北京S1线渡线道岔区段计轴相关安全分析

吴炳昊 代继龙

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

北京S1线是北京市第一条以中低速磁悬浮列车运行的轨道交通线路，该线路装备了中国通号研发的FZL200型MATC (Maglev Automatic Train Control)系统、JZ.GD-1型微机计轴设备，并由中国通号负责信号系统集成。北京S1线信号系统具备CBTC控制级、联锁控制级二级控制模式。

北京S1线采用JZ.GD-1型计轴设备进行列车的占用空闲检测，使用方式与传统轮轨线路有所不同，如：磁浮列车上加装感应钢板作为模拟轮对使计轴系统通过车轮传感器得到列车轮对计数，线路中的渡线道岔区段区别于传统轮轨线路那样在渡线道岔中心安装车轮传感器等。

本文将对在渡线道岔中心无安装车轮传感器此特殊安装方式，介绍信号系统的处理方案，并对该方案进行安全分析。

2 渡线道岔计轴相关的特殊点

北京S1线渡线道岔区段未在道岔中心位置安装车轮传感器，其车轮传感器的布置如图1所示。

图1 渡线道岔区段车轮传感器安装示意图Fig.1 Installation diagram of wheel detectors in crossover switch area

为了在图1所示的车轮传感器安装方式下，能够区分渡线道岔上、下行区段各自的占用/空闲状态，渡线道岔区段JZ.GD-1型计轴主机采集道岔的DBJ、FBJ。以单渡线道岔区段2DG计轴主机为例（双渡线道岔与单渡线类似），说明其主要计轴逻辑如下：

当采集到DBJ吸起且FBJ落下时，计轴判断道岔处于定位，以J2、J3为车轮传感器进行列车轮对计数；

当采集到DBJ落下且FBJ吸起时，计轴判断道岔处于反位，以J1、J2、J3、J4为车轮传感器进行列车轮对计数；

当采集到DBJ吸起且FBJ吸起时，计轴判断道岔处于四开，以J1、J2、J3、J4为车轮传感器进行列车轮对计数。

上述计轴功能是安全可信的。

另外：

当计轴系统采集到道岔位置异常（DBJ吸起且FBJ吸起）时，则计轴进入故障状态（输出GJ落下）；

当计轴系统采集到道岔四开（DBJ落下且FBJ落下）时，同时检测到轮对计数区域内存在列车轮对，则计轴进入故障状态（输出GJ落下）。

在北京S1线实施过程的分析中发现：计轴系统对渡线道岔定位、反位信息的采集仅可采用简单接口方式，但这种接口方式在理论上存在错误采集的可能性。因此，需对由该失效引入的系统安全性影响进行分析，以确保北京S1线渡线道岔上、下行区段占用/空闲信息的安全性。本文后续内容将对这个问题进行探讨。

3 北京S1线的联锁处理方案

由于联锁系统对道岔的DBJ、FBJ采集是安全可信的，项目以此为依靠点，对该问题进行处理，对联锁系统提出了安全需求：

当联锁采集到渡线道岔（含双渡线道岔、单渡线道岔）并非所有道岔均处于定位时，则采集到渡线道岔区段上、下行任一区段的GJ落下应作为上、下行区段GJ均为落下处理；

仅当联锁采集到渡线道岔（含双渡线道岔、单渡线道岔）所有道岔均处于定位时，才可将渡线道岔区段上、下行区段的GJ不做关联，分别处理。

4 以计轴、联锁特殊处理为基础上的安全分析

本文通过枚举的方法，对道岔实际开向与计轴可能采集的道岔开向进行分析。分析时，基于下列几点：

1）计轴采集的DBJ、FBJ不是安全可信的，联锁采集的DBJ、FBJ是安全可信的；

2）计轴系统的计轴功能是安全可信的，但其根据采集到的DBJ、FBJ选取的车轮传感器、以及由车轮传感器组成的轮对计数区域不是安全可信的；

3）对于道岔系统而言，对信号系统的安全要求是不应错误的启动道岔；

4）在信号系统未启动道岔时，道岔系统由于其他原因启动导致的危险信号系统无法防护，本文的分析亦不考虑。

4.1 计轴未采集到DBJ、FBJ状态变化的情况

在计轴采集DBJ、FBJ状态与道岔实际状态一致时，会选取正确的车轮传感器组成正确的轮对计数区域，无安全风险。

4.1.1 CI采集渡线道岔为定位（DBJ吸起、FBJ落下）

1）若计轴错误判断为反位（DBJ落下、FBJ吸起）

a.实际无车时，无安全影响；

b.若实际有车占用，会导致CI认为的占用区域扩大，影响可用性，但无安全风险。

2）若计轴错误判断为四开（DBJ落下、FBJ落下）

a.实际无车时，无安全影响；

b.若实际有车占用，则计轴进入故障状态，可能导致CI认为的占用区域扩大，会影响可用性，但无安全风险。

3）若计轴错误判断为异常位置（DBJ吸起、FBJ吸起）：计轴进入故障状态，会影响可用性，但无安全风险。

4.1.2 CI采集渡线道岔为反位（DBJ落下、FBJ吸起）

1）若计轴错误判断为定位（DBJ吸起、FBJ落下）

a.实际无车时，无安全影响；

b.若实际有车占用，只要渡线道岔上、下行区段不同时出清（见4.3节），则虽然计轴输出可能导致占用区域减小的危险测输出，但CI在道岔反位时，会将占用区域重新修正为渡线道岔上、下行区段均为占用，并不会导致CI认为占用区域减少，没有导致危险。

2）若计轴错误判断为四开（DBJ落下、FBJ落下）

a.实际无车时，无安全影响；

b.若实际有车占用，则计轴进入故障状态，会影响可用性，但无安全风险。

3）若计轴错误判断为异常位置（DBJ吸起、FBJ吸起）

计轴进入故障状态，会影响可用性，但无安全风险。

4.1.3 CI采集渡线道岔为四开（DBJ落下、FBJ落下）

1）若计轴错误判断为定位（DBJ吸起、FBJ落下）

a.实际无车时，无安全影响；

b.若实际有车占用，只要渡线道岔上、下行区段不会同时出清（见4.3节），则虽然计轴输出可能导致占用区域减小的危险测输出，但CI在道岔四开时，会将占用区域重新修正为渡线道岔上、下行区段均为占用，并不会导致CI认为占用区域减少，没有导致危险。

2）若计轴错误判断为反位（DBJ落下、FBJ吸起）

a.实际无车时无安全影响；

b.若实际有车占用，计轴虽然不会进入故障，但仍按照正确的车轮传感器计轴，CI此时只要采集到上、下行任一区段的GJ落下，则会按照上、下行区段均有车占用处理，没有导致危险。

3）若计轴错误判断为异常位置（DBJ吸起、FBJ吸起）：计轴进入故障状态，会影响可用性，但无安全风险。

4.1.4 CI采集渡线道岔为异常（DBJ吸起、FBJ吸起）

此时CI按照道岔四开处理，可以参照“CI采集渡线道岔为四开（DBJ落下、FBJ落下）”的情况。

综上所述：在计轴未采集到DBJ、FBJ状态变化时，北京S1线的系统方案不会导致危险。

4.2 计轴采集到DBJ、FBJ状态变化的情况

渡线道岔区域（包含渡线道岔上、下行区段）实际无车占用时，无安全风险，可能是正常的扳动道岔。

考虑渡线道岔区域（包含渡线道岔上、下行区段）实际有车占用的情况，通过前面的分析已经知道：在计轴未采集到DBJ、FBJ状态变化时，没有安全风险（见4.1节）；并且不会出现上、下行计轴区段同时出清的情况（见4.3节）。那么相对不利的情况考虑，即渡线道岔上、下行计轴区段只有1个输出占用。

1) 出清计轴采集到DBJ、FBJ变化的情况：该计轴会将此情况当作正常状态处理，DBJ、FBJ变化后，按照新的车轮传感器组成轮对计数区域，并根据该区域存在的列车轮对数驱动GJ吸起或落下，无安全风险。

2) 占用计轴采集到DBJ、FBJ变化的情况：首先这是一种异常情况；另外，计轴根据其采集的DBJ、FBJ状态，选择相应的车轮传感器组成轮对计数区域，进行列车轮对计数，并判断应输出GJ的状态。此时，计轴应保证的是：不应存在轮对计数、输出GJ落下时，由于其采集DBJ、FBJ的变化，而导致其轮对计数逻辑混乱，造成后续输出GJ的不可信。可行的措施如下。

a.计轴在判定轮对计数区域内存在列车轮对（输出GJ落下）时，若采集到DBJ或FBJ任意发生变化，则应进入持续输出GJ落下的故障状态；除非经人工复位确认安全，不可自动恢复。

b.计轴内部应同时维护2个轮对计数：一个通过道岔采集为定位（DBJ吸起、FBJ落下）时的车轮传感器进行轮对计数，另一个通过道岔采集为反位（DBJ落下、FBJ吸起）、四开（DBJ落下、FBJ落下）、异常（DBJ吸起、FBJ吸起）时的车轮传感器进行轮对计数；并根据其采集的道岔DBJ、FBJ状态，选择对应的轮对计数，来判定应驱动GJ吸起还是落下。

比较上述2种方法，方法b的可用性好一些；但是即便采用方法b在异常场景下，计轴系统进入故障状态，会提升总体信号系统的安全边际，提升总体信号系统的安全性。

4.3 渡线道岔上、下行区段计轴同时出清的安全分析

若渡线道岔上、下行区段均无车占用，此时对应上、下行计轴区段均输出出清（GJ吸起），无安全风险。

若渡线道岔区域（包含渡线道岔上、下行区段）实际有车占用，以第2节所示单渡线道岔（双渡线道岔类似）为例，可按照表1考虑。

如表1所示，渡线道岔上、下行区段实际有车占用时，仅当上、下行计轴主机均采集道岔位置为定位时，才存在同时输出出清（GJ吸起）的可能。进一步分析可以发现：此时，渡线道岔上、下行区段计轴分别以上、下行的2个车轮传感器进行列车轮对计数，至少1个计轴主机会检测列车轮对，不会出现上、下行计轴区段同时输出GJ吸起的情况。

所以，在渡线道岔区域（包含渡线道岔上、下行区段）实际有车占用时，至少有1个计轴会输出占用（GJ落下），不会出现对应上、下行计轴区段均输出出清（GJ吸起）的情况。

表1 有车占用时的渡线道岔区段计轴输出Tab.1 Outputs of axle counters in crossover switch area when train occupied

5 总结

本文介绍了北京中低速磁悬浮轨道交通S1线信号系统集成对渡线道岔中心位置无安装车轮传感器的处理方法。由于北京S1线车轮传感器的特殊安装方式，对信号系统渡线道岔上、下行区段占用、空闲状态的采集进行安全风险分析，论证了该处理方法的安全性。这种处理方法是一个通过系统层面安全设计，完善子系统/设备层面安全性的例子。