为何地铁信号故障频频？ 由今日南京地铁信号故障分析原因及对策
文 / RT轨道交通2016-06-24 11:33
21日上午，南京地铁1号线在上班高峰期现故障致大量乘客滞留，地铁方面向乘客出行不便表示道歉。
1号线是南京地铁最早通行、最主要的运输线路之一。目前，南京已建成运营6条地铁轨道线、运营里程225公里，长度位列全国第四，今年将实现轨道交通“八线共建”。发达的地铁路网成为当地人非常依赖的出行方式。
据南京地铁官方微博公布，21日早晨8时17分，南京地铁1号线天隆寺联锁区间发生信号故障，列车间隔有所增加，专业人员正在处理。给乘客出行带来的不便敬请谅解，乘客可在票亭处向工作人员领取《致歉信》。
上班高峰时段地铁运行出现问题，导致不少乘客耽误了上班出行时间。
一位在双龙大道站乘坐1号线的张先生表示，他足足等了40分钟，许多乘客退票出站选择换乘地面交通。由于换乘的人太多，地铁站外许多人不得不排队打出租车。张先生上地铁后，原本拥挤的车厢内显得空空荡荡。
南京地铁官方微博在今早9时许发信息称目前故障已恢复，列车间隔正逐步调整。
一、造成这种现象的原因是什么，应该如何改进？
中国软件评测中心的信息物理系统测评北京市工程实验室工控专家陈渌萍、陈曦对频频出现的城市地铁信号系统故障原因进行了分析。
问题1：设计不完善
部分地铁采用的是移动闭塞列车自动控制系统（CBTC），是一种基于无线通信技术的列车自动控制系统。据陈渌萍介绍，基于中国软件评测中心多年来对工业控制系统的研究，由于网络设计不完善导致的通信问题会直接影响正常运营秩序。另外，也要考虑通信容量余量、故障情况下设备切换等设计问题。
问题2：信号升级调试故障
而陈曦表示，CBTC系统发展很快，在信号不断升级和调试的过程中会不稳定，以致影响正常运营。如2011年7月28日，一列满载乘客、本应开往航中路方向的上海地铁10号线列车，反常地朝虹桥火车站方向开出，正是因为CBTC信号升级调试时，发生信息阻塞故障，致使后一列车重复使用前一列开往虹桥火车站列车的行进信号。
问题3：车载及地面设备故障
陈渌萍介绍，无论地铁厂家采用的是通用工控平台，还是专用硬件平台，都会存在升级导致的兼容维护问题。另外，中继设备配置不当，也会影响通信质量。如2014年12月4日，西安地铁2号线10502次(由南向北)列车车载信号发生故障，全程造成延误。
问题4：配套系统运行不稳定
陈曦还表示，由于部分地铁线路分时分段开通，存在不同时期建设的供电系统同时运行的问题，数据接口的串联和衔接容易造成不稳定，或引发信号系统故障。如2012年5月31日，因信号系统电源运行不稳定，西安地铁二号线两次停车致使列车大面积晚点近40分钟。
问题5：应急管理体系不健全
陈渌萍还表示，当自动系统出现信号故障时，需要改为人工调度，也就是电话调度，这样就容易出现人为事故。如“9.27”上海地铁10号线追尾事故，地铁行车调度员在未准确定位故障区间内全部列车位置的情况下，违规发布电话调度命令；接车站值班员在未严格确认区间线路是否空闲的情况下，违规同意发车站的电话调度要求，导致地铁10号线1005号列车与1016号列车追尾碰撞。
问题6：国内地铁运行压力大
陈曦还介绍，北京地铁人流量大，需要采用列车之间追踪间隔比较小的CBTC系统，以保障运力。但是，一旦某列车出现故障，由于安全设计原则，将会导致后续列车出现连锁性的保护性动作，造成大面积的延误。
二、如何保障信号系统安全运行
两位专家表示，地铁系统通常包含行车信号系统ATS（CBTC系统是其中一种）、数据采集与监视系统SCADA、环境控制系统BAS、智能马达控制中心iMCC、通信系统TS、消防系统FAS、售检票系统AFC等系统，每个系统都采用了不同厂家的产品来实现相应的功能，系统间交互频繁，相互影响，部分地铁系统在顶层建立了综合监控信息共享平台，实时采集监控各个系统反馈的数据。
信号系统是地铁系统的核心，是由计算机联锁系统、列车自动防护ATP、列车自动驾驶ATO、列车自动监督ATS等子系统组成，具备前端感知、数据传输、计算处理以及控制反馈的工业控制典型特征，是关乎我国基础设施建设的重要工业控制系统。
针对目前我国地铁系统的分布“广”、系统“杂”和日客流量“多”的客观苛刻条件，为保障铁路系统的安全可靠运行，他们建议：
措施1：应组织产学研用各部门建立圈子，针对核心系统的故障发生几率，建立合理规划、精细设计、严谨开发、严格评价、专业运维的要求和规则，在系统建设和运维方面将核心系统间的影响规避到最小。
措施2：科学有效的安全技术和测评技术是很好的辅助管理手段，要将测评工作置前置深，在规划、设计、开发、评价、运维等阶段引入质量测评和安全风险分析，通过测试与评估有效地发现地铁系统如代码缺陷、逻辑错误、电源波动、车载设备故障、控制中断、冗余故障等逐层、跨层、共性的缺陷和风险。
措施3：建立满足我国地铁系统要求的测评标准和准则，建立安全可靠保障专业力量和机制，通过对于地铁系统进行功能、协议、性能、安全的质量测评和安全风险分析，最大程度的抑制事故的发生。
三、信号故障分类
设备在长时间使用中，由于连接导线、元件、器材的性质功能，产生质量的差异，焊接、安装质量及使用条件，维修水平和自然界客观因素影响等，都又可能产生故障或影响正常工作。
故障的原因和故障现象虽然繁杂，但可以按照一定得方法对其进行分类，以便于对电气集中的故障分析和处理，找出规律性。
（1）非潜伏性故障是故障发生后能及时被发现的故障，即设备在运用中通过电路本身的自诊技术直接表现出来的故障，如道岔失去表示、灯泡主灯丝灯故障。
必须指出，非潜伏性故障发生后，必须迫使系统或设备不能正常工作，修复后才准许恢复正常工作。否则，就不能称其为非潜伏性故障。非潜伏性故障一般不考虑与其他非潜伏性故障的组合。
因为故障是偶然发生的，若发生后会及时发现并修复它，那么同时存在两个非潜伏性故障的可能性就非常小。
（2）潜伏性故障是故障发生后不能及时表现出来，只有在与另一故障构成组合时才可显示出故障，如电源接地等故障。
潜伏性故障发生后可能会出现短暂的不正常状态，然后设备系统又能正常工作，也有可能不发生故障。潜伏性故障应该考虑与其他潜伏性故障或非潜伏性故障的组合。
（3）责任故障是由于对设备维修不良或违章作业所造成的影响设备正常使用的故障。如：设备超期使用发生故障、设备维修不当影响正常使用、人为作业影响设备正常使用等属责任故障。
（4）非责任故障是因突发因素或因无法抗拒和防止的外界干扰、自然灾害等造成的故障。如：环境和气候不良，雷击、冰雪、高温、有害物质侵蚀；设备被盗；其他部门管理的设备不良直接反映在信号设备上。
（5）断线故障：闭合电路某处线路断开，电路转变为开路状态，导致设备不能正常工作。
（6）混线故障：闭合电路某处线路相混或混入其他电源，是电源短路或接地，造成设备不能正常工作，或使联锁条件和控制条件短接，导致设备错误动作。
四、信号事故和信号障碍
（1）信号事故及事故等级：根据《铁路交通事故调查处理规则》规定，铁路机车车辆在运行过程中发生冲突、脱轨、火灾、灯影响铁路正常行车的事故，包括影响铁路正常行车的相关作业过程中发生的事故；
或者铁路机车车辆在运行过程中与行人、机动车、非机动车、牲畜及其他障物相撞的事故，均为铁路交通事故(一下简称事故)。凡因信号设备故障二造成的事故为信号事故。
根据事故造成的人员伤亡、直接经济损失、列车脱轨辆数、中断铁路行车时间等情形，事故等级分为特别重大事故、重大事故、较大事故和一般事故。
各类事故的区分界限是根据事故后果，即事故造成的人员伤亡数目，机车、车辆破坏数目，中断行车时间及造成的经济损失数额等来确定。
（2）常见的信号事故：信号设备发生故障，构成行车事故时，一般常见的——厌恶列车运行、挤道岔、列车冲突、列车车辆脱轨等较为多见。
常见的信号事故有以下几方面：
①信号设备维修不良;
②信号维修人员违章作业；
③车站人员发现信号设备不良危及行车安全时，应立即停止使用，来不及采取措施二耽误列车；
④信号设备中安装的集成元件、分离电子元件及组成的整机，未经测试或超周期使用，影响列车运行时；
⑤工厂生产的产品，自安装使用时起，在工厂保修期内，发生适量故障耽误列车行车时（列为生产厂责任事故，超过保修期的列为信号部门责任事故）。
信号工作人员发现信号设备不良危机行车安全时，应积极设法修复。如不能立即修复时，应在《列车设备检查登记薄》内登记，停止使用。停止使用的设备，发生强行使用而造成事故时，列为使用单位责任事故。
未达到信号事故等级的信号设备故障均为信号障碍，包括信号责任障碍和信号非责任障碍。
（1）信号责任障碍指信号设备维修不良及人为作业影响造成设备故障，影响了正常使用。
（2）信号非责任障碍指无法防止雷害和自然灾害及无法检查、发现的器材材质不良及外界影响所造成设备故障，影响正常使用时。
外界影响属信号非责任障碍，包括电力、电网影响；列车车载体刮、砸及外部人员砸、拆，毁坏设备；道岔尖轨卡物、外界施工影响等；其他不可抗拒的、不可预见的和设备不能承受的外部原因。
五、处理故障的程序
处理故障不能盲目乱动，要按一定的程序进行，这是缩短故障处理时间，防止将故障扩大化、复杂化的关键所在。处理设备故障一般应按以下的程序进行。
（1）故障发生赶赴现场
当接到行车人员信号故障通知时或自己发现信号设备故障时，信号维修人员应立即赶赴运转室和现场。
（2）询问了解
信号维修人员到达现场后，应向行车人员询问当时操作情况和故障状态。
（3）初步判断
在观察了解情况的基础上，初步判断故障性质和地点时是室内还是室外。
（4）等级停用
了解当时列车运行情况，根据故障繁简和所处位置及故障处理所需时间，如果不能马上排除时，应采取果断措施，在车站《行车设备检查登记薄》上等级停用。
登记故障发生与设备停用的时间，停用设备的名称，签上登记者姓名，并经车站值班员同意签认。
当发生与信号设备有关联的机车车辆脱轨、冲突、颠覆事故时，信号维修人员应会同车站值班员记录设备状态，派人监视、保护事故现场，不得擅自触动设备，并立即报告电务段调度。
注意：发生故障不能忙于处理，应先登记后处理，不能使事故性质升级。
（5）汇报
发生故障，应立即向电务段调度和车间汇报，汇报内容包括故障设备名称、故障现象及影响范围，并说明已采取的措施，以得以指导和帮助。
（6）处理
在不影响行车安全、人身安全和不破坏事故现场的前提下，迅速组织处理。
设备停用后，应按故障现象、状态进行分析查找，查找中应采取一定的措施与方法，使用合适的工具仪表，必要时应征得车站值班员同意后方可进行试验，以确定故障的性质和范围，做到沉着、细心、耐心、又快又准的把故障地点和原因找出来。应注意：没有弄清原因之前不得擅自乱动设备。
（7）试验消记
故障修复后应按所停用的范围认真进行试验，经试验确认故障已排除，无其他异常现象后方可进行消记。在《行车设备检查登记薄》上进行登记，写明恢复停用设备的名称、时间与故障原因，并经车站值班员签字，至此设备恢复正常使用。
（8）事故障碍登记
对设备发生的故障，信号维修人员应将故障现象以及确认的故障原因、处理情况登记在《信号事故、障碍登记薄》内，作为原始记录备查。
（9）处理汇报
故障处理完后，应把故障的发生状况、处理经过、故障原因及修复措施、恢复使用时间、影响行车情况及事故责任人从中吸取的教训、今后的改进措施等，如实地向电务段调度和车间进行汇报。21日上午，南京地铁1号线在上班高峰期现故障致大量乘客滞留，地铁方面向乘客出行不便表示道歉。
1号线是南京地铁最早通行、最主要的运输线路之一。目前，南京已建成运营6条地铁轨道线、运营里程225公里，长度位列全国第四，今年将实现轨道交通“八线共建”。发达的地铁路网成为当地人非常依赖的出行方式。
据南京地铁官方微博公布，21日早晨8时17分，南京地铁1号线天隆寺联锁区间发生信号故障，列车间隔有所增加，专业人员正在处理。给乘客出行带来的不便敬请谅解，乘客可在票亭处向工作人员领取《致歉信》。
上班高峰时段地铁运行出现问题，导致不少乘客耽误了上班出行时间。
一位在双龙大道站乘坐1号线的张先生表示，他足足等了40分钟，许多乘客退票出站选择换乘地面交通。由于换乘的人太多，地铁站外许多人不得不排队打出租车。张先生上地铁后，原本拥挤的车厢内显得空空荡荡。
南京地铁官方微博在今早9时许发信息称目前故障已恢复，列车间隔正逐步调整。
一、造成这种现象的原因是什么，应该如何改进？
中国软件评测中心的信息物理系统测评北京市工程实验室工控专家陈渌萍、陈曦对频频出现的城市地铁信号系统故障原因进行了分析。
问题1
设计不完善
部分地铁采用的是移动闭塞列车自动控制系统（CBTC），是一种基于无线通信技术的列车自动控制系统。据陈渌萍介绍，基于中国软件评测中心多年来对工业控制系统的研究，由于网络设计不完善导致的通信问题会直接影响正常运营秩序。另外，也要考虑通信容量余量、故障情况下设备切换等设计问题。
问题2
信号升级调试故障
而陈曦表示，CBTC系统发展很快，在信号不断升级和调试的过程中会不稳定，以致影响正常运营。如2011年7月28日，一列满载乘客、本应开往航中路方向的上海地铁10号线列车，反常地朝虹桥火车站方向开出，正是因为CBTC信号升级调试时，发生信息阻塞故障，致使后一列车重复使用前一列开往虹桥火车站列车的行进信号。
问题3
车载及地面设备故障
陈渌萍介绍，无论地铁厂家采用的是通用工控平台，还是专用硬件平台，都会存在升级导致的兼容维护问题。另外，中继设备配置不当，也会影响通信质量。如2014年12月4日，西安地铁2号线10502次(由南向北)列车车载信号发生故障，全程造成延误。
问题4
配套系统运行不稳定
陈曦还表示，由于部分地铁线路分时分段开通，存在不同时期建设的供电系统同时运行的问题，数据接口的串联和衔接容易造成不稳定，或引发信号系统故障。如2012年5月31日，因信号系统电源运行不稳定，西安地铁二号线两次停车致使列车大面积晚点近40分钟。
问题5
应急管理体系不健全
陈渌萍还表示，当自动系统出现信号故障时，需要改为人工调度，也就是电话调度，这样就容易出现人为事故。如“9.27”上海地铁10号线追尾事故，地铁行车调度员在未准确定位故障区间内全部列车位置的情况下，违规发布电话调度命令；接车站值班员在未严格确认区间线路是否空闲的情况下，违规同意发车站的电话调度要求，导致地铁10号线1005号列车与1016号列车追尾碰撞。
问题6
国内地铁运行压力大
陈曦还介绍，北京地铁人流量大，需要采用列车之间追踪间隔比较小的CBTC系统，以保障运力。但是，一旦某列车出现故障，由于安全设计原则，将会导致后续列车出现连锁性的保护性动作，造成大面积的延误。
二、如何保障信号系统安全运行
两位专家表示，地铁系统通常包含行车信号系统ATS（CBTC系统是其中一种）、数据采集与监视系统SCADA、环境控制系统BAS、智能马达控制中心iMCC、通信系统TS、消防系统FAS、售检票系统AFC等系统，每个系统都采用了不同厂家的产品来实现相应的功能，系统间交互频繁，相互影响，部分地铁系统在顶层建立了综合监控信息共享平台，实时采集监控各个系统反馈的数据。
信号系统是地铁系统的核心，是由计算机联锁系统、列车自动防护ATP、列车自动驾驶ATO、列车自动监督ATS等子系统组成，具备前端感知、数据传输、计算处理以及控制反馈的工业控制典型特征，是关乎我国基础设施建设的重要工业控制系统。
针对目前我国地铁系统的分布“广”、系统“杂”和日客流量“多”的客观苛刻条件，为保障铁路系统的安全可靠运行，他们建议：
措施1
应组织产学研用各部门建立圈子，针对核心系统的故障发生几率，建立合理规划、精细设计、严谨开发、严格评价、专业运维的要求和规则，在系统建设和运维方面将核心系统间的影响规避到最小。
措施2
科学有效的安全技术和测评技术是很好的辅助管理手段，要将测评工作置前置深，在规划、设计、开发、评价、运维等阶段引入质量测评和安全风险分析，通过测试与评估有效地发现地铁系统如代码缺陷、逻辑错误、电源波动、车载设备故障、控制中断、冗余故障等逐层、跨层、共性的缺陷和风险。
措施3
建立满足我国地铁系统要求的测评标准和准则，建立安全可靠保障专业力量和机制，通过对于地铁系统进行功能、协议、性能、安全的质量测评和安全风险分析，最大程度的抑制事故的发生。
三、信号故障分类
设备在长时间使用中，由于连接导线、元件、器材的性质功能，产生质量的差异，焊接、安装质量及使用条件，维修水平和自然界客观因素影响等，都又可能产生故障或影响正常工作。
故障的原因和故障现象虽然繁杂，但可以按照一定得方法对其进行分类，以便于对电气集中的故障分析和处理，找出规律性。
（1）非潜伏性故障是故障发生后能及时被发现的故障，即设备在运用中通过电路本身的自诊技术直接表现出来的故障，如道岔失去表示、灯泡主灯丝灯故障。
必须指出，非潜伏性故障发生后，必须迫使系统或设备不能正常工作，修复后才准许恢复正常工作。否则，就不能称其为非潜伏性故障。非潜伏性故障一般不考虑与其他非潜伏性故障的组合。
因为故障是偶然发生的，若发生后会及时发现并修复它，那么同时存在两个非潜伏性故障的可能性就非常小。
（2）潜伏性故障是故障发生后不能及时表现出来，只有在与另一故障构成组合时才可显示出故障，如电源接地等故障。
潜伏性故障发生后可能会出现短暂的不正常状态，然后设备系统又能正常工作，也有可能不发生故障。潜伏性故障应该考虑与其他潜伏性故障或非潜伏性故障的组合。
（3）责任故障是由于对设备维修不良或违章作业所造成的影响设备正常使用的故障。如：设备超期使用发生故障、设备维修不当影响正常使用、人为作业影响设备正常使用等属责任故障。
（4）非责任故障是因突发因素或因无法抗拒和防止的外界干扰、自然灾害等造成的故障。如：环境和气候不良，雷击、冰雪、高温、有害物质侵蚀；设备被盗；其他部门管理的设备不良直接反映在信号设备上。
（5）断线故障：闭合电路某处线路断开，电路转变为开路状态，导致设备不能正常工作。
（6）混线故障：闭合电路某处线路相混或混入其他电源，是电源短路或接地，造成设备不能正常工作，或使联锁条件和控制条件短接，导致设备错误动作。
四、信号事故和信号障碍
（1）信号事故及事故等级：根据《铁路交通事故调查处理规则》规定，铁路机车车辆在运行过程中发生冲突、脱轨、火灾、灯影响铁路正常行车的事故，包括影响铁路正常行车的相关作业过程中发生的事故；
或者铁路机车车辆在运行过程中与行人、机动车、非机动车、牲畜及其他障物相撞的事故，均为铁路交通事故(一下简称事故)。凡因信号设备故障二造成的事故为信号事故。
根据事故造成的人员伤亡、直接经济损失、列车脱轨辆数、中断铁路行车时间等情形，事故等级分为特别重大事故、重大事故、较大事故和一般事故。
各类事故的区分界限是根据事故后果，即事故造成的人员伤亡数目，机车、车辆破坏数目，中断行车时间及造成的经济损失数额等来确定。
（2）常见的信号事故：信号设备发生故障，构成行车事故时，一般常见的——厌恶列车运行、挤道岔、列车冲突、列车车辆脱轨等较为多见。
常见的信号事故有以下几方面：
①信号设备维修不良;
②信号维修人员违章作业；
③车站人员发现信号设备不良危及行车安全时，应立即停止使用，来不及采取措施二耽误列车；
④信号设备中安装的集成元件、分离电子元件及组成的整机，未经测试或超周期使用，影响列车运行时；
⑤工厂生产的产品，自安装使用时起，在工厂保修期内，发生适量故障耽误列车行车时（列为生产厂责任事故，超过保修期的列为信号部门责任事故）。
信号工作人员发现信号设备不良危机行车安全时，应积极设法修复。如不能立即修复时，应在《列车设备检查登记薄》内登记，停止使用。停止使用的设备，发生强行使用而造成事故时，列为使用单位责任事故。
未达到信号事故等级的信号设备故障均为信号障碍，包括信号责任障碍和信号非责任障碍。
（1）信号责任障碍指信号设备维修不良及人为作业影响造成设备故障，影响了正常使用。
（2）信号非责任障碍指无法防止雷害和自然灾害及无法检查、发现的器材材质不良及外界影响所造成设备故障，影响正常使用时。
外界影响属信号非责任障碍，包括电力、电网影响；列车车载体刮、砸及外部人员砸、拆，毁坏设备；道岔尖轨卡物、外界施工影响等；其他不可抗拒的、不可预见的和设备不能承受的外部原因。
五、处理故障的程序
处理故障不能盲目乱动，要按一定的程序进行，这是缩短故障处理时间，防止将故障扩大化、复杂化的关键所在。处理设备故障一般应按以下的程序进行。
（1）故障发生赶赴现场
当接到行车人员信号故障通知时或自己发现信号设备故障时，信号维修人员应立即赶赴运转室和现场。
（2）询问了解
信号维修人员到达现场后，应向行车人员询问当时操作情况和故障状态。
（3）初步判断
在观察了解情况的基础上，初步判断故障性质和地点时是室内还是室外。
（4）等级停用
了解当时列车运行情况，根据故障繁简和所处位置及故障处理所需时间，如果不能马上排除时，应采取果断措施，在车站《行车设备检查登记薄》上等级停用。
登记故障发生与设备停用的时间，停用设备的名称，签上登记者姓名，并经车站值班员同意签认。
当发生与信号设备有关联的机车车辆脱轨、冲突、颠覆事故时，信号维修人员应会同车站值班员记录设备状态，派人监视、保护事故现场，不得擅自触动设备，并立即报告电务段调度。
注意：发生故障不能忙于处理，应先登记后处理，不能使事故性质升级。
（5）汇报
发生故障，应立即向电务段调度和车间汇报，汇报内容包括故障设备名称、故障现象及影响范围，并说明已采取的措施，以得以指导和帮助。
（6）处理
在不影响行车安全、人身安全和不破坏事故现场的前提下，迅速组织处理。
设备停用后，应按故障现象、状态进行分析查找，查找中应采取一定的措施与方法，使用合适的工具仪表，必要时应征得车站值班员同意后方可进行试验，以确定故障的性质和范围，做到沉着、细心、耐心、又快又准的把故障地点和原因找出来。应注意：没有弄清原因之前不得擅自乱动设备。
（7）试验消记
故障修复后应按所停用的范围认真进行试验，经试验确认故障已排除，无其他异常现象后方可进行消记。在《行车设备检查登记薄》上进行登记，写明恢复停用设备的名称、时间与故障原因，并经车站值班员签字，至此设备恢复正常使用。
（8）事故障碍登记
对设备发生的故障，信号维修人员应将故障现象以及确认的故障原因、处理情况登记在《信号事故、障碍登记薄》内，作为原始记录备查。
（9）处理汇报
故障处理完后，应把故障的发生状况、处理经过、故障原因及修复措施、恢复使用时间、影响行车情况及事故责任人从中吸取的教训、今后的改进措施等，如实地向电务段调度和车间进行汇报。
