1發(fā)展軌道交通的前景

2007年11月14日,國家發(fā)改委批準(zhǔn)了《北京市城市快速軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃》。

根據(jù)規(guī)劃,北京將在2007年至2015年間,規(guī)劃建設(shè)軌道交通項(xiàng)目19項(xiàng),施工線路長度447公里,連同2007年以前投入運(yùn)營的三條線路114公里,最終形成19條線路561公里的軌道交通線網(wǎng)規(guī)模。建設(shè)運(yùn)量大、速度快的軌道交通已成為現(xiàn)代城市的必然選擇。

以大城市為典型的發(fā)展私人轎車來拉動經(jīng)濟(jì)的實(shí)踐表明,現(xiàn)已出現(xiàn)了難以忍受的交通擁堵、事故頻繁、燃油短缺、空氣惡化、溫室效應(yīng)等諸多問題。事實(shí)上,軌道交通在許多大城市公共交通中已擔(dān)負(fù)起主導(dǎo)作用。如紐約、倫敦、巴黎、東京、莫斯科等城市地鐵的總長度都有200至400公里,這些城市地鐵的年客運(yùn)量高達(dá)幾十億人次,平均日載客量有幾百萬人次,有的在千萬人次以上。這種大運(yùn)量、快速的軌道交通,是現(xiàn)代化大城市最強(qiáng)有力的干線交通。北京地鐵是我國最早修建的地鐵,目前總長已達(dá)55.5公里,每天運(yùn)量達(dá)150萬人次,已成為北京公共交通的骨干。上海建成的地鐵1號線和2號線,為緩和緊張的城市交通作出卓越的貢獻(xiàn)。值得一提的是香港地鐵效益十分顯著,運(yùn)行以來,已運(yùn)載乘客70多億人次,大大緩解了緊張的地面交通,在公共交通市場占有率達(dá)47%,已成為香港居民生活中不可缺少的交通工具。

我國的地鐵與輕軌最早在北京建成,但因上世紀(jì)80年代采取了發(fā)展私人轎車的政策而停頓了很長時(shí)間,直到引發(fā)上述弊端,而重新回到軌道交通。近年來，由于信息和電力電子等技術(shù)的發(fā)展,廣州地鐵采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),在中國軌道交通領(lǐng)域處于前列地位,繼而深圳地鐵也將迎頭趕上。

2大城市的軌道交通與高

技術(shù)產(chǎn)業(yè)切入點(diǎn)

在經(jīng)濟(jì)全球化中,集中了全國經(jīng)濟(jì)總量70%的地域就是巨城市帶(Megalopolis),2006年前按國際公認(rèn)的條件(由法國地理學(xué)家在20世紀(jì)上半葉提出)評定為世界級巨城市帶的有紐約、芝加哥、倫敦、巴黎、東京,2006年后增加了上海。那么這些城市帶如何解決交通的呢?只能靠軌道交通來解決,為此必須實(shí)現(xiàn)交通的現(xiàn)代化和自動化。

商業(yè)自動化、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等IT/NT技術(shù)促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展,但更重要的是實(shí)現(xiàn)交通的自動化,即用IT/NT技術(shù)改造自動化。因前者是信息到信息的傳遞,后者是用信息控制人流、物流、能流。如今,局面正在改變,珠三角的制造業(yè)已超過長三角,但高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍遠(yuǎn)落后于長三角。要升級的關(guān)鍵是大力發(fā)展IT/NT化的通信,那么除了信息流外,用IT/NT技術(shù)推進(jìn)與控制人流、物流、能流,達(dá)到城市帶的標(biāo)準(zhǔn)。那么,就目前的經(jīng)驗(yàn)而論,是以核電、再生能源為動力的軌道交通就是最優(yōu)選擇。而軌道交通中的關(guān)鍵點(diǎn)就是用IT/NT改造其自動化系統(tǒng)與通信系統(tǒng)。事實(shí)上,這是軌道交通系統(tǒng)中的“高科技”亮點(diǎn)。例如,上海磁浮列車的全線自動測控系統(tǒng)，其電力電子學(xué)與IT/NT系統(tǒng)是由西門子(Siemens)公司承包的。

3系統(tǒng)集成的風(fēng)險(xiǎn)及其解

決的國際標(biāo)準(zhǔn)

2003年,美國與加拿大東部11個(gè)州停電,紐約的28條地鐵乘客困在地鐵中;2005年6月25日莫斯科地鐵停電,動用戰(zhàn)備應(yīng)急電源(見圖1)。今天軌道交通的大工程在環(huán)長三角、珠三角、勃海灣地區(qū)將是一個(gè)星羅棋布的大網(wǎng)絡(luò),保證電力不中斷是一專門要研究的課題。

在工程上分,有三大產(chǎn)業(yè):一是設(shè)備制造商,二是系統(tǒng)運(yùn)營商，三是系統(tǒng)集成商。按照IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)集成時(shí),必須有三方面的基本數(shù)據(jù):設(shè)備制造商應(yīng)該提供其產(chǎn)品平均無故障時(shí)間等的基本數(shù)據(jù);系統(tǒng)運(yùn)營商應(yīng)該提供運(yùn)行歷史記錄中的各種事故記錄；系統(tǒng)集成商應(yīng)根據(jù)以上兩類數(shù)據(jù)，運(yùn)用IEC61508標(biāo)準(zhǔn)來作風(fēng)險(xiǎn)分析。在這里分析一下這三類產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀,在近20多年中國從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型到市場經(jīng)濟(jì)過程中，這三類產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展是很不相同的。

(1)設(shè)備制造商:基本上已從國營、國有轉(zhuǎn)變到私營、合資、外資、上市公司的市場經(jīng)濟(jì),能提供平均無故障時(shí)間等的基本數(shù)據(jù),但大多被動地做OEM,缺乏提出國際標(biāo)準(zhǔn)等的主動研發(fā)能力,更缺乏市場建設(shè)能力,如制造商主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)(standard)、規(guī)則(rule)、法規(guī)(regulation)與法律(law)等建設(shè),許多方面與WTO規(guī)范的運(yùn)作有較大的差距。其特色是流通(商業(yè))成本比發(fā)達(dá)國高很多,而技術(shù)成本反而比發(fā)達(dá)國低很多,這是導(dǎo)致落后的基本原因。

(2)系統(tǒng)運(yùn)營商:運(yùn)營商在中國從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)制到市場經(jīng)濟(jì)的程度不如設(shè)備制造商那么深,但已有很大的進(jìn)展，在軌道交通方面仍是國營的，但標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則、法規(guī)、法律等在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代積累下來，有一定的深度與廣度，同時(shí)軌道交通面對航空公司的競爭，就會有動力。但是，系統(tǒng)運(yùn)營商提供運(yùn)行歷史記錄中的各種事故記錄往往不全。

(3)系統(tǒng)集成商:過去是由政府部門直屬的設(shè)計(jì)院承擔(dān),但如今也轉(zhuǎn)向國有企業(yè),問題就復(fù)雜了。系統(tǒng)集成要面對系統(tǒng)運(yùn)營商,也要面對設(shè)備制造商,更要面對政府部門。投資方是政府,包含的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策、公關(guān)等等,這些是一個(gè)大系統(tǒng)工程。然而,這方面的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則、法規(guī)、法律最不完善,也沒有從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)制到市場經(jīng)濟(jì)的國外經(jīng)驗(yàn),在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)深入到生產(chǎn)、工程、運(yùn)行的《電氣、電子、可編程控制安全措施》的IEC61508標(biāo)準(zhǔn)在我國尚未普及。

2007年4月,全國工業(yè)過程測量與控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會SAC/TC124顧問組在北京開會。全國知名的電氣、電子、可編程控制的自動化裝備制造商的總工、自動化研究所的副所長、知名大學(xué)副校長、集團(tuán)總裁、各設(shè)計(jì)院的資深專家與會,討論的重要議題是IEC61508這一《電氣、電子、可編程控電子系統(tǒng)的功能安全措施》內(nèi)容及IEC的重要標(biāo)準(zhǔn)怎么應(yīng)用到具體的工程中去,目前大都不會應(yīng)用。甚至出現(xiàn)這樣的情況,有的專家甚至認(rèn)為IEC61508沒有實(shí)用價(jià)值。

2007年5月,IEC/TC65顧問組在中國西安與SAC/TC124顧問組開聯(lián)席會議。來自德國、法國、美國、英國、丹麥、瑞士的專家與中國專家進(jìn)行討論,他們的觀點(diǎn)是把IEC61508作為第一個(gè)議題,討論升級版的步驟與進(jìn)程,這充分反映了中國在這方面與發(fā)達(dá)國家的差距。本文作者之一沈經(jīng)研究員參加了這兩次會議,事實(shí)上,沈經(jīng)與徐永福已經(jīng)把IEC61508標(biāo)準(zhǔn)用于廣州地鐵3、4號線的EPS系統(tǒng)集成。也曾與歐盟委派負(fù)責(zé)對中國出口的歐盟企業(yè)按IEC61508標(biāo)準(zhǔn)對企業(yè)進(jìn)行監(jiān)督的TüV專家討論過。他們說在德國100年前就杜絕了礦難與交通事故的高發(fā)現(xiàn)象，關(guān)鍵是IEC標(biāo)準(zhǔn)起了很大作用。而2007年11月第6屆工業(yè)自動化與標(biāo)準(zhǔn)化國際論壇上IEC61508專家組組長HartmutvonKrosigk的報(bào)告成為了熱點(diǎn)，并準(zhǔn)備在2010年升級。軌道交通的“強(qiáng)電與弱電系統(tǒng)”正是IEC61508所界定的標(biāo)準(zhǔn),對于系統(tǒng)集成是特別有用的。如今已有企業(yè)開始生產(chǎn)這類系統(tǒng)產(chǎn)品。

4基于IEC61508的UPS/

EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)等

級分擔(dān)配置

過去我國的系統(tǒng)運(yùn)營商由于沒有國際與國家標(biāo)準(zhǔn)的依托,規(guī)則、法規(guī)又不健全,于是出現(xiàn)兩種局面:

(1)請國外公司從提供產(chǎn)品到系統(tǒng)工程全部集成,如Siemens、ABB等跨國公司來負(fù)責(zé),但這在價(jià)格上往往無法承受,于是轉(zhuǎn)嫁由設(shè)計(jì)院來承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。由于在系統(tǒng)集成方面的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則、法規(guī)、法律的配合尚不健全,這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)就相當(dāng)大。

這類風(fēng)險(xiǎn),在發(fā)達(dá)國家是從生產(chǎn)活動的底層到市場運(yùn)作的上層,由標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則、法規(guī),到法律一步一步都有保證,各級負(fù)責(zé)人都有依據(jù)來簽發(fā)或拒簽。而目前在中國尚未完善,于是責(zé)任人在事故發(fā)生后往往直接面對法律來服刑。典型案例是2007年國家生產(chǎn)安全局公布對5大礦難事件中負(fù)責(zé)人的判刑與2006年對2002年重慶井噴事故的有關(guān)責(zé)任人從工人、工程師到副總的判刑。事實(shí)上仔細(xì)分析重慶井噴事故的每一個(gè)環(huán)節(jié),都有關(guān)鍵的技術(shù)問題,特別是標(biāo)準(zhǔn)不全、管理不力、逐級向上報(bào)告的規(guī)則、法規(guī)都不健全,令負(fù)責(zé)人最后鋃鐺入獄。

基于IEC61508的UPS/EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提風(fēng)險(xiǎn)等級如表1所示。其中用戶事故歷史記錄是主要的。

基于IEC61508的UPS/EPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)的關(guān)系如圖2所示。

5“安全措施完整性”等級SIL的選擇

在圖2中,關(guān)鍵是“安全措施完整性”等級SIL的選擇。如果沒有用戶事故歷史記錄的情況下,那么由IEC61508的原理來選SIL。

1907年,俄國數(shù)學(xué)家安德烈·安德烈耶維奇·馬爾科夫提出鏈?zhǔn)嚼碚?稱做馬爾科夫鏈,該理論表述了一種事件影響另一種事件的可能性問題。IEC61508的理論基礎(chǔ)是馬爾科夫提出的離散時(shí)間隨機(jī)過程。在該過程中,在給定當(dāng)前信息的情況下,過去信息對于預(yù)測將來信息是無關(guān)的,即過去、現(xiàn)在、將來的故障概率分布都是正態(tài)的。馬爾科夫的離散時(shí)間隨機(jī)過程,與1905年愛因斯坦發(fā)表的布朗運(yùn)動統(tǒng)計(jì)理論以及上世紀(jì)50年代證明的19世紀(jì)統(tǒng)計(jì)物理的各態(tài)遍歷(Ergodic)假說這兩個(gè)20世紀(jì)初期物理學(xué)重要課題是相聯(lián)系的。

馬爾科夫鏈(離散時(shí)間隨機(jī)過程)的特點(diǎn)是:對目前的事,其前面的事只與最近的事相關(guān),與過去的事無關(guān)。馬爾科夫鏈?zhǔn)菍τ诮y(tǒng)計(jì)事件的泊松(Poison)分布、大數(shù)法則、正態(tài)(Gauss)分布的擴(kuò)展。

而根據(jù)運(yùn)營商對事故歷史記載的檔案,運(yùn)用IEC61508標(biāo)準(zhǔn),對軌道交通的UPS/EPS系統(tǒng),選擇“安全措施完整性等級”,見表2。

表中的失效是Failure。對于具體工程的責(zé)任人根據(jù)國標(biāo)法規(guī)、法律來首先設(shè)定本工程的SIL等級,由上級批準(zhǔn)后再來設(shè)計(jì)與選型。這樣,只要設(shè)計(jì)得合理,責(zé)任也是量化的,就可使工程責(zé)任人可以放心地考慮其系統(tǒng)的最優(yōu)化。

這在用戶的事故歷史記錄的數(shù)據(jù)上,以馬爾科夫鏈的事故隨機(jī)規(guī)律,過去、現(xiàn)在、將來出事故的概率都是正態(tài)分布。那么按“6σ管理”來決定SIL。σ是決定制造精度(precision)誤差函數(shù)正態(tài)(Gauss)分布的rms誤差,令公稱值是μ,產(chǎn)品實(shí)際值是X,其分布函數(shù)是P(X)。

P(μ-σ<X<μ+σ)=0.6827(標(biāo)準(zhǔn)公差σ標(biāo)準(zhǔn))

P(μ-3σ<X<μ+3σ)=0.9973(全面質(zhì)量管理3σ標(biāo)準(zhǔn))

P(μ-6σ<X<μ+6σ)=0.999999998(Motolora6σ標(biāo)準(zhǔn),軌道交通SIL3)(見圖3)

6σ比3σ提高的原因在考慮到誤差函數(shù)正態(tài)(Gauss)分布的漂移(drift),有時(shí)也稱位移(displacement)和偏移(shift),即長時(shí)間后功稱值(平均值)不可避免地發(fā)生變化。美國學(xué)者Bender和Gilson花了近30年的時(shí)間獨(dú)立研究生產(chǎn)流程中的漂移,獲得的結(jié)果是1.49個(gè)σ,為了方便,人們把這種漂移看成1.5個(gè)σ的位移。因此,6σ質(zhì)量水準(zhǔn)是對流程減去1.5σ后所得,即6σ-1.5σ=4.5σ。在正態(tài)分布的4.5σ處,可以查得的概率值正好是3.4ppm。傳統(tǒng)的“3σ原則”下,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的合格率為99.73%。即使在沒有任何漂移的情況下,也意味著2700ppm的不合格率?？紤]到漂移時(shí)是66807ppm。

軌道交通的安全權(quán)重,必須依照摩托羅拉(Motolora)的6σ標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)高于目前國標(biāo)中大量的放射性的環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)。更應(yīng)當(dāng)從標(biāo)準(zhǔn)化的角度重新評估核電站設(shè)計(jì)的物理安全、測量與控制的安全、系統(tǒng)的功能安全、運(yùn)行的安全規(guī)范,從強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念來組織技術(shù)組織措施。德國、法國、日本、加拿大工業(yè)專家在討論中國的事故時(shí)說早在100年前他們就開始重視生產(chǎn)安全了,到1998年才形成IEC61508標(biāo)準(zhǔn)。

6UPS/EPS系統(tǒng)集成的風(fēng)險(xiǎn)分析與三代冗余

UPS/EPS系統(tǒng)集成的安全措施——是IEC61508的一個(gè)基本手段,分三個(gè)階段:

6.1第一代冗余

IEC61508在1998年發(fā)布之前,主要采取的冗余是整機(jī)冗余,主要有兩類:

(1)串聯(lián)冗余(見圖4);

(2)并聯(lián)冗余(功率均分)(見圖5)。

6.2第二代冗余

IEC61508在1998年發(fā)布之初,采取的冗余是部件之間的互通冗余,冗余UPS/EPS之間的通信連接,不在整機(jī)輸入與輸出之間,而在整流、逆變、靜態(tài)開關(guān)之間(見圖6)。這種冗余的措施是增加了通信信道,這是根據(jù)TüV數(shù)據(jù),在所有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中的失效率<1%,遠(yuǎn)小于傳感器、E/E/PE、執(zhí)行器的失效率(見圖7)。

這一技術(shù)方案在成本上最合理，監(jiān)控上最方便,上傳參數(shù)更容易。而每臺DC-TypeUPS的可用性能達(dá)到最高(見圖8)[見參考文獻(xiàn)2～4]，同時(shí)降低了UPS集成系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到最高的安全性，并已有應(yīng)用案例,而進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)分析見參考文獻(xiàn)[5]。

6.3第三代冗余

IEC61508在1998年發(fā)布之后,采取的冗余是器件之間的互通冗余,傳感器、ADC、DSP、ROM-RAM、CPU、I/O、DAC、DDC、執(zhí)行器等,以及其相關(guān)的軟件、通信協(xié)議、應(yīng)用軟件、診斷元件之間的冗余(見圖9)。

三種冗余系統(tǒng)在安全等級要求為AK1-6時(shí)的可用性如表3所示。

7軌道交通UPS/EPS的具體實(shí)現(xiàn)

用IEC61508的觀點(diǎn)來指導(dǎo)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

7.1系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的第一步

系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)第一步已由本文作者之一劉卡丁完成,中心思想是把軌道交通一個(gè)車站中的各種電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的各個(gè)UPS/EPS系統(tǒng)集中,采用一臺集中型的UPS/EPS系統(tǒng),替代每一個(gè)站中的各種電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師各自分散提出的不同功率的UPS，該方案為一臺集中型的UPS/EPS,大大節(jié)約了成本。

7.2系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的第二步

(1)采用沈經(jīng)與徐永福為廣州地鐵3號線與部分4號線設(shè)計(jì)的對蓄電池組單體電池實(shí)行內(nèi)阻監(jiān)測方案，站內(nèi)現(xiàn)場總線與全線的局域網(wǎng)集中監(jiān)控的方案。

(2)DC-TypeUPS/“N+1”或DC-TypeUPS/EPS/“N+X”的第2代冗余的高可用性供電。

(3)全線各站的UPS/EPS/電池監(jiān)控通過局域網(wǎng)LAM(如以太網(wǎng)),實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控。

7.3系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的第三步

采取的冗余是器件件之間的互通冗余,傳感器、ADC、DSP、ROM-RAM、CPU、I/O、DAC、DDC、執(zhí)行器等,及其相關(guān)的軟件、通信協(xié)議、應(yīng)用軟件、診斷原件之間的冗余。在IEC61508的2010年的升級版上進(jìn)行微電子學(xué)的系統(tǒng)集成。

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