单轨列车运行控制系统安全关键技术研究

摘要

单轨是一种轻型、中等速度的城市轨道交通运输工具，具有建设周期短、造价成本低、不占用地面交通资源、低碳环保等突出优点，是一种极具潜力的城市轨道交通发展模式。基于单轨系统对于设备安装的特殊要求，传统的轨道电路等信号设备无法直接在单轨中应用。国外的信号系统集成商已实现了单轨交通的全程无人自动驾驶，而国内这方面的研究还停留在工程应用研究阶段，作为单轨交通核心关键设备的列控系统，目前国内没有成熟的技术、标准及相关产品，而且国外厂商采取严格的技术保密态度，因此自主研制单轨列车控制系统，不仅有着迫切的市场需求，更对我国城市轨道交通列控系统安全和可持续发展有非常重要的意义。
　　本论文在对国内外列车控制系统相关的产品、技术、EN50126/8/9等国际标准深入分析的基础上，重点研究了单轨列车运行控制系统的关键技术，首先研究安全计算机模型架构，提出了双三重冗余容错系统和基于双CPU的三重表决系统两种新的安全计算机模型，并进行仿真分析和可靠性、可用性、可维修性、安全性对比;然后以单轨列车自动防护系统为目标，进行基于危险与可操作性分析、失效模式影响和严重度分析、故障树分析、风险矩阵等方法的组合式危害识别和风险分析，提炼单轨列车自动防护系统的系统需求，再进行系统结构设计和可靠性、安全性设计，并进行了相关指标的验证;接着对单轨列车自动防护系统的核心算法进行了研究，包括单轨列车制动曲线模型、融合全球卫星导航系统的多传感器组合测速方法等;最后以安全数字量输出单元为样例，将课题研究内容进行应用设计与验证。本论文重点核心研究内容包括:
　　(1)在研究三取二、二乘二取二等传统结构模型的基础上，提出了双三重冗余容错系统和基于双CPU的三重表决系统两种新的安全计算机模型，建立了系统可靠性框图和马尔可夫过程模型，并与三重冗余系统和四重冗余系统在可靠性、可用性、可维修性、安全性等四个维度进行了分析与对比，结果表明两种新的安全计算机模型在安全性、可靠性上具有明显优势。
　　(2)研究了基于风险分析的单轨列车自动防护系统安全技术。在研究单轨列车自动防护系统的完整生命周期中，将多种传统风险分析方法进行多重组合，并应用在危害识别与风险分析、硬件设计、危险侧失效概率计算等环节，再根据风险分析结果提炼系统需求，而后进行安全设计，最后对可靠性、安全性进行了计算和验证。
　　(3)进行了单轨车载列车自动防护系统核心算法研究，为实现超速防护功能建立单轨列车制动曲线模型，为解决单轨列车于低空悬挂运行的测速问题而提出融合全球卫星导航系统的多传感器组合测速方法。
　　(4)以安全数字量输出单元为样例将理论研究内容应用于实践，进行组合式风险分析，提炼系统需求，然后进行设计开发，最后对性能、可靠性与安全性指标进行了验证，该单元平均故障间隔时间达到1.17×106h，危险侧失效概率为1.14×10-13/h，均优于预定指标。
　　本论文以单轨列车运行控制系统的安全关键技术为主要研究内容，重点研究了安全计算机架构模型、风险分析和安全性设计、单轨列车制动曲线模型、融合全球卫星导航系统的多传感器组合测速方法、安全数字量输出单元等安全关键技术。研究过程中始终以EN50126/8/9等国际安全标准为指南，以提高系统的安全性为宗旨，为后续产品化和工程化奠定技术基础。

目录

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致谢

摘要

缩略语表

第一章 绪论

1．1 背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 城市轨道交通CBTC列控系统

1．2．2 单轨交通列控系统

1．2．3 安全计算机架构模型

1．2．4 功能安全标准和安全性要求

1．2．5 列车自动防护系统关键技术

1．3 研究目标

1．3．1 整体目标

1．3．2 具体目标

1．4 本论文研究内容及结构安排

1．5 本论文创新点

第二章 单轨列控系统安全计算机架构模型研究

2．1 引言

2．2 双三重冗余容错系统

2．2．1 结构设计

2．2．2 安全分析

2．2．3 结构比较

2．3 基于双CPU的三重表决系统

2．3．1 结构设计

2．3．2 安全分析

2．4 系统结构比较

2．5 小结

第三章 基于风险分析的单轨ATP系统安全技术研究

3．1 引言

3．2 应用场景分析

3．3 单轨ATP系统风险分析

3．3．1 分析方法

3．3．2 危害识别和风险分析

3．3．3 风险分析方法比较

3．4 单轨ATP系统需求

3．5 单轨ATP系统结构设计

3．6 单轨ATP系统安全性、可靠性设计

3．6．1 安全设计原则

3．6．2 安全设计技术

3．6．3 可靠性分配

3．6．4 元器件失效分析

3．6．5 故障树分析

3．7 单轨ATP系统安全性、可靠性验证

3．7．1 系统可靠性评估

3．7．2 系统安全性评估

3．8 小结

第四章 单轨车载ATP核心算法研究

4．1 引言

4．2 单轨列车制动曲线模型研究

4．2．1 GEBR制动曲线计算

4．2．2 ATP紧急制动触发曲线计算

4．2．3 制动曲线计算流程

4．3 融合GNSS的多传感器组合测速方法

4．3．1 列车轮径校准

4．3．2 测速状态约定

4．3．3 多传感器组合测速风险分析

4．3．4 安全速度计算

4．3．5 精确速度计算

4．3．6 空转和打滑的检测

4．4 小结

第五章 安全应用设计与验证

5．1 引言

5．2 安全数字量输出单元风险分析

5．2．1 初步危害分析

5．2．2 系统危害分析和接口危害分析

5．3 安全数字量输出单元应用设计

5．3．1 硬件电路设计

5．3．2 软件逻辑设计

5．4 安全数字量输出单元验证

5．4．1 功能验证

5．4．2 性能验证

5．4．3 可靠性、安全性验证

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士期间科研成果

作者简历