论城轨ATP系统工作原理及安全措施毕业论文.doc

论城轨 ATP 系统工作原理及安全措施毕业论文 摘要 城市轨道交通列车自动超速防护系统 ATP 自身的作用是保证轨道交通 的行车安全 安全可靠性要求极高 其自身的安全可靠性受到了诸多关注 本学位论文首先从城市轨道交通列车超速防护系统 ATP 的结构 类型和基 本工作原理的分析入手 重点对车载 ATP 系统的可靠性进行了较为深入的研究 论文结合了南京地铁一号线实际运行的 ATP 系统 简要介绍了这类 ATP 系统 的结构和工作原理 对于车载 ATP 系统 为了能够深入研究其系统可靠性 计算 ATP 子单元 的双机并行暂态和稳态有效度值 以及整个 ATP 系统的稳态有效度 经过实例 计算 证明 ATP 系统的有效度高 能够满足安全行车的需求 本文还提出和分析影响车辆安全运行的具体因素 针对这些具体因素 使 用两两比较法 将这些因素对于安全行车影响能力进行排序 并提出相对应的 改善策略 最后 根据灾变灰预测理论 预测出同类硬件群体失效率异常的时间段 以便于对 ATP 系统提出合理安排检修的日期 关键词 工作原理 列车超速防护 安检 Abstract Urban Transit System Automation Train Protection as an important factor to protect train safety The reliability of Automation Train Protection is asked very high which to be pay much attention This theism start at the structure type and work principle of Urban Transit Automation Train Protection and give emphasize to study the reliability of on board ATP Introduce structure and work principle of the ATP which are acting in the number one line of Shenzhen underground For studying the reliability of on board ATP farther Calculate the value of Instantaneous Availability and Steady Availability of ATP unit which act the end with two same equipment And calculate the Steady Availability of the whole ATP After the example calculation prove that the reliability of the ATP is very high which can satisfy require of train safety The theism put forward and analyze some factors which influence train safety to make sure that these factors influence ability for train safety the thesis use two two compare way to get it Then put forward corresponding settle way Finally in order to arrange rational time for examine and repair according as Calamities Grey Prediction prediction the period of time of Failure Rate abnormity Key words The Working Principle Automation Train Protection Security Check 目 录 第 1 章绪论 3 1 1 课题背景 3 1 2 国内外现状 4 1 3 课题研究的实际意义 4 1 4 论文的结构 5 第 2 章 ATP 系统构成和工作原理 5 2 I ATP 系统的功能 5 2 2 ATP 系统的结构 分类和工作原理 6 2 2 1 ATP 系统的结构 6 2 2 2 ATP 系统工作的分类 7 2 2 3 点式 ATP 的工作原理 8 2 2 4 采用轨间电缆的连续式 ATP 的工作原理 9 2 2 5 采用轨道电路的连续式 ATP 的工作原理 9 2 3 三种方式的 ATP 优缺点比较 10 2 3 1 点式 ATP 的优缺点 10 2 3 2 采用轨间电缆连续式 ATP 的优缺点 11 2 3 3 采用轨道电路连续式 ATP 的优缺点 11 第 3 章列车超速防护 12 3 1 轨道交通 ATP 的 故障 安全 准则 13 3 2 列车检测 14 3 3 列车自动限速 15 3 4 目标速度和目标距离 16 3 5 制动模式 17 3 6 测速与测距 18 3 7 速度限制 19 3 8 常用制动和紧急制动 15 第 4 章加强 ATP 系统安全性的方法 39 4 1 造成不安全行车的因素 39 4 2 加强设备故障预测 39 4 3 提高工作人员的管理和作业能力 49 4 3 1 提高驾驶人员和控制中心人员的工作能力 49 4 3 2 提高检修人员的作业能力 49 4 4 提高轨道交通运输公司的质量管理能力 49 4 4 1 建立安全质量小组 50 4 4 2 建立轨道交通设备质量跟踪制度 50 4 4 3 建立应急小组 50 4 5 增强应对环境的影响能力 51 结论 11 致谢 12 参考文献 13 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景课题背景 随着城市经济 文化活动的发展 城市交通问题日益突出 带来一系列的 问题 如交通阻塞 车速下降 事故频繁发生 汽车排放的尾气和噪声等对环 境的污染等 为了缓解城市交通压力和解决这一系列的问题 地下铁道 轻轨 铁路等城市轨道交通应运而生 从 1863 年英国伦敦第一条地铁投入使用后 100 多年来 城市轨道交通在全世界蓬勃发展 在我国 北京 广州 上海等 特大城市轨道交通已经运行多年 收效很好 在一般的大城市 如深圳 南京 重庆 成都等也己经运营或开始修建轨道交通 可以预计 未来的几十年内城 市轨道交通将会得到更大的发展 城市轨道交通以其运送量大 快速 正点 低能耗 少污染 乘坐舒适和 安全著称 在轨道交通系统中 列车车速不高 但站间距离短 列车追踪 运行的时间间隔小 一般间隔为 2 一 3min 甚至更短 以如此短的时间间隔行 车 既要保证行车安全 又要保证行车的效率和准确性 对于硬件 这里的硬件 是指保证轨道交通正常运行的列车和地面设备及其配件 的可靠性要求就非常高 为了保证轨道交通系统中各种设备的正常运行 减少故障 事故和突发事件的 发生 应尽可能地利用最先进的技术装备和高科技手段 2 目前国内在这方 面几乎都采用列车自动控制系统 AutomationTrainControl 简称 ATC ATC 由列车超速防护子系统 AntomationTrainProteetion 简称 ATP 列车自动操作子系统 AntomationTrainoPeration 简称 ATO 和列车自动监督子系统 AntomationTrainsuPervision 简称 ATS 三部分组成 在自动控制系统 中 超速防护子系统本身就是保证行车安全的主要组成部分 ATP 子系统可以自动检测列车的位置和实现列车间隔控制 以满足规定的 通过能力 连续监视列车的速度 实现超速防护 ATO 子系统实际上是地对车 的控制 使列车随时处于最佳的运行状态 ATS 是对列车的监督运行 其作用 是后发性的 列车自动防护系统在城市轨道交通中承担着确保行车安全的重要职责 是 保证列车速度安全的系统 目前世界各国研发了不同型号的 ATP 这些不同类 型的 ATP 在世界各国和地区被广泛的使用 无论什么类型的 ATP 其作用大致 都是一样 都是起着维护列车安全的作用 实现超速防护的功能 它可以进行 停车点防护 速度监督与超速防护 列车间隔控制和车门控制等 1 21 2 国内外现状国内外现状 世界各地和我国使用了不同型号和种类的户 JP 比如 在日本的 Tohoku 玩的新 干盛冈 Hachinohe 的延长线上使用的是日立公司的集成数字列车自动防护系 统 在英国伦敦地铁中央线 ATP 系统采用的是英国西屋信号有限公司 WSL 开发 的 基于无绝缘轨道电路 JTC 的固定闭塞 ATP 系统 包括 ATP 轨旁设备和 ATP 车载设备 31 另外在我国 上海轨道交通 1 号线采用了美国 GRS 公司 现为 ALSTOM 公司的一部分 的 ATP 系统 上海轨道交通 2 号线采用了美国 USS 公司 的技术 上海轨道交通 3 号线 明珠线一期 采用了法国 ALSTOM 公司的 ATP 技术 而上海轨道交通 5 号线 萃阂轻轨线 采用了德国 sIEMENS 公司的设备 在 ATP 的 研发上 国家 八五 科技攻关项目也致力于研发出安全可靠和先进的 ATP 系 统 所研发的 LCF 列车超速防护系统已投入使用中 而且还进行了改进和升级 换代 现已经有 LCF 一 96II型 我国一系列的 ATP 被使用于我国的地铁建设和 运营中 例如深圳地铁 目前 国内外对于轨道交通自动控制系统的安全研究 主要集中在轨道交 通自动控制系统的三个子系统 ATP ATO 八 JS 各自的研究提高方面 实际上 各子系统结合起来 本身既可以使列车具有最大的通过能力 又是使列车安全 运行的重要保证 对于 ATP 的安全研究也主要集中在两个方面 一是自身硬件的性能提高 二 是安全可靠性的研究 1 ATP 各子系统的硬件性能提高 现有的研究中多着重于每个子系统的优化 和精准度的提高 重视硬件的作用 有些系统采用冗余的方法 保证其可靠性 这类研究属于提高可靠性的研究 不论如何提高其可靠性 安全的保障都是人 机 环境共同作用的结果 任何一个极小的错误都会导致不安全的事故发生 2 对于系统安全失效的研究 传统的安全失效分析是不精确的 但它可以预 测安全事件的统计可能性 这类方法是属于预防性的 提出可能会发生的情况 针对每类可能会导致安全隐患的情况给予预防 但对何时会发生不安全的事件 不能给出定论 1 31 3 课题研究的实际意义课题研究的实际意义 城市轨道交通车辆使用自动控制系统 行车调度员的作用主要为监控运行 列车司机的作用为开关车门 启动列车和监控运行 整个列车自动控制系统的 可靠性很高 一般情况下不会发生失效 如果发生失效情况 工作人员在时间 允许和反应及时的情况下 可以手动操控列车以保证安全行车 但是在自动控 制系统失效的情况下 工作人员如果存在反应不及时或注意力不集中等情况 将会导致事故的发生 超速防护系统本身的目的是为了保证列车安全 那么自身的可靠性要绝对 的高 这才能使运营安全高效 才能使乘客放心乘坐 所以可靠性的高低非常 重要 因此 如何证明户 JP 可靠性很高 分析并得出 AI P 可靠性值是一个重 要的手段 无论 ATP 的可靠性有多高 但不是 100 的可靠 总会有发生故障的时候 故障是如何引起的 引起故障的主要原因是什么 如果能找出引起故障主要的原 因 那么就能够针对这些原因预先进行防范 就能起到事半功倍的作用 硬件及设备总有损坏的时候 损坏时期是未知的 如果能预先得知硬件或 设备可能的寿命和大致损坏期 则可提早告知检修工作人员 及时地进行防患 修理和更换硬件和设备 则可降低不安全事故的发生率 进一步再提出影响因 素 给出相应的预防措施 能加强轨道交通的行车安全 1 41 4 论文的结构论文的结构 第一章绪论 主要介绍论文的研究背景 论文研究的实际意义 介绍国内 外研究现状 给出论文的总体结构 第二章 ATP 系统构成和工作原理 介绍 ATP 系统的功能 ATP 共分为三类 分别阐述它们的结构和工作原理 并就三种类型的 ATP 优劣做出了比较 第三章 LCF 型 ATP 系统安全性分析 介绍 LCF 型戎 ATP 的结构和工作原理 在安全 失效准则下 利用双机并联转移状态模型 分析并联单元在浴盆曲线 损耗失效期的双机并行可靠性 在此基础上分析整个系统的可靠性 第四章 ATP 系统安全性的影响因素及加强安全性的方法 导致不安全行车 行为的因素是属于人 机 环境的 给出属于人 机 环境的具体因素 并就 每一种因素对不安全行车造成的影响给予分析排序 以便于更好地防止行车事 故的发生 针对可能导致不安全行车的具体因素 给出具体的解决办法 尤其 是针对硬件的检修失误过多 采用了灰色灾变理论的方法 预测出同种类硬件 设备可能出现的失效率异常情况时段 结束语 总结了论文的研究成果 特点和不足之处 提出了下一步需要深 入研究的问题 此处省略 3000 字 第第 4 4 章章 ATPATP 系统安全性影响因素分析系统安全性影响因素分析 在上一章中分析了 ATP 的可靠性 从实例 LCF 型 ATP 分析的结果看 系统 的可靠性非常高 几乎是不会发生事故 但是在实际运行中 ATP 还是会有故 障发生 例如 2006 年 4 月 25 日上午发生在日本兵库县尼崎市的列车出轨事 故 记录事故发生时列车速度 刹车情况等行车数据的 黑匣子 的数据显示 火车出轨前 5 秒钟的时速为 100 多公里 大大超过了限制的 70 公里 虽然有专 家认为 如果仅仅是超速 30 公里是不应该导致出轨的 日本的列车都装有超速 防护系统或者是类似于 ATP 的安全防护装置 正常运行的情况下 列车接近限 制速度时 ATP 等超速防护系统会发出警报 超过限制速度后会报警和制动 可是在这次超速事件中还是发生了列车出轨这等严重的事故 根据日本的国土 交通局组成的事故调查委员会调查后 事故原因是包括超速在内的综合因素导 致了火车出轨 从日本列车这次事故可以看出 即使不是完全由于超速导致列 车出轨 超速的影响因素也是存在的 超速防护系统的功能在这次事件中并没 有很好的得以实现 所以 ATP 等超速防护系统不是 100 的安全可靠 事故是由 多方面因素引起的 对于列车 ATP 系统来说 虽然可靠性极高 但是在系统中 还是存在极小的不安全因素 因此有必要寻找出这些导致不安全行车的具体因 素 并且明确这些因素的影响力的大小 对于任何硬件故障和事故 实质上都 属于人 机 环境三个大因素单独或者共同的结果 在本章中会找出这些属于 人 机 环的具体因素 并就每一种因素对不安全行车造成的影响大小给予分 析排序 以便于更好地防止不安全事故的发生 4 14 1 造成不安全行车的因素造成不安全行车的因素 1 人占主导地位的因素 从工业革命后 机械 电子 计算机等行业发展迅速 许多领域机器可以 代替人类 但机器并不像人类一样是有智慧的高级生物 一般来说 机械和电 子类硬件设备是一定会发生故障的 有些故障是无法避免的 但是可以通过日 常维护降低它的发生率 轨道交通 Al P 在理论上故障率极低 在日常的运行 中 对于安全行车 人的作用就非常大 例如列车员的正常操作 维护人员高 水平的维修对于安全的 正常的行车工作就相当重要 人的因素对于不安全行车的影响可以分成三个方面 检测和维修失误 操作 失误和故意破坏 前两个方面的因素是城市轨道交通工作人员引起的 后一个 方面的因素可以由包括工作人员 乘客以及其它社会人员在内的任何人造成 1 检测和维修失误 一种情况是检修列车 ATP 的过程中 如果检修组没有认真检查 错检或漏 检列车 ATP 故障问题 错误地将本身有问题的硬件认作为是功能正常的硬件 或者是本身有故障的硬件根本就没有被检查出来 另一种情况是已经检测硬件有 问题 或者可以判断出硬件即将损坏 却没有及时维修和更换 上述两种情况 都有可能会导致恶性事故或者低效率行车 2 操作失误 当 ATP 系统发生故障 此处故障既包括倒向安全侧时的情况 也包括 故障 安全 本身发生故障 这时 属于 ATP 系统的工作就需要人工来做 例如 司机要自行确定停车点防护 并且根据控制中心的信息对速度进行监督 列车 间隔控制和车门控制等 此时工作人员有稍微的疏忽一定会导致不安全行车 3 故意破坏 这种人为的故意破坏在现实中并不罕见 常常有因种种原因而对设备破坏 泄愤 比如故意纵火 甚至偷盗设施等等 也有人以破坏设备作为娱乐 此种 情况虽然比较少 但不能不作为一个考虑的因素 尤其是近些年来 世界恐怖 组织等越来越多 越来越频繁地将目标锁定为人员密集 社会影响力较大的城 市轨道交通系统 这种行为对整个世界造成巨大的影响 导致不属于恐怖组织 的其它人员也会效仿 将愤怒发泄到城市轨道交通上 2 机占主导地位的因素 智能化程度越高的现代化设备 给人类带来的方便就越多 但是一旦出现 故障 机器及硬件设备造成后果是相当严重 在城市轨道交通中 硬件设备对 行车造成不安全行车可以分成两个方面 自身缺陷以及偶然和损失性失效 l 自身缺陷 一种情况是某些产品本身在设计和生产时 有一定的缺陷 没有及时被发 现或重视 但是却投入市场使用 另一种情况是产品虽然己投入市场使用 使用 过程中并不能完全符合使用单位的期望值 需要进行改进或更新换代 2 偶然和损失失效 在本论文的第三章已经深入的讨论过 这是引起失效最重要的原因 任何 事物都有寿命周期 对于日常使用的 ATP 的硬件也是一样 所以偶然和损失性 失效作为一个重要的因素 影响着行车的安全性 3 环境占主导地位的因素 环境对安全的影响有多种 如长期的空气污染 酸雨等会加快硬件损耗程 度 间接地影响到行车安全 另一种情况 自然灾害会直接影响行车的安全 本 论文只考虑环境的直接影响因素 自然灾害 如雷电 暴风雨雪 迷雾 自然火灾等 遇到这些情况 会引起 ATP 的故 障 损坏 更有甚者会导致轨道交通停用 在环境因素中属于一个重要的影响 安全因素 例如 2003 年 n 月 北京城铁 13 号线曾经因大雪导致列车在行驶中 无法正常受电而停运两小时 雨雪天气还会导致列车自动驾驶时停车对门不准或 道岔转换不灵等情况 根据上面给出的影响 ATP 安全运行因素和建立模型的依据 建立递阶模型 结构 ATP 不安全事故为第一层 人 机 环境为分类影响因素层 隶属于人 机 环境的具体影响因素作为需要排序的影响因素层 具体结构如下 图 4 一 1ATP 安全影响因素排序结构图 4 24 2 加强设备故障预测加强设备故障预测 从排序表中可以看出 因为偶然和损失性失效占首要地位 对于硬件的选 择和日常维护就显得尤其重要 轨道交通硬件的选择是要经过多方比较的 大 多选择国内外先进可靠的设备 质量是绝对可以得到保证的 要想有效地预防 偶然性和耗损性失效给行车带来的不安全和低效率问题 日常检测和修理是相 当重要的措施和手段 列车在运行后会产生磨耗 变形 老化和损坏等情况 为了使列车始终处于 良好的运行状态并延长其使用寿命 就必须根据列车的损坏 老化的规律和实 际情况 合理的安排相关的修理时间 使列车总能以最佳状态运行 例如 上海 地铁车辆检修的修程 除了乘务员每天出乘前的检查 日检组运行结束后的功 能检查和状态检查外 可分为 双周检 月检 质保期外的老车 双月检 质保 期内的新车 定修 架修和大修等几种模式 作为城市轨道交通和列车车辆的 一部份 ATP 也同样的有日常维护 目前在国内的城市轨道交通系统中 对于 硬件的维护是按照定时定期的原则进行的 每条地铁线路车辆所安排的检修修 程是不完全相同的 不管如何安排 大致都是有日常的检修到定期的大修 这样 花费大量的人力和物力进行检修 效率低下 虽然基本上可以保证行车的安全 和效率 但是仍然避免不了硬件在途中损坏的情况 在运行过程中还是时有故 障发生 因此我们要想办法在正确的时间点有针对性的检修 针对某一类部件 进行检修 对可能出现问题的零部件提前更换 轨道交通 ATP 硬件故障随时可能发生 在此系统中硬件的维修是后发性的 即使在规定的时间内进行适当的检修 还是不能完全地杜绝硬件故障情况的发 生 如果能够预见硬件故障发生的时间 则可以起到事半功倍的效果 以目前 的技术水平 要完全得知每个硬件的具体损坏时间还无法实现 但是在某个周 期或时段内 相同硬件的群体故障率异常还是可以预测的 在得知群体故障率 的高发期后 针对故障率可能偏高的硬件精心检修和维护 便可以降低故障的 发生率 保证行车的安全和效率 灾变灰预测方法则能够在这方面得到应用 4 34 3 提高工作人员的管理和作业能力提高工作人员的管理和作业能力 针对于操作失误和人为原因的检修失误 有必要提高工作人员的业务水平 和质量 因此轨道运输公司要采用一些办法 对此又分为两类 一类是加强在 运行途中驾驶人员和控制中心人员对 ATP 的监控 一旦发生故障 需要提高控 制中心和驾驶人员应变能力和对情况的操控能力 二类是提高检修工作人员的检 测和修理能力 4 3 1 提高驾驶人员和控制中心人员的工作能力 上岗之前要系统的学习 在知识经济飞速发展的年代 终身教育和培训应 该贯穿于轨道交通运输公司的人才管理过程之中 要提高司机和控制中心员工 的业务水平 就必须加强员工的质量意识和安全意识 除对工作人员的法制教 育 安全教育等 另外 可以不定期的对各个岗位的员工的专业知识和业务能 力进行考核 4 3 2 提高检修人员的作业能力 同样的 检修人员在上岗之前要经过系统的理论学习和技能培训 学习和 培训要终身不间断 可进行定期的技工大赛 对于优胜者进行表章 以激励员 工的学习和工作的积极性 对检修技术人员要有一套切实可行的质量考核办法 将工作的质量和效率与酬劳挂钩 以督促工作人员的积极性和责任感 4 44 4 提高轨道交通运输公司的质量管理能力提高轨道交通运输公司的质量管理能力 质量管理的目的是提高城市轨道交通运输公司的自身形象和自身能力 既 可以为旅客提供更优质和舒服的服务 更可以使企业处于良性循环中 安全运 营不但反映了轨道交通运营管理水平和运输服务质量 而且是城市轨道交通系 统实现顺畅 高效运营的前提 运营安全有序是每个轨道交通运营公司所追求 的目标 也是满足乘客需求 获得良好社会和经济效益的根本保证 总的来说 明确要在质量管理上加大力度 使轨道交通能以良好的姿态 更好地为乘客服 务 为社会服务 4 4 1 建立安全质量小组 专门建立安全质量管理小组 小组内成员要经常参加学习和培训 学习和 掌握系统的安全管理思路和方法 要在各自部门体系运行方面发挥巨大的推动 作用 促进部门整体安全管理水平的提高 另外要加强地铁站内和线路的安全 巡逻 增加车站和线路上的安全监控设施 尽量防止人为的故意破坏 在醒目 处设立旅客安全乘坐标语牌 以及市民保护轨道交通设施标语牌 如遇到故意 破坏行为 管理小组能够通过监控设施及时发现并制止这种行为 必要时可采 取法律手段以保护设施安全 安全质量小组还必须负责对乘客和市民进行安全 意识宣传 37 对有违反安全法规者要进行安全教育 情节严重者处以罚款 4 4 2 建立轨道交通设备质量跟踪制度 设立轨道交通设备质量跟踪制度 通过列车预防性检修 质量普查 质量 跟踪 质量预检等方式进行 使列车车辆能够始终保持良好的运行状态和低故 障率 为了掌握各种设备和零部件的损坏原因 平时要做好故障时间 故障原 因 造成后果等资料的收集工作 这样既可以为日后的安全做好预防工作 又 可以积累丰富的检修经验 对于国产化设备而言 收集到的资料还可以用于产品 质量的攻关和工作积累经验 为开发商提供运行实践数据 以便于完善正在使 用的这一代产品 也为下一代国产化的产品开发提供有力的依据 4 4 3 建立应急小组 城市轨道交通应对突发事件应具备应急能力仁 38 39j 地铁作为城市公 共交通的重要组成部分 未来在城市公共交通中所占的份量比重越来越大 一 旦地铁中断运营 必然会对整个城市的地面交通造成巨大压力 影响广大市民 的生活和工作 为保障人民生命财产安全 维护社会稳定发展 建立一个反应 快 保障有力的地铁运营应急抢险救援机制迫在眉睫 2006 年 l 月 国务院发 布了 9 件事故灾难类突发公共事件专项应急预案 其中包括 国家处置城市地 铁事故灾难应急预案 为落实预案规定的各项保障措施 各城市轨道交通管 理部门和运营企业在政府的统一协调下 公安 消防 医院 公交等社会力量 积极配合 分工协作 普遍建立一个反应快 保障有力的地铁运营应急抢险救 援机制 4 54 5 增强应对环境的影响能力增强应对环境的影响能力 拥有收集完整的天气信息能力 预先告知所有员工和乘客可能的天气情况 作好应付恶