1發(fā)展軌道交通的前景

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

根據(jù)規(guī)劃,北京將在2007年至2015年間,規(guī)劃建設軌道交通項目19項,施工線路長度447公里,連同2007年以前投入運營的三條線路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,。建設運量大、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)濟的實踐表明,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,、溫室效應等諸多問題,。事實上,軌道交通在許多大城市公共交通中已擔負起主導作用。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量高達幾十億人次,平均日載客量有幾百萬人次,有的在千萬人次以上,。這種大運量、快速的軌道交通,是現(xiàn)代化大城市最強有力的干線交通,。北京地鐵是我國最早修建的地鐵,目前總長已達55.5公里,每天運量達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。值得一提的是香港地鐵效益十分顯著,運行以來,已運載乘客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80年代采取了發(fā)展私人轎車的政策而停頓了很長時間,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的發(fā)展,廣州地鐵采用了多項先進技術,在中國軌道交通領域處于前列地位,繼而深圳地鐵也將迎頭趕上,。

2大城市的軌道交通與高

技術產(chǎn)業(yè)切入點

在經(jīng)濟全球化中,集中了全國經(jīng)濟總量70%的地域就是巨城市帶(Megalopolis),2006年前按國際公認的條件(由法國地理學家在20世紀上半葉提出)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,為此必須實現(xiàn)交通的現(xiàn)代化和自動化,。

商業(yè)自動化,、計算機、互聯(lián)網(wǎng),、移動通信等IT/NT技術促進了經(jīng)濟發(fā)展,但更重要的是實現(xiàn)交通的自動化,即用IT/NT技術改造自動化,。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,但高新技術產(chǎn)業(yè)仍遠落后于長三角。要升級的關鍵是大力發(fā)展IT/NT化的通信,那么除了信息流外,用IT/NT技術推進與控制人流,、物流,、能流,達到城市帶的標準。那么,就目前的經(jīng)驗而論,是以核電,、再生能源為動力的軌道交通就是最優(yōu)選擇,。而軌道交通中的關鍵點就是用IT/NT改造其自動化系統(tǒng)與通信系統(tǒng)。事實上,這是軌道交通系統(tǒng)中的“高科技”亮點。例如,上海磁浮列車的全線自動測控系統(tǒng),，其電力電子學與IT/NT系統(tǒng)是由西門子(Siemens)公司承包的。

3系統(tǒng)集成的風險及其解

決的國際標準

2003年,美國與加拿大東部11個州停電,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)將是一個星羅棋布的大網(wǎng)絡,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):一是設備制造商,二是系統(tǒng)運營商,，三是系統(tǒng)集成商。按照IEC61508標準,，在系統(tǒng)集成時,必須有三方面的基本數(shù)據(jù):設備制造商應該提供其產(chǎn)品平均無故障時間等的基本數(shù)據(jù);系統(tǒng)運營商應該提供運行歷史記錄中的各種事故記錄；系統(tǒng)集成商應根據(jù)以上兩類數(shù)據(jù),，運用IEC61508標準來作風險分析,。在這里分析一下這三類產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀,在近20多年中國從計劃經(jīng)濟轉(zhuǎn)型到市場經(jīng)濟過程中，這三類產(chǎn)業(yè)的進展是很不相同的,。

(1)設備制造商: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,能提供平均無故障時間等的基本數(shù)據(jù),但大多被動地做OEM,缺乏提出國際標準等的主動研發(fā)能力,更缺乏市場建設能力,如制造商主導的標準(standard)、規(guī)則(rule),、法規(guī)(regulation)與法律(law)等建設,許多方面與WTO規(guī)范的運作有較大的差距,。其特色是流通(商業(yè))成本比發(fā)達國高很多,而技術成本反而比發(fā)達國低很多,這是導致落后的基本原因。

(2)系統(tǒng)運營商:運營商在中國從計劃經(jīng)濟轉(zhuǎn)制到市場經(jīng)濟的程度不如設備制造商那么深,但已有很大的進展,，在軌道交通方面仍是國營的,，但標準、規(guī)則,、法規(guī),、法律等在計劃經(jīng)濟時代積累下來，有一定的深度與廣度,，同時軌道交通面對航空公司的競爭,，就會有動力。但是,，系統(tǒng)運營商提供運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計院承擔,但如今也轉(zhuǎn)向國有企業(yè),問題就復雜了。系統(tǒng)集成要面對系統(tǒng)運營商,也要面對設備制造商,更要面對政府部門,。投資方是政府,包含的技術,、經(jīng)濟、政策、公關等等,這些是一個大系統(tǒng)工程,。然而,這方面的標準,、規(guī)則、法規(guī),、法律最不完善,也沒有從計劃經(jīng)濟轉(zhuǎn)制到市場經(jīng)濟的國外經(jīng)驗,在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)深入到生產(chǎn),、工程、運行的《電氣,、電子,、可編程控制安全措施》的IEC61508標準在我國尚未普及。

2007年4月,全國工業(yè)過程測量與控制標準化技術委員會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,、知名大學副校長、集團總裁,、各設計院的資深專家與會,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的重要標準怎么應用到具體的工程中去,目前大都不會應用,。甚至出現(xiàn)這樣的情況,有的專家甚至認為IEC61508沒有實用價值。

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行討論,他們的觀點是把IEC61508作為第一個議題,討論升級版的步驟與進程,這充分反映了中國在這方面與發(fā)達國家的差距,。本文作者之一沈經(jīng)研究員參加了這兩次會議,事實上,沈經(jīng)與徐永福已經(jīng)把IEC61508標準用于廣州地鐵3,、4號線的EPS系統(tǒng)集成。也曾與歐盟委派負責對中國出口的歐盟企業(yè)按IEC61508標準對企業(yè)進行監(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,，關鍵是IEC標準起了很大作用。而2007年11月第6屆工業(yè)自動化與標準化國際論壇上IEC61508專家組組長HartmutvonKrosigk的報告成為了熱點,，并準備在2010年升級,。軌道交通的“強電與弱電系統(tǒng)”正是IEC61508所界定的標準,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)設計與風險等

級分擔配置

過去我國的系統(tǒng)運營商由于沒有國際與國家標準的依托,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等跨國公司來負責,但這在價格上往往無法承受,于是轉(zhuǎn)嫁由設計院來承擔風險。由于在系統(tǒng)集成方面的標準,、規(guī)則,、法規(guī)、法律的配合尚不健全,這個風險就相當大,。

這類風險,在發(fā)達國家是從生產(chǎn)活動的底層到市場運作的上層,由標準,、規(guī)則、法規(guī),到法律一步一步都有保證,各級負責人都有依據(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大礦難事件中負責人的判刑與2006年對2002年重慶井噴事故的有關責任人從工人,、工程師到副總的判刑。事實上仔細分析重慶井噴事故的每一個環(huán)節(jié),都有關鍵的技術問題,特別是標準不全,、管理不力,、逐級向上報告的規(guī)則、法規(guī)都不健全,令負責人最后鋃鐺入獄,。

基于IEC61508的UPS/EPS系統(tǒng)設計的前提風險等級如表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)設計與風險分擔的關系如圖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)學家安德烈·安德烈耶維奇·馬爾科夫提出鏈式理論,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的理論基礎是馬爾科夫提出的離散時間隨機過程,。在該過程中,在給定當前信息的情況下,過去信息對于預測將來信息是無關的,即過去、現(xiàn)在,、將來的故障概率分布都是正態(tài)的,。馬爾科夫的離散時間隨機過程,與1905年愛因斯坦發(fā)表的布朗運動統(tǒng)計理論以及上世紀50年代證明的19世紀統(tǒng)計物理的各態(tài)遍歷(Ergodic)假說這兩個20世紀初期物理學重要課題是相聯(lián)系的,。

馬爾科夫鏈(離散時間隨機過程)的特點是:對目前的事,其前面的事只與最近的事相關,與過去的事無關,。馬爾科夫鏈是對于統(tǒng)計事件的泊松(Poison)分布,、大數(shù)法則,、正態(tài)(Gauss)分布的擴展。

而根據(jù)運營商對事故歷史記載的檔案,運用IEC61508標準,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,。對于具體工程的責任人根據(jù)國標法規(guī),、法律來首先設定本工程的SIL等級,由上級批準后再來設計與選型,。這樣,只要設計得合理,責任也是量化的,就可使工程責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)品實際值是X,其分布函數(shù)是P(X),。

P(μ-σ<X<μ+σ)=0.6827(標準公差σ標準)

P(μ-3σ<X<μ+3σ)=0.9973(全面質(zhì)量管理3σ標準)

P(μ-6σ<X<μ+6σ)=0.999999998(Motolora6σ標準,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),有時也稱位移(displacement)和偏移(shift),即長時間后功稱值(平均值)不可避免地發(fā)生變化,。美國學者Bender和Gilson花了近30年的時間獨立研究生產(chǎn)流程中的漂移,獲得的結(jié)果是1.49個σ,為了方便,人們把這種漂移看成1.5個σ的位移。因此,6σ質(zhì)量水準是對流程減去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)量標準的合格率為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]到漂移時是66807ppm。

軌道交通的安全權(quán)重,必須依照摩托羅拉(Motolora)的6σ標準,遠高于目前國標中大量的放射性的環(huán)境安全標準,。更應當從標準化的角度重新評估核電站設計的物理安全,、測量與控制的安全、系統(tǒng)的功能安全,、運行的安全規(guī)范,從強化標準的設計理念來組織技術組織措施,。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標準。

6UPS/EPS系統(tǒng)集成的風險分析與三代冗余

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

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,不在整機輸入與輸出之間,而在整流、逆變,、靜態(tài)開關之間(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)點的網(wǎng)絡中的失效率<1%,遠小于傳感器、E/E/PE,、執(zhí)行器的失效率(見圖7),。

這一技術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的可用性能達到最高(見圖8)[見參考文獻2～4],，同時降低了UPS集成系統(tǒng)的風險，達到最高的安全性,，并已有應用案例,而進一步的風險分析見參考文獻[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,以及其相關的軟件,、通信協(xié)議,、應用軟件、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時的可用性如表3所示,。

7軌道交通UPS/EPS的具體實現(xiàn)

用IEC61508的觀點來指導集成系統(tǒng)設計。

7.1系統(tǒng)集成設計的第一步

系統(tǒng)集成設計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車站中的各種電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的各個UPS/EPS系統(tǒng)集中,采用一臺集中型的UPS/EPS系統(tǒng),替代每一個站中的各種電子系統(tǒng)設計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)集成設計的第二步

(1)采用沈經(jīng)與徐永福為廣州地鐵3號線與部分4號線設計的對蓄電池組單體電池實行內(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)),實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控,。

7.3系統(tǒng)集成設計的第三步

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,及其相關的軟件,、通信協(xié)議,、應用軟件、診斷原件之間的冗余,。在IEC61508的2010年的升級版上進行微電子學的系統(tǒng)集成,。

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