技术内容及主要技术性能

城市轨道交通是城市公共交通的组成部分，与一般产品不同，其产品是人、车公里，或者说是为乘客提供位移服务。因此它的研究对象、技术要求等也具有特殊性。对于城市公共交通，系统的安全性和可靠性是至关重要的。对于设备使用，故障的预防应该是第一位的，应尽可能地解决引起设备故障的原因，降低设备故障发生率，提高系统的可靠性，从而保障系统的安全性；如果故障的预防已成为不可能，就应该有预警的方法或手段；当事故不可避免时，及时、果断、正确、高效处置就是唯一的选择。因此，本研究根据运营安全管理的目标需求，将研究分为四个部分七个专题进行。即：总体研究、预防关键技术研究、预警关键技术研究及应急处置关键技术研究。以期达到构建上海轨道交通运营安全保障体系的目的。

总体研究主要是以地铁系统安全性和可靠性为对象进行研究；预防关键技术研究主要是对故障发生率较高的客室车门系统和列车辅助逆变器，以及安全保障至关重要的电力调度典型操作票系统进行研究；预警关键技术研究主要对故障危害大的电力设施缺乏在线检测手段和轨道电路基本参数进行研究；应急处置关键技术研究主要以事故处置为对象进行研究。

项目研究涉及车辆工程、电气工程、通信信号工程、运输管理工程、安全科学与工程、可靠性工程、控制工程、计算机科学与技术等多项专业学科，具有难度大、牵涉面广、交叉学科多等特点。

（一）总体研究

总体研究分为运营安全性与可靠性框架及其模型、运营安全性分析、运营可靠性分析、可靠性指标体系及分析模型、分析评估软件研制五个部分。系统安全原理和可靠性工程理论在城市轨道交通领域的应用是课题研究的技术关键与创新之处。图10-12所示为总体技术路线图。

图10-12　总体技术路线图

1. 运营安全性与可靠性框架

采用安全系统工程和系统可靠性工程的观点，对城市轨道交通系统的运营安全性工程及其研究、运营可靠性工程及其研究所包含的内容进行归纳分析，构建了运营安全性框架和运营可靠性框架。

2. 运营安全性分析

根据对上海轨道交通的现场调研和事故记录统计资料，进行了危险物源、危险能源、危险功能源3种危险因素分析，确定了11类共62种潜在的危险状态，得出了系统潜在危险状态清单。对各种潜在危险状态按系统、子系统、子系统界面、操作与支持4个专项分析进行初步危险分析（PHA），确定出每项潜在危险状态的引发原因、触发事件、导致事故的严重级别、危险状态发生频率、触发事件发生概率、事故发生频率、危险等级、预防与改进措施等内容，最终形成按危险等级由高到低进行排列的安全评价项目列表。列表中排列靠前的潜在危险状态需要在安全管理和项目改造中特别给予关注。分析结果显示，危险等级为B级的潜在事故有3项，C级的有31项，D级的有14项。

3. 运营可靠性分析

根据上海轨道交通设施的功能和结构，将轨道交通系统划分为系统、子系统、设备、部件、元件五个层次。以子系统为分析对象，部件为基本单元，根据场调研和故障记录统计资料，分别对车辆、通号、供电、线路、车站五个子系统进行了故障模式、影响及危害性定性分析（FMEA）和定量分析（CA），得出各基本单元的各种潜在单点故障模式、故障原因、故障对局部/上层/系统的影响、故障发现方法、应急与改进措施、故障危害严重度，以及单元故障率、故障模式频数比、故障影响概率、故障模式危害度、单元危害度等内容。分析共确定了489种潜在的故障模式，并以此确定了反映各基本单元危害严重度和危害度的危害性矩阵。

4. 可靠性指标体系及分析模型

以“保障乘客准时到达目的地”为运营可靠性基本要求，定义运营可靠性为：系统在规定的条件下和规定的时间内，完成列车按运行图准时到达各站的能力；定义运营可靠度R(t)为：系统在规定的条件和规定的时间内，完成列车按运行图准时到达各站的概率，即R(t)=R（t）=P（T≥t ）。另外，对运营故障间隔时间T、运营故障分布函数F(t)、运营故障、运营故障概率密度f（t）=dF（t）dt 、运营故障率λ（t）=f（t）R（t ）、平均运营故障间隔时间MTBF=∫tf（t）dt 、运营恢复性、运营恢复度M（t）=P（Q＜t）、运营故障恢复率μ（t）、运营故障时间Q、平均运营故障时间MTTR=∫tμ（t）dt等指标给出了相应的定义。

5. 分析评估软件研制

软件基于PHA，FMECA及故障树分析（FTA）原理，采用SQL SERVER 2000作为数据库系统，Visual Basic6.0和Visual C++6.0编程，在Windows 2000中文平台上进行编制。软件采用功能模块化程序结构，由信息管理、安全性分析评估、可靠性分析评估、故障树分析四大功能模块组成。软件采用人机对话界面对信息进行管理，通过控制菜单和图标来实现系统的功能操作，图形化和数字化显示分析或评估结果。

（二）客室车门系统研究

1．车门可靠性分析

针对上海轨道交通系统现有列车的3种不同类型客室车门（内藏门、塞拉门和外挂门）所存在的缺陷和运行中出现的故障进行了统计分析，并采用FMEA方法和FTA方法进行可靠性分析。通过对车门各组成单元潜在的各种故障模式及其对车门系统功能的影响进行分析，寻找导致车门故障发生的原因和原因组合，识别所有潜在故障模式，并把每一个故障模式按其危害严重程度进行分类，提出了可实现的改进措施、改进运行和维修方案，以提高车门可靠性。

2．车门设计技术改进与优化

通过以上可靠性分析，对所发现的3种车门存在的故障模式及其组合，提出了相应的改造措施。

（1）塞拉门改造措施。

针对车门结构薄弱的零部件结构进行了改造。对车门关闭功能（如障碍物探测功能）和关门夹紧力大小等进行了优化。规范了车门尺寸的调整方法，改善了车门驱动系统的工况。对车门电路进行了整改，实现了单扇门再关门功能。

另外，采取了增加门控旁路开关的措施。在AC03型列车的试运营过程中，多次发生因客室车门故障而又无法判断故障车门的位置和原因，也曾发生过对故障车门无法实施切除，这些均导致了牵引系统自动封闭，使得列车无法自行退出运营，从而必须要其他列车进行救援的事故，给正线的运营带来很大影响。根据现有其他列车的运营经验，司机室内设有车门 “门控旁路开关”，可以实现对客室车门的旁路，从而避免列车牵引系统的封闭。

（2）内藏门改造措施。

内藏门改造措施主要为对驱动气缸活塞的零部件进行技术改造，以解决伸缩管强度不够的缺陷。防护指橡胶的硬度和刚度进行分析和试验，提出合理的参数值以满足车门检测障碍物功能和防夹伤功能。通过对车门节流阀进行调整解决了车门解锁气缸的故障。针对门钩复位弹簧销、开关门止挡和门钩限位销的结构进行技术改造以增加强度。分析与研究S1和S2限位开关故障的原因并全面实施改造。在车门开门电路中并联加装开关元件，以提高开/关门功能的可靠性。对车门控制的中间继电器的不同供货商的相同型号进行研究和试验，以提高继电器固有高可靠性。采用冗余措施，并联安装继电器或并联连接继电器的空余出头，以提高车门控制系统的可靠性。

（3）外挂门改造措施。

分析了客室车门的结构和控制原理，针对客室车门产生的故障现象，编写司机现场排除故障的应急处理办法。对车门系统的密封性进行研究和试验，以保证客室的压力要求，提高在隧道内运营的舒适性。调整车门控制软件的相关参数，如减小车门在障碍物探测后再次打开的宽度以及缩短车门打开状态的停顿时间，以适应上海大客流的实际运营需求。

（三）列车辅助逆变器启动失效分析及其新型控制器研制

通过理论及试验分析，研究了DCO1型电动列车逆变器启动失效机理，研制了分级启动与启动专用DC/DC变换器，改造与优化了逆变器控制器。课题研制过程分为三个阶段：试验分析阶段、地面与装车调试阶段、控制器改造与优化阶段。

1. 试验分析阶段

为查找蓄电池电压降落造成车辆逆变器启动失效的原因，首先在实验室中模拟蓄电池电压跌落时启动逆变器的各种工况。通过模拟各种工况下的启动试验，记录了启动正常与启动失效时的各种波形与数据。通过失效机理分析得出结论：

（1）由于蓄电池电压较低，在启动过程中斩波器输出的直流电压DXU上升时，控制电源电压110U也按相同的规律上升，当110U大于蓄电池端电压BU时，控制电源输出电流110U冲击较大而导致启动失效。

（2）从故障代码F161、F105和F201等来看，这些故障的原因是蓄电池电压跌落过大，或是对控制电源的干扰，或是由不明原因造成的误触发等引起的。

分析结果表明，蓄电池电压较低时逆变器启动失效的原因并不是一个单纯因素造成的，而是控制电压、控制电流及相应的干扰等综合因素造成的。

2. 改造与装车调试阶段

从上述分析可以看出失效的原因大致有三个方面：① 干扰；② 控制电源电流冲击；③ 蓄电池电压降落大。为此，从控制电路出发，采取了以下改造措施来解决启动逆变器失效问题：

（1）采用抑制干扰措施，即在110V DC控制电源输出端加装滤波电路；

（2）在控制器的控制电路板中，对原来设定的参数值进行调整；

（3）研制和加装车辆逆变器启动专用DC/DC变换器。加装启动专用DC/DC变换器的目的是当蓄电池电压跌落较大时，经DC/DC变换器使其输出电压仍能保证逆变器正常启动的控制电压值。该变换器装于112#电动列车的两个单元A车的AB箱中，装车的电路接线如图10-13所示。经过几个月的跟踪试验检查，该变换器工作正常，对该列车通过多次蓄电池应急放电试验后，辅助逆变器均能正常启动。

图10-13　装车的接线电路图

DCO1型电动列车安装该启动专用DC/DC变换器后，可以不用应急电池启动，因而不仅解决了蓄电池电压跌落带来的启动问题，而且还减轻了应急电池的负担，甚至可以不用或取代应急电池，从而带来可观的节约效益。

3. 控制器的改造与优化阶段

在研制辅助逆变器的新型控制器中，保留了上述的研究成果，同时采用分级启动的原理，同样解决了目前辅助逆变器存在的当蓄电池电压跌落而启动失效加上采用应急电池启动又不能实现正常启动的严重问题。考虑到原GTO辅助逆变器中的这类规格的GTO器件目前已淘汰，采用新一代性能更好的IGBT模块替代，所研制的新型控制器对GTO和IGBT辅助逆变器是通用的。

（四）电力调度典型操作票系统

电力调度典型操作票系统为保障电力系统操作安全提供了一个智能型操作票生成专家系统。该系统通过采集电力系统的设备运行状态，针对现有系统的现状，结合本系统的操作条件，在操作之前自动形成满足工作条件的操作票。调度员可以根据这个操作票进行发令，从而保证了操作发令的正确性。此外，该套系统还具有操作票管理打印、操作权限和操作规程的管理、操作时一次图形的生成和显示、实时数据采集等功能，同时留有与其他设备的通信接口，可满足电力调度多方面的需求。

1. 系统结构设置与功能特点

电力调度典型操作票系统结构设置如图9所示。该系统根据不同的使用要求采用了不同的编程方案，既有客户机/服务器方式，也有浏览器/服务器方式。所有数据库及核心处理程序均集中在服务器端，如图10-14所示。

图10-14　电力调度典型操作票系统结构

系统可以实现以下几方面的功能：

（1）电力系统图生成（Client/Serve程序），用于提供绘制地铁电力系统图的功能。

（2）典型操作票开票（Client/Server程序），用于根据生成的电力系统图进行电力典型操作票开票和管理。

（3）临时操作票开票（Client/Server程序），用于值班电工生成临时使用的电力操作票。

（4）电力系统图浏览（Web客户端程序），用于显示上海轨道交通1号线主变、各牵引站、降压站的供电系统图。

（5）操作票培训（Web客户端程序），用于典型操作票的仿真培训。

（6）操作票考试（Web客户端程序），用于典型操作票的仿真考试。

（7）调度日志（Web客户端程序），用于电力调度的日志输入、修改、查询以及交接班文档的输入、修改、查询等调度信息管理；

（8）信息查询，用于公用文档、操作票规程、考试记录及临时操作票等的查询。

（9）系统配置，用于管理员进行用户管理、试题管理、准考证管理等系统功能设置。

（10）实时采集，用于从现场控制系统中采集所有设备的状态，并写入典型操作票数据库，提供其他功能的调用和显示。为实现上述功能，系统对进人的用户进行权限分级，不同用户将使用不同的功能项。系统管理员根据实际要求配置相应的用户级别。

2. 系统功能模块

系统由以下功能模块组成：电力系统图生成系统、典型操作票开票系统、临时操作票开票系统、Web网页设计、电力系统图浏览、操作票培训和考试、操作票培训和考试、调度日志、信息查询、系统设置、实时采集系统。

（1）电力系统图生成模块提供了生成电力系统图的方便工具。通过选取工具菜单上的各种设备并拖至系统图相应位置，即完成该设备的绘制。对每个设备，可以直接在系统图上改变初始状态，并可以修改许多相关的设置。

（2）典型操作票开票系统是整个系统的核心，采用的开票方式不同于手工开票模式，其核心是基于图形化的操作。用户完全通过模拟电力设备的操作来实现开票，期间仅需要对某些辅助操作进行一些输入和修改即可完成整个开票过程，操作简便直观，不易出错。

（3）临时操作票的开票系统与典型操作票开票系统类似，是为了让值班员开出一些典型操作票中没有包含的一些操作内容，供实际运行时使用。与典型操作票开票系统不同的是，临时操作票开出的票保存在系统特别设计的表中，供当班操作员和系统管理员调用。

（4）Web网页设计是电力操作票的基础工作，如电力系统图绘制、操作票和临时操作票管理等。面向管理员任务的功能采用Client/Server编程方式，面向值班员任务的功能则采用Web/Server的编程方法，以方便用户使用。为此，系统大量采用了ASP和JAVA技术，并采用ActiveX控件，以满足复杂的操作控制和处理。

（5）电力系统图浏览功能用于值班员或其他科室人员动态了解电力系统状态，以便对其进行分析。电力系统图浏览控件采用ActiveX控件，可以直接打开系统图绘制模块所生成的全部系统图，并根据实时系统采集的设备状态数据，每15 s刷新一次系统画面，基本上可以做到与实际系统同步。

（6）操作票培训和考试功能用于地铁值班电工仿真学习典型电力操作票。系统中培训过和考试采用的是同一个ActiveX控件，系统会自动根据输入参数的情况选择培训或考试的功能。目前采用的方案是所有培训工作通过Vip用户进入，对培训的具体内容实时判断操作的正确或错误，并在错误时给出正确的操作步骤。对考试工作，先由系统管理员禁用Vip用户，再设置考题和准考证号，然后参加考试的人员分别用自己的用户进入系统参加考试。系统对考试的每一步操作都进行记录，同样也对操作过程的对错进行判断，与培训不同的是，考试过程不提示正确的步骤。

（7）调度日志功能用于实现调度内容和交接班记录的计算机管理。调度日志功能根据当前日期和时间以及系统中设定的排班表，自动地计算当前的班号和值号，并对登陆的用户进行分析，只有当班人员具有日志和交接班记录的填写、修改功能。

（8）信息查询系统属于标准的Web应用，其功能较为简单。主要包括公用文档查询、单一操作票规程查询、全部规程查询、临时操作票查询、考试记录查询等。这里面主要是对具体的功能按照用户级别进行了限制。对公用文档的查询，采用了独立的界面，并调用Acrobat程序显示文档。

（9）系统设置功能用于用户管理，并对系统的一些应用做初始化设置，主要包含对操作票考试的初始化设置工作，即进行试题设置和准考证设置。

（10）实时采集系统用于系统从控制系统中读取模拟数据和开关数据，以便系统能够实时反映地铁电力设备的真实情况。电力系统图在绘制时需要对所有动态设备和模拟数据进行选点配置，以便在实时模式下，系统会根据配置表刷新数据或状态。

（五）牵引变电站直流1 500 V馈出电缆在线监测系统

1. 局部放电评估电缆绝缘状态技术研究

研究了宽频带技术与传统的脉冲电流法相结合的局部放电信号的检测技术。由于牵引变电站直流1 500 V馈出电缆的电压等级相对较低，因此在研究局放信号的检测技术基础上重点研究了该类电缆发生放电的条件、局部放电信号特性与直流电缆绝缘状态的关系等相关技术，特别研究了接近火花放电的局部放电特征并建立了专家系统。

2. 直流泄漏电流评估电缆绝缘状态技术研究

当在直流馈出电缆上施加直流电压时，它就与大地之间存在一个电场。由于介质的绝缘性能总是相对的，因而在电场的作用下电荷可穿过电缆的绝缘层，形成漏电流。当漏电流增大时，电缆的绝缘电阻下降、绝缘性能降低，因此可以通过监测直流电缆的漏电流来分析电缆的绝缘性能。在解决非接触弱电流信号的测量技术基础上，通过对实验室老化模型的研究，探索了直流泄漏电流数值大小与电缆绝缘状态的关系，并给出了相应判据。

3. 监测系统工作原理

监测系统通过监测直流电缆的放电信号为主、监测电缆泄漏电流为辅，对直流馈出电缆绝缘状况实现智能在线监测与评估，所有监测信号均采用非接触式测量。监测系统由信号传感器组单元、前置数据采集预处理单元以及后台监控单元三部分组成。

4. 监测系统参数

（1）直流放电监测系统信号响应带宽为2～7 M；

（2）直流放电监测系统灵敏度：传感器最小检测信号电流折合到原边100μA；模数转换精度1(212-1)；

（3）抗干扰技术：局部放电在线监测一个关键技术就是干扰信号的剔除，本系统综合使用了前端硬件抗噪和后台软件滤波分析相结合的抗干扰技术，整个系统采取良好的屏蔽措施。

（4）微电流传感器量程：0～100 mA分辨率30μA；耐电流冲击能力：500 A持续30 s， 300A持续3 min。

（5）数据处理功能：建立了专家系统监测分析软件，综合使用了频域分析、小波分析、模式识别以及数据统计处理等数据处理算法，具有故障自动分析，识别功能；后台服务器配有SQL数据库软件，具有数据统计、查询、显示、打印及报警功能；多通道并行实时处理系统最大可实现20根电缆同步实时在线监测。

（6）系统自启动功能：系统具有定时自启动，并支持掉电运行3 min，来电自启动功能。

（六）运营设施安全及事故应急处置研究

1. 运营故障与事故界定及其影响分析

通过对上海城市轨道交通现有运营线路事故和故障的统计分析，总结了事故和故障发生的特点；进行了上海轨道交通事故和故障影响的乘客问卷调查分析，得出以下事故和故障影响的客观评价。

（1）乘客遇到列车运行故障的比例并不高，从未遇到过地铁事故或故障的乘客比例为63 %，多次遇到事故或故障的乘客仅占1 %。大多数的乘客感到发生故障或事故时车站相对拥挤，说明列车运行延误造成了一定量的乘客滞留。

（2）列车运行延误发生后，列车停运时间60 %以上在10 min以下，而多数乘客愿意等待10 min以内的时间，说明目前列车的延误影响多数乘客能够接受。

（3）乘客反映遇到的轨道交通故障频率最高的是车门关不上，因此，改进车门设计是减少列车运行延误的主要途径之一。

（4）在发生故障的情况下，绝大多数乘客愿意服从地铁运营公司的指挥，对故障的排除采取配合的态度。

（5）运营公司还需要利用多种宣传方式和手段，让乘客了解轨道交通列车运行的基本特点，并及时提供相关信息。

2. 事故、故障管理信息系统

开发研制了上海地铁运营有限公司事故故障管理信息系统（FMIS）。该系统具有数据实时录入、规范管理、快速查询、科学统计等特点，能够及时记录和获取事故故障相关信息，减少管理方面的工作量，维护数据的真实性，并且可运用相对指标和绝对指标的分析进行事故故障的预警及控制。主要功能模块有：线路和车站信息管理、事件等级管理、事件责任管理、事件类型管理、事件记录管理、事件记录查询及报表输出、事件记录分类统计及图表输出、事故故障预警及控制。

3. 列车运行延误影响分析

列车运行延误可分为初始延误和连带延误：初始延误是由于设备故障等外界干扰因素而导致的列车运行延误；而连带延误是由于系统中前行列车发生初始延误而导致的后行列车运行延误。在发生初始延误的条件下，一方面，前行延误列车将导致后续列车排队等待现象，延误在时间与空间上呈现向后传递；另一方面，则会由于车的接续等原因造成对向列车的运行延误；在网络条件下，某一轨道交通线路的列车运行延误还会直接或间接地引起网络中其他线路的运行延误。列车运行初始延误所造成的这种影响称为列车运行延误的传播。

4. 轨道交通事故、故障处置预案研究

研究了轨道交通事故和故障应急处置的反应机制和处理机制。在对现有反应机制信息流程和事件处置机制的分析基础上，提出了相应的改进建议；并就轨道交通故障状态下应急预案的处置原则和程序等方面进行了综合分析和优化。

5. 故障处置预案管理系统

开发研制了城市轨道交通故障处置预案计算机管理系统（FPMIS）。该系统运用文字、音像、图片等多种形式存储各种规章法规和运营管理规程、故障处置预案，可实现方便查询搜索、易于修改更新、资源共享、学习和培训等功能。系统结构功能模块如图10-15所示。

图10-15　预案管理系统组成结构框架