轨道交通信号系统安全性能测试的故障模拟要求

轨道交通信号系统作为列车运行的“神经中枢”，其安全性直接决定轨道运营的本质安全。安全性能测试中，故障模拟是验证系统应对异常工况能力的核心手段——它通过主动构造贴近实际的故障场景，检验系统在极端状态下的安全响应逻辑。故障模拟并非“随意制造异常”，而是需遵循严格的技术规范，确保模拟场景的合理性、测试过程的可控性及结果的有效性，直接关系到信号系统能否安全投入实际运营。

故障模拟的基础原则

真实性是故障模拟的核心前提。模拟的故障需完全贴合实际运营中的典型场景，比如道岔转辙机因齿轮磨损导致的卡阻、轨道电路因道床漏泄引发的“红光带”，或是无线通信因电磁干扰产生的丢包——这些故障均来自运营数据的统计分析，而非主观臆造。若模拟场景脱离实际，测试结果将无法反映系统的真实安全水平。

覆盖性要求故障模拟需覆盖信号系统的全链条环节。从信号机、轨道电路等底层设备，到ATS（列车自动监控）、ATP（列车自动保护）等核心子系统，再到平峰、高峰、设备切换等运营场景，均需纳入模拟范围。例如，既需验证单台信号机故障的应对能力，也需测试全线通信中断的极限场景。

分级性是平衡测试效率与深度的关键。故障需按严重程度分为“轻微”“一般”“严重”“致命”四级：轻微故障如单个轨道区段误报，不影响列车运行；致命故障如全线信号中断，直接威胁乘客安全。分级模拟可确保资源向高风险故障倾斜，避免无效测试。

故障类型的覆盖要求

硬件故障模拟需还原“物理异常”。比如模拟道岔卡阻时，需用机械夹具模拟转辙机齿轮的卡滞状态；模拟信号机灯光故障时，需断开光源电路模拟灯泡烧毁；模拟电子模块故障时，需用电阻短路模拟元件过流损坏。这些模拟需使用与实际设备同型号的部件，确保故障特征与真实情况一致。

软件故障模拟需聚焦“逻辑异常”。例如，通过修改ATS系统的列车时刻表数据模拟数据溢出，验证程序对超量程输入的处理能力；通过向ATP系统输入异常速度信号，检验逻辑算法的鲁棒性。软件故障模拟需在隔离环境中进行，避免修改真实运营代码。

通信故障模拟需还原“链路异常”。用网络工具（如Wireshark）向无线链路注入10%丢包率，模拟电磁干扰下的通信延迟；通过断开有线电缆，模拟光纤断裂导致的通信中断。通信故障需覆盖“列车-地面”与“地面系统间”两类场景，确保全链路验证。

人为故障模拟需贴近“操作异常”。比如模拟操作人员误修改道岔定位参数，导致道岔错误转换；模拟调度员误发进路命令，验证系统对非法操作的拦截能力。人为故障需由经过培训的测试人员执行，确保操作流程与实际误操作一致。

故障注入的时机与场景设计

正常运营场景下，需在系统稳定时注入“单一点故障”。例如平峰时段向某区段轨道电路注入“红光带”，验证系统能否快速报警并隔离故障，不影响其他区段运行。此类场景测试系统低负载下的基础安全能力。

高峰运营场景下，需在高负载时注入“并发故障”。比如早晚高峰期间，同时模拟3台信号机故障+1段通信丢包，验证系统在高列车密度下的应对能力。此类场景最能反映系统的极限安全性能。

设备切换场景下，需在冗余切换过程中注入故障。比如主ATS服务器运行时，触发主服务器故障，同时向备用服务器注入数据同步错误，验证切换的平滑性与数据一致性。此类场景需确保切换过程中列车运行不中断。

恶劣环境场景下，需结合环境因素注入故障。比如通过向轨道电路施加模拟雨水的漏泄电流，模拟暴雨导致的轨道电路误报；通过降低信号机亮度，模拟雾霾下的信号可见度降低。此类场景需用环境模拟舱还原真实气候条件。

故障模拟的参数控制要求

故障持续时间需匹配实际统计特征。比如道岔卡阻的平均持续时间约15分钟，模拟时需设置为10-20分钟；通信丢包持续时间通常为几秒到几分钟，需根据链路特性调整。持续时间过短或过长，都会导致测试结果失真。

故障发生频率需符合概率分布。比如轨道电路“红光带”月均发生5次，模拟时可设置为每2小时1次；信号机灯光故障年发生2次，模拟时可设置为每天1次。频率设置需基于运营数据，避免“为测试而增加故障”。

故障影响范围需精准控制。模拟单台转辙机故障时，影响范围应仅限于该道岔区段；模拟区域通信故障时，影响范围应限于该区域内的列车。影响范围需通过系统拓扑分析确定，确保“最小化影响”。

故障耦合需模拟“多因素叠加”。比如同时模拟道岔卡阻+通信丢包，验证系统在“硬件+通信”故障叠加时的响应；或模拟信号机故障+操作人员误操作，检验系统对“设备+人为”错误的应对能力。耦合故障数量通常不超过3个，避免场景过于复杂。

故障响应的验证维度

报警机制需验证“及时性”与“准确性”。故障发生后，系统应在≤3秒内触发声光报警，报警信息需包含故障类型（如“道岔卡阻”）、位置（如“XX站1号道岔”）、严重程度（如“严重”），并同步显示在调度、维护终端及列车驾驶室。

降级运行需确保“安全与可用平衡”。当区域ATP故障时，系统应自动降级为“站间自动闭塞”，限制列车速度≤45km/h，确保相邻车站间只有一列列车运行。降级模式需符合《铁路信号系统安全规范》，不得出现“不安全降级”。

故障隔离需确保“最小影响”。单个轨道电路故障时，系统应仅隔离该区段，不影响相邻区段的列车进路；单台信号机故障时，系统应切换至相邻信号机的引导信号，确保列车安全通过。隔离范围需通过安全边界分析确定。

人员干预需考核“流程有效性”。故障报警后，维护人员需在≤10分钟内到达现场，≤30分钟内排除故障；调度人员需在≤5分钟内确认故障并发布应急命令。干预时间需符合运营单位的《应急处置规程》。

故障模拟的重复性与可追溯性

重复性要求“相同输入必有相同输出”。例如同一道岔卡阻故障（类型：机械卡阻；持续时间：15分钟；时间：平峰14:00），两次模拟的系统响应（报警时间、降级模式、隔离范围）需完全一致。若结果不一致，需排查参数差异，确保测试稳定。

可追溯性要求“全流程记录”。测试中需记录：故障参数（类型、时间、持续时间、影响范围）、系统响应（报警时间、降级模式、隔离结果）、人员干预（到达时间、排除时间）。记录需存储在加密数据库中，保存期限≥5年，便于后续分析与追溯。

测试用例标准化是基础。每个测试用例需包含：编号、目的、输入条件（故障参数、场景）、预期输出（系统响应、人员要求）、步骤、评判标准。测试用例需经评审，确保符合安全规范与运营需求。

故障模拟的安全防护要求

物理隔离是基础防护。测试系统需与实际运营系统使用独立的硬件、网络与电源，比如用独立信号机、轨道电路进行模拟，避免故障信号进入实际网络。物理隔离需经第三方检测，确保效果符合要求。

数据隔离需防止污染。测试数据（如模拟的“红光带”数据）需存储在独立数据库，不得与运营数据混合。数据传输需用SSL加密，避免泄露。

人员防护需保障安全。操作故障注入设备时，需戴绝缘手套、护目镜；进入现场前需确认系统断电或处于安全模式。现场需配备灭火器、急救箱，确保意外处置能力。

应急措施需覆盖“失控场景”。若测试系统失控（如模拟导致列车超速），需立即按紧急停机按钮；若影响实际运营，需启动《运营中断应急预案》，疏散乘客并修复系统。应急措施需定期演练，确保熟练操作。