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摘要：结合城市轨道交通的发展与当前主流车载ATP系统的性能，对目前ATP系统的安全可靠性进行了分析，并提出了相应提升措施。
关键词：列车超速防护；安全可靠性；故障分析
U231+.3
1前言
近年来，我国城市轨道交通事业飞速发展，全国各大主要城市相继展开地铁建设热潮。相应地铁车辆的设备智能化程度也越来越高，其中关注度较高的当属自动列车控制系统（ATC）。城市轨道交通自动列车控制系统ATC系统包括自动列车防护系统ATP、自动列车操作系统ATO和自动列车监控系统ATS三个子系统。ATO的功能主要是代替司机实现自动驾驶及自动开关门；ATP可以实现列车的安全运营，防止列车相撞、列车超速等；ATS可以实时对列车正线运行和列车出入转换轨、车辆段、停车场及列车折返作业进行监督。三套系统通过互相传送交换信息，实现了一套以安全为前提，集行车指挥、运行图调整、实时监控各功能的列车自动控制体系。从功能搭配上来看，实现安全行车主要是ATP系统的任务。目前国内主流的车载自动驾驶系统厂商包括庞巴迪、西屋、西门子、阿尔斯通等。
2ATP系统的功能
2.1 停车点防护
ATP子系统能根据线路状况、道岔位置、前方列车位置等条件，实现列车速度监督，防止列车超速，确保追踪列车之间的安全防护间隔距离，实现自动追踪运行。在一个“目标距离”的系统中，每列车都会收到一个它可以安全运行的“运行权限”通知；而后，由列车决定到达该点的安全速度。
2.2 超速防护
ATP系统根据车速、位置、障碍、线路状态改变等信息，这些信息均来自外部传感器，利用这些固态和动态信息，ATP系统为列车计算出可以安全运行的速度，一旦列车超过了这个速度，它会使列车紧急制动，从而避免与前方车辆发生相撞的的可能。
2.3 列车安全间隔控制
城市地铁车辆运营的发车间隔密度比较高，所以每相邻的两趟班次列车需要依靠ATP系统来保持一定的安全距离[1]。以便在发生突发事件时可以实现紧急制动而不会导致两趟列车相撞的情况。现阶段国内新开通的地铁线路基本都是通过移动闭塞的方式来实现列车间的安全制动距离。
2.4 测速与测距
ATP 车载设备采用两个测速电机来提供速度，已运行距离和运行方向等信息。测速电机一般装在列车头车的拖车轴上。车轴转动，带动一个齿数已知的内置齿轮。电子传感器检测出经过的齿数，然后向测速电机提供一个输出，测速电机的接口电路对输出进行信号处理，产生一个方波输出，送到ATP控制器。利用每个方波信号的频率可算出列车的速度，并且通过脉冲计数，可以测量出列车已经行驶的距离。
2.5ATP系统的硬件结构
3ATP系统的安全可靠性分析
3.1 人为的ATP不安全行车的因素
地铁车载ATP系统在理论上来说故障率很低，硬件上的故障可以通过预防性维修以及应急演练工作來降低它的故障率或减小它的损失。但是人的作用对设备的安全也很重要，例如司机的操作水平和维修人员对于故障点的快速判断水平。
3.1.1人员操作失误
当系统正常工作的时候，司机的某些误操作会导致ATP功能失效，造成安全事件。例如，前后车头方向手柄同时打前时报19559码造成ATP报警后起紧急制动，新人司机操作不熟练导致加速过快导致起紧急制动。当司机误按切换EUM模式或因ATP故障切换EUM后，列车的安全则完全由司机负责，这事司机的驾驶水平就显得很重要。
3.1.2维检失误
当维修人员在对车载ATP系统进行阅读或季度检修的时候，可能会忽略一些或大或小的故障隐患，例如配线松动、板卡指示灯异常，这时隐患得不到及时的整改，故障元件没有及时更换，就可能进一步造成行车事故。另一种情况是，维修工区已经接报故障，故障性质为阶段偶发性，发生后恢复，到达车组时按流程排查故障点，结果错误的将其他次要的故障点或正常的原件判定为故障点，维修后交付使用，这样就导致车辆继续携带故障运行，直到故障再次发生并导致事故。
3.2 设备因素的ATP不安全行车因素
3.2.1遗留缺陷
这种情况是指产品本身在设计和生产时，有一定的缺陷，交接到运营商手中时没有及时被发现或重视，最终在运营中逐渐暴露出来，并形成遗留问题，例如软件代码类的缺陷经常导致突然丢失APR定位信息、码间隙、系统时钟出偏差，进而导致列车突然紧急制动等故障。
3.2.2偶然和耗损故障
ATP系统的各部分硬件都是有一定的使用寿命的，在它到达使用寿命之前，他会保持一个较低的失效率，我们可以将它定义为偶然性实效阶段，如图T1；然而等它达到使用寿命后，他的失效率会呈现一个逐级递增的趋势，这阶段可以定义为损耗性失效期，如图T2。对于T1阶段的元件实效原因是我们维护人员应该主要投入精力研究的地方，应把配置不当、外部因素干扰、其他系统接口影响等考虑到维护预防计划中去。在第2个阶段，就是损耗性失效期，这时的安全继电器、机柜板卡、连接回路端子等原件老化严重，故障率变得非常高，已经达到寿命的临界，这时就要考虑更换。
4可行性措施
4.1制定单个元件的检修周期预测方案
通过建立系统故障分析报告资料库的方式，来对每个子系统的每个部件做细致的故障周期统计，并且加入季节性因素以及外部环境因素，进而统计出每个部件的故障高发周期。通过以上步骤来随时修订每个硬件的检修计划周期。从而合理的安排人力物力，用最少的成本进行最高效的设备维护，提高工作效率，避免安排整个系统的固定周期大修。
4.2提高人员作业能力
对于司机的误操作和维护人员的检修失误，可以通过培训与考核来实现人员业务水平的提升。例如针对司机可以重点提升驾驶人员的应变能力和对突发情况的操控能力，对于维修人员可以通过模拟常见故障的演练来提升人员对故障点的判断以及提高故障处理速度。
4.3提高事故隐患管理
应针对ATP系统建立隐患管理制度，包括事故隐患清查、隐患治理、隐患监控、事故隐患档案等几个大的部分。对于隐患清查应分类建立事故隐患统计表，建立隐患报告制度。并对确实存在的隐患及时提出整改措施以及防护措施。通过不断地意识宣贯，让工作人员有隐患监控的主动性。最后应建立事故隐患监控及整改的档案管理制度，建立完整的事故隐患监控及整改的档案。
4.4建立故障分析制度
为便于掌握具体设备和元件的损坏原因，平常要在预防性维护中或故障接报中分自检故障和接报故障，以车为单位做好故障时间、故障区域、故障原因、造成后果等故障分析资料的收集，这样做一方面为日后的安全做好预防工作，另一方面也可以积累检修经验。
4.5建立事故应急机制
应针对地铁ATP系统突然故障制定专门的应急机制。首先，应成立相应的事故应急救援组织小组，小组成员要明确公司的应急指挥系统构成相关信息。其次，应购置应急设备和工器具，包括配备现场救援和抢险装备、器材，并建立相应的维护、保养和调用的制度。然后还要形成专门的事故应急培训、演练制度，应定期针对ATP事故进行应急救援演练。对演练中发现的问题及时整改，形成完整的演练救援记录，并定期对应急救援人员进行培训。最后，应制定专门的应急预案，经各上级部门评审后存档，于紧急情况时启动应急预案，并在每次启动预案后根据效果对预案提出必要的整改意见。
5结语
结合本文的分析，目前ATP系统的维护工作，通过对人员的培训与考核可以降低故障率或减小损失，但是对于设备老化损耗失效这部分还没有有效的提升改进办法。另外地铁ATP系统是一个高度复杂的系统，对它进行安全可靠性的分析，目前还没有成熟的理论与体系。
[1] 王瑞峰. 铁路信号运营基础[M]. 北京：中国铁道出版社，2011：9~92.
[2] 程荫杭. 铁路信号可靠性与安全性[M]. 北京：中国铁道出版社，2010：95~98.
作者简介：王枫博，男，1984年12月出生，2007年毕业于大连交通大学，2010年研究生毕业于大连交通大学，助理工程师，现工作于天津市地下铁道运营有限公司.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：列车超速防护；安全可靠性；故障分析
U231+.3
1前言
近年来，我国城市轨道交通事业飞速发展，全国各大主要城市相继展开地铁建设热潮。相应地铁车辆的设备智能化程度也越来越高，其中关注度较高的当属自动列车控制系统（ATC）。城市轨道交通自动列车控制系统ATC系统包括自动列车防护系统ATP、自动列车操作系统ATO和自动列车监控系统ATS三个子系统。ATO的功能主要是代替司机实现自动驾驶及自动开关门；ATP可以实现列车的安全运营，防止列车相撞、列车超速等；ATS可以实时对列车正线运行和列车出入转换轨、车辆段、停车场及列车折返作业进行监督。三套系统通过互相传送交换信息，实现了一套以安全为前提，集行车指挥、运行图调整、实时监控各功能的列车自动控制体系。从功能搭配上来看，实现安全行车主要是ATP系统的任务。目前国内主流的车载自动驾驶系统厂商包括庞巴迪、西屋、西门子、阿尔斯通等。
2ATP系统的功能
2.1 停车点防护
ATP子系统能根据线路状况、道岔位置、前方列车位置等条件，实现列车速度监督，防止列车超速，确保追踪列车之间的安全防护间隔距离，实现自动追踪运行。在一个“目标距离”的系统中，每列车都会收到一个它可以安全运行的“运行权限”通知；而后，由列车决定到达该点的安全速度。
2.2 超速防护
ATP系统根据车速、位置、障碍、线路状态改变等信息，这些信息均来自外部传感器，利用这些固态和动态信息，ATP系统为列车计算出可以安全运行的速度，一旦列车超过了这个速度，它会使列车紧急制动，从而避免与前方车辆发生相撞的的可能。
2.3 列车安全间隔控制
城市地铁车辆运营的发车间隔密度比较高，所以每相邻的两趟班次列车需要依靠ATP系统来保持一定的安全距离[1]。以便在发生突发事件时可以实现紧急制动而不会导致两趟列车相撞的情况。现阶段国内新开通的地铁线路基本都是通过移动闭塞的方式来实现列车间的安全制动距离。
2.4 测速与测距
ATP 车载设备采用两个测速电机来提供速度，已运行距离和运行方向等信息。测速电机一般装在列车头车的拖车轴上。车轴转动，带动一个齿数已知的内置齿轮。电子传感器检测出经过的齿数，然后向测速电机提供一个输出，测速电机的接口电路对输出进行信号处理，产生一个方波输出，送到ATP控制器。利用每个方波信号的频率可算出列车的速度，并且通过脉冲计数，可以测量出列车已经行驶的距离。
2.5ATP系统的硬件结构
3ATP系统的安全可靠性分析
3.1 人为的ATP不安全行车的因素
地铁车载ATP系统在理论上来说故障率很低，硬件上的故障可以通过预防性维修以及应急演练工作來降低它的故障率或减小它的损失。但是人的作用对设备的安全也很重要，例如司机的操作水平和维修人员对于故障点的快速判断水平。
3.1.1人员操作失误
当系统正常工作的时候，司机的某些误操作会导致ATP功能失效，造成安全事件。例如，前后车头方向手柄同时打前时报19559码造成ATP报警后起紧急制动，新人司机操作不熟练导致加速过快导致起紧急制动。当司机误按切换EUM模式或因ATP故障切换EUM后，列车的安全则完全由司机负责，这事司机的驾驶水平就显得很重要。
3.1.2维检失误
当维修人员在对车载ATP系统进行阅读或季度检修的时候，可能会忽略一些或大或小的故障隐患，例如配线松动、板卡指示灯异常，这时隐患得不到及时的整改，故障元件没有及时更换，就可能进一步造成行车事故。另一种情况是，维修工区已经接报故障，故障性质为阶段偶发性，发生后恢复，到达车组时按流程排查故障点，结果错误的将其他次要的故障点或正常的原件判定为故障点，维修后交付使用，这样就导致车辆继续携带故障运行，直到故障再次发生并导致事故。
3.2 设备因素的ATP不安全行车因素
3.2.1遗留缺陷
这种情况是指产品本身在设计和生产时，有一定的缺陷，交接到运营商手中时没有及时被发现或重视，最终在运营中逐渐暴露出来，并形成遗留问题，例如软件代码类的缺陷经常导致突然丢失APR定位信息、码间隙、系统时钟出偏差，进而导致列车突然紧急制动等故障。
3.2.2偶然和耗损故障
ATP系统的各部分硬件都是有一定的使用寿命的，在它到达使用寿命之前，他会保持一个较低的失效率，我们可以将它定义为偶然性实效阶段，如图T1；然而等它达到使用寿命后，他的失效率会呈现一个逐级递增的趋势，这阶段可以定义为损耗性失效期，如图T2。对于T1阶段的元件实效原因是我们维护人员应该主要投入精力研究的地方，应把配置不当、外部因素干扰、其他系统接口影响等考虑到维护预防计划中去。在第2个阶段，就是损耗性失效期，这时的安全继电器、机柜板卡、连接回路端子等原件老化严重，故障率变得非常高，已经达到寿命的临界，这时就要考虑更换。
4可行性措施
4.1制定单个元件的检修周期预测方案
通过建立系统故障分析报告资料库的方式，来对每个子系统的每个部件做细致的故障周期统计，并且加入季节性因素以及外部环境因素，进而统计出每个部件的故障高发周期。通过以上步骤来随时修订每个硬件的检修计划周期。从而合理的安排人力物力，用最少的成本进行最高效的设备维护，提高工作效率，避免安排整个系统的固定周期大修。
4.2提高人员作业能力
对于司机的误操作和维护人员的检修失误，可以通过培训与考核来实现人员业务水平的提升。例如针对司机可以重点提升驾驶人员的应变能力和对突发情况的操控能力，对于维修人员可以通过模拟常见故障的演练来提升人员对故障点的判断以及提高故障处理速度。
4.3提高事故隐患管理
应针对ATP系统建立隐患管理制度，包括事故隐患清查、隐患治理、隐患监控、事故隐患档案等几个大的部分。对于隐患清查应分类建立事故隐患统计表，建立隐患报告制度。并对确实存在的隐患及时提出整改措施以及防护措施。通过不断地意识宣贯，让工作人员有隐患监控的主动性。最后应建立事故隐患监控及整改的档案管理制度，建立完整的事故隐患监控及整改的档案。
4.4建立故障分析制度
为便于掌握具体设备和元件的损坏原因，平常要在预防性维护中或故障接报中分自检故障和接报故障，以车为单位做好故障时间、故障区域、故障原因、造成后果等故障分析资料的收集，这样做一方面为日后的安全做好预防工作，另一方面也可以积累检修经验。
4.5建立事故应急机制
应针对地铁ATP系统突然故障制定专门的应急机制。首先，应成立相应的事故应急救援组织小组，小组成员要明确公司的应急指挥系统构成相关信息。其次，应购置应急设备和工器具，包括配备现场救援和抢险装备、器材，并建立相应的维护、保养和调用的制度。然后还要形成专门的事故应急培训、演练制度，应定期针对ATP事故进行应急救援演练。对演练中发现的问题及时整改，形成完整的演练救援记录，并定期对应急救援人员进行培训。最后，应制定专门的应急预案，经各上级部门评审后存档，于紧急情况时启动应急预案，并在每次启动预案后根据效果对预案提出必要的整改意见。
5结语
结合本文的分析，目前ATP系统的维护工作，通过对人员的培训与考核可以降低故障率或减小损失，但是对于设备老化损耗失效这部分还没有有效的提升改进办法。另外地铁ATP系统是一个高度复杂的系统，对它进行安全可靠性的分析，目前还没有成熟的理论与体系。
[1] 王瑞峰. 铁路信号运营基础[M]. 北京：中国铁道出版社，2011：9~92.
[2] 程荫杭. 铁路信号可靠性与安全性[M]. 北京：中国铁道出版社，2010：95~98.
作者简介：王枫博，男，1984年12月出生，2007年毕业于大连交通大学，2010年研究生毕业于大连交通大学，助理工程师，现工作于天津市地下铁道运营有限公司.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。