔和安全停车距离预警监控，与ATP列车追踪间隔控制形成监控双通道，当ATP不能正常作用或故障后未能实现“故障-安全”时，CTC列车追踪间隔和安全停车距离超限预警系统，可发出报警并采取有效措施保证列车运行安全。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种高铁信号系统级“故障-安全”方法，其特征是所述方法包括系统级故障诊断与定位方法、系统级数据共享与融合方法、系统级列车运行双重监控方法和建立系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库；

所述系统级故障诊断与定位方法具体是，利用各子系统之间的通信接口传输子系统间的数据，并对传输的数据进行计算，比较各子系统传输的数据的计算结果，实现故障诊断和定位；

系统级数据共享与融合方法具体是，CTCS-3列车控制系统的C3控制单元和C2控制单元之间交换各自的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，并根据交换后的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，采用最不利原则计算列车允许速度并生成监控曲线；

系统级列车运行双重监控方法包括基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法和ATP列车追踪间隔监控方法；所述基于CTC的列车追踪间隔实时预警监控方法具体是，在既有CTC系统中实时计算两列列车最小追踪间隔，并与该两列列车实际间隔距离比较，如果两列列车最小追踪间隔大于该两列列车实际间隔距离，则进行报警且控制列车减速或停车；

所述系统级列控系统车地动态智能故障诊断规则库具体是以列车运行位置和速度变化、信号码序改变、设备动作逻辑关系、联锁条件、运行场景变化和列车安全追踪间隔确定故障诊断规则的依据，按照信号系统结构特征分别建立传感器级、设备级、子系统级和系统级故障诊断规则库；

所述采用最不利原则计算列车允许速度并生成监控曲线具体是，分别比较C3控制单元和C2控制单元的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，选择比较结果小的行车许可信息、线路描述信息和临时限速信息，以及临时限速区距离长的信息，计算列车允许速度并生成监控曲线；

所述在既有CTC系统中实时计算两列列车最小追踪间隔具体是，CTC系统从车次号系统获得前后追踪列车的车次号、机车号、运行速度、列车位置、总重、计长、辆数以及线路参数，采用牵引计算方法按照运行图实时检算该两列列车最小追踪间隔。