1發展軌道交通的前景

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

根據規劃,北京將在2007年至2015年間,規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規模。建設運量大、速度快的軌道交通已成為現代城市的必然選擇。

以大城市為典型的發展私人轎車來拉動經濟的實踐表明,現已出現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年代采取了發展私人轎車的政策而停頓了很長時間,直到引發上述弊端,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

技術產業切入點

在經濟全球化中,集中了全國經濟總量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,為此必須實現交通的現代化和自動化。

商業自動化、計算機、互聯網、移動通信等IT/NT技術促進了經濟發展,但更重要的是實現交通的自動化,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,珠三角的制造業已超過長三角,但高新技術產業仍遠落后于長三角。要升級的關鍵是大力發展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,就目前的經驗而論,是以核電、再生能源為動力的軌道交通就是最優選擇。而軌道交通中的關鍵點就是用IT/NT改造其自動化系統與通信系統。事實上,這是軌道交通系統中的“高科技”亮點。例如,上海磁浮列車的全線自動測控系統，其電力電子學與IT/NT系統是由西門子(Siemens)公司承包的。

3系統集成的風險及其解

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,動用戰備應急電源(見圖1)。今天軌道交通的大工程在環長三角、珠三角、勃海灣地區將是一個星羅棋布的大網絡,保證電力不中斷是一專門要研究的課題。

在工程上分,有三大產業:一是設備制造商,二是系統運營商，三是系統集成商。按照IEC61508標準，在系統集成時,必須有三方面的基本數據:設備制造商應該提供其產品平均無故障時間等的基本數據;系統運營商應該提供運行歷史記錄中的各種事故記錄；系統集成商應根據以上兩類數據，運用IEC61508標準來作風險分析。在這里分析一下這三類產業的現狀,在近20多年中國從計劃經濟轉型到市場經濟過程中，這三類產業的進展是很不相同的。

(1)設備制造商:基本上已從國營、國有轉變到私營、合資、外資、上市公司的市場經濟,能提供平均無故障時間等的基本數據,但大多被動地做OEM,缺乏提出國際標準等的主動研發能力,更缺乏市場建設能力,如制造商主導的標準(standard)、規則(rule)、法規(regulation)與法律(law)等建設,許多方面與WTO規范的運作有較大的差距。其特色是流通(商業)成本比發達國高很多,而技術成本反而比發達國低很多,這是導致落后的基本原因。

(2)系統運營商:運營商在中國從計劃經濟轉制到市場經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、規則、法規、法律等在計劃經濟時代積累下來，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)系統集成商:過去是由政府部門直屬的設計院承擔,但如今也轉向國有企業,問題就復雜了。系統集成要面對系統運營商,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、經濟、政策、公關等等,這些是一個大系統工程。然而,這方面的標準、規則、法規、法律最不完善,也沒有從計劃經濟轉制到市場經濟的國外經驗,在歐美等發達國家已經深入到生產、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、可編程控電子系統的功能安全措施》內容及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達國家的差距。本文作者之一沈經研究員參加了這兩次會議,事實上,沈經與徐永福已經把IEC61508標準用于廣州地鐵3、4號線的EPS系統集成。也曾與歐盟委派負責對中國出口的歐盟企業按IEC61508標準對企業進行監督的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現象，關鍵是IEC標準起了很大作用。而2007年11月第6屆工業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”正是IEC61508所界定的標準,對于系統集成是特別有用的。如今已有企業開始生產這類系統產品。

4基于IEC61508的UPS/

EPS系統設計與風險等

級分擔配置

過去我國的系統運營商由于沒有國際與國家標準的依托,規則、法規又不健全,于是出現兩種局面:

(1)請國外公司從提供產品到系統工程全部集成,如Siemens、ABB等跨國公司來負責,但這在價格上往往無法承受,于是轉嫁由設計院來承擔風險。由于在系統集成方面的標準、規則、法規、法律的配合尚不健全,這個風險就相當大。

這類風險,在發達國家是從生產活動的底層到市場運作的上層,由標準、規則、法規,到法律一步一步都有保證,各級負責人都有依據來簽發或拒簽。而目前在中國尚未完善,于是責任人在事故發生后往往直接面對法律來服刑。典型案例是2007年國家生產安全局公布對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節,都有關鍵的技術問題,特別是標準不全、管理不力、逐級向上報告的規則、法規都不健全,令負責人最后鋃鐺入獄。

基于IEC61508的UPS/EPS系統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、現在、將來的故障概率分布都是正態的。馬爾科夫的離散時間隨機過程,與1905年愛因斯坦發表的布朗運動統計理論以及上世紀50年代證明的19世紀統計物理的各態遍歷(Ergodic)假說這兩個20世紀初期物理學重要課題是相聯系的。

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計事件的泊松(Poison)分布、大數法則、正態(Gauss)分布的擴展。

而根據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,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國標法規、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的最優化。

這在用戶的事故歷史記錄的數據上,以馬爾科夫鏈的事故隨機規律,過去、現在、將來出事故的概率都是正態分布。那么按“6σ管理”來決定SIL。σ是決定制造精度(precision)誤差函數正態(Gauss)分布的rms誤差,令公稱值是μ,產品實際值是X,其分布函數是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正態(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)不可避免地發生變化。美國學者Bender和Gilson花了近30年的時間獨立研究生產流程中的漂移,獲得的結果是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質量水準是對流程減去1.5σ后所得,即6σ-1.5σ=4.5σ。在正態分布的4.5σ處,可以查得的概率值正好是3.4ppm。傳統的“3σ原則”下,質量標準的合格率為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。考慮到漂移時是66807ppm。

軌道交通的安全權重,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、系統的功能安全、運行的安全規范,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安全了,到1998年才形成IEC61508標準。

6UPS/EPS系統集成的風險分析與三代冗余

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

6.1第一代冗余

IEC61508在1998年發布之前,主要采取的冗余是整機冗余,主要有兩類:

(1)串聯冗余(見圖4);

(2)并聯冗余(功率均分)(見圖5)。

6.2第二代冗余

IEC61508在1998年發布之初,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TüV數據,在所有節點的網絡中的失效率<1%,遠小于傳感器、E/E/PE、執行器的失效率(見圖7)。

這一技術方案在成本上最合理，監控上最方便,上傳參數更容易。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、執行器等,以及其相關的軟件、通信協議、應用軟件、診斷元件之間的冗余(見圖9)。

三種冗余系統在安全等級要求為AK1-6時的可用性如表3所示。

7軌道交通UPS/EPS的具體實現

用IEC61508的觀點來指導集成系統設計。

7.1系統集成設計的第一步

系統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/可編程電子系統的各個UPS/EPS系統集中,采用一臺集中型的UPS/EPS系統,替代每一個站中的各種電子系統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,大大節約了成本。

7.2系統集成設計的第二步

(1)采用沈經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阻監測方案，站內現場總線與全線的局域網集中監控的方案。

(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/電池監控通過局域網LAM(如以太網),實現統一監控。

7.3系統集成設計的第三步

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、執行器等,及其相關的軟件、通信協議、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集成。

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