CBTC在跨座式單軌交通系統(tǒng)制式中的應(yīng)用

徐 鼎

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100055)

1 跨座式單軌交通系統(tǒng)概述

重慶軌道交通3號線(以下簡稱“3號線”)采用跨座式單軌交通制式，該單軌系統(tǒng)起源于日本，在國內(nèi)首次應(yīng)用于重慶軌道交通2號線(以下簡稱“2號線”)。日本國內(nèi)及日本之外的單軌線路(包括重慶2號線)信號系統(tǒng)均采用基于TD(train detect)環(huán)線的列車控制系統(tǒng)，而重慶3號線信號系統(tǒng)采用了目前在鋼輪鋼軌制式中廣泛采用的基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)。

跨座式單軌交通系統(tǒng)，以高強(qiáng)度混凝土梁作為車輛運(yùn)行的軌道，采用跨座式單軌車輛，車輛的走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪均采用充氣橡膠輪胎;單軌交通制式占地面積少、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小，非常適合山城山高坡陡、彎多路窄的地形條件;由于取消了傳統(tǒng)的鋼軌和鋼輪，大大減小了車輪與鋼軌間的噪聲，改善了城市公共環(huán)境和居住條件。

2 CBTC在單軌交通制式中的應(yīng)用

CBTC在單軌交通制式中的應(yīng)用原理與鋼輪鋼軌的控制原理完全一致，功能需求也基本相同。但單軌交通制式與鋼輪鋼軌制式的車輛及軌旁環(huán)境完全不同，大多數(shù)在鋼輪鋼軌制式中廣泛應(yīng)用的信號設(shè)備在單軌制式中都不能直接應(yīng)用，或者根本不能應(yīng)用，比如軌道電路。因此，CBTC在單軌應(yīng)用中主要面對的是車載、軌旁設(shè)備選型及安裝等工程應(yīng)用方面的問題。以下從幾個方面進(jìn)行分析，包括軌旁設(shè)備綜合安裝平臺、計(jì)軸設(shè)備在單軌制式中的應(yīng)用、應(yīng)答器在單軌制式中的應(yīng)用、單軌車輛測速裝置的選擇、防止車輛誤出發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1 軌旁設(shè)備綜合安裝平臺

CBTC在軌旁有計(jì)軸、應(yīng)答器、信號機(jī)、AP天線等設(shè)備，圖1為重慶軌道交通2號線高架線路狀況。

圖1 重慶軌道交通2號線

2號線信號機(jī)安裝平臺是一個預(yù)先澆注并與蓋梁為一體的混凝土平臺，雖然牢固但需預(yù)先澆注，這要求在土建施工階段就必須確定軌旁設(shè)備的位置。由于AP天線、應(yīng)答器必須在軌通后經(jīng)過定測才能確定實(shí)際位置，因此該方案實(shí)施難度很大。

3號線軌旁綜合設(shè)備安裝平臺需要有以下特點(diǎn):牢固、靈活，安裝使用方便。具體方案如下:在每個橋墩的蓋梁端部預(yù)埋4根鋼質(zhì)套筒，4根套筒與1塊鋼板焊接，以增加強(qiáng)度。與套筒配套的是M20的8.8級螺栓，每個螺栓可承受10 t的拉力。經(jīng)過抗拔實(shí)驗(yàn)，證明預(yù)埋套筒是牢固可靠的。

2.2 計(jì)軸設(shè)備在單軌制式中的應(yīng)用

2.2.1 計(jì)軸設(shè)備的使用情況

目前，國內(nèi)所有CBTC系統(tǒng)均配備列車輔助位置檢測設(shè)備，鋼輪鋼軌一般采用計(jì)軸作為列車輔助位置檢測設(shè)備。但是，所有計(jì)軸設(shè)備只適用于鋼輪鋼軌，并無適用于單軌制式的產(chǎn)品。

在研究了紅外線檢測、激光對射檢測等方式后，經(jīng)過比選得出結(jié)論:對計(jì)軸設(shè)備進(jìn)行再開發(fā)改造，最適合于單軌制式。

要在單軌上使用計(jì)軸需解決3個問題:一是在單軌車上找到一個合適的可以切割磁力線的物體，普通列車及工程車均需有這樣的物體，而且相對軌道應(yīng)在同一位置上;二是在軌旁相應(yīng)位置，要有安裝發(fā)送及接受磁頭的條件;三是在新的使用環(huán)境下，驗(yàn)證計(jì)軸仍可以安全可靠地使用。

2.2.2 檢測物體的選擇確定

由于跨座式單軌車輛的走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪均采用充氣橡膠輪胎等非金屬材料，所以無法使用車輛的走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪來影響電磁場的磁力線分布。單軌車輛的車輪位置如圖2所示。

圖2 單軌車輛的車輪位置

通過對運(yùn)行車體的研究分析，最后確定采用檢測跨座式單軌車輛側(cè)面穩(wěn)定輪的應(yīng)急鋼輪的辦法來判斷車輛。應(yīng)急鋼輪比穩(wěn)定輪直徑略小，平時與軌道梁有一段距離，當(dāng)穩(wěn)定輪氣壓不足或故障時，可作為車輛應(yīng)急之用。此鋼輪在車體上的數(shù)量和物理位置是固定的，在車輛運(yùn)行過程中其位置和軌道梁側(cè)面的相對距離變化極小，非常適合于電磁傳感器檢測。

2.2.3 計(jì)軸設(shè)備的安裝方式

采用固定支架將發(fā)送磁頭安裝于軌道梁下部，利用預(yù)埋固定套筒將接收磁頭安裝于軌道梁中部凹面的斜面上，跨座式單軌車輛的穩(wěn)定輪的應(yīng)急鋼輪在此間運(yùn)行來切割磁力線，使磁場的相位發(fā)生改變。圖3表示鋼輪、電磁傳感器、軌道梁之間的關(guān)系，圖4為3號線車輛段計(jì)軸實(shí)際安裝現(xiàn)場。

圖3 計(jì)軸的安裝位置

圖4 單軌計(jì)軸的實(shí)際安裝現(xiàn)場

2.2.4 計(jì)軸設(shè)備的應(yīng)用試驗(yàn)

在單軌中使用計(jì)軸設(shè)備，其環(huán)境相比鋼輪鋼軌有以下變化:一是發(fā)送與接收磁頭間的距離由270 mm左右增加到450 mm左右;二是計(jì)軸周邊環(huán)境有變化，如無鋼軌、背面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。

為了驗(yàn)證計(jì)軸在單軌制式使用時是否安全可靠，在2號線試車線安裝了兩個計(jì)軸設(shè)備進(jìn)行長期試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，對整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的接收電壓進(jìn)行有模、無模狀態(tài)的電壓值測試，測試結(jié)果均符合相應(yīng)的技術(shù)要求，見表1～表2。

表1 室外檢測點(diǎn)的指標(biāo)測試

表2 室內(nèi)主機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)測試

雖然使用環(huán)境和安裝方式發(fā)生了變化，但是計(jì)軸的基本檢測原理并未變化，接收信號由55～300 mV減小到55～100 mV，仍在指標(biāo)范圍內(nèi)，故其安全性和可靠性并未改變。接收信號的減弱是由于磁頭間距離變大及磁頭背后有大量鋼筋，導(dǎo)致磁通量減少。

2.3 應(yīng)答器在單軌制式中的應(yīng)用

3號線采用的是歐標(biāo)應(yīng)答器。鋼輪鋼軌應(yīng)答器一般安裝在軌道中間，而單軌制式應(yīng)答器只能安裝在軌道梁側(cè)面。

圖5所示為蓋梁的安裝方式，應(yīng)答器水平安裝在蓋梁或支架上，這類似于鋼輪鋼軌，應(yīng)答器與BTM(應(yīng)答器傳輸單元)天線作用方向垂直于地面。

經(jīng)過比較分析，蓋梁安裝方式擺脫了軌道梁，不需要在軌道梁上預(yù)埋任何裝置，有利于工程的順利實(shí)施。另外，安裝空間較大，受車輛限界和其他限界影響小。因此，最終3號線選擇了蓋梁安裝方式。

圖5 橋墩蓋梁的安裝方式

右線應(yīng)答器安裝在線路內(nèi)側(cè)蓋梁上，左線應(yīng)答器通過支架安裝在前面提到的軌旁設(shè)備綜合安裝平臺上。BTM天線安裝于單軌車輛腹板底部，腹板與單軌車輛通過鉸鏈連接，維修時腹板將向上打開。

由于單軌車輛采用膠輪制式，它的上下、側(cè)傾幅度都比鋼輪車輛的大，就是說其應(yīng)答器與BTM天線在垂直及水平作用的范圍內(nèi)均比鋼輪鋼軌發(fā)生了很大變化。歐標(biāo)應(yīng)答器應(yīng)用于鋼輪鋼軌的一般作用范圍為:垂直范圍195～463 mm，水平范圍0～±180 mm。為了滿足單軌制式的需求，對應(yīng)答器和BTM天線的參數(shù)均做了相應(yīng)調(diào)整，使之在更大的作用范圍內(nèi)正常工作。表3為調(diào)整完成后的測試結(jié)果。

表3 單軌應(yīng)答器的測試結(jié)果

測試數(shù)據(jù)表明，歐標(biāo)應(yīng)答器在3號線的安裝環(huán)境下，應(yīng)答器的參數(shù)變化較小，不影響現(xiàn)場應(yīng)用。

2.4 單軌車輛測速裝置的選擇

2.4.1 列車測速裝置

列車測速裝置主要有以下3種:測速電機(jī)、多普勒雷達(dá)及加速度計(jì)。

日式單軌車輛也采用測速電機(jī)。測速電機(jī)安裝于齒輪箱側(cè)面，通過檢測齒輪的齒運(yùn)動達(dá)到測速目的。重慶2號線采用的測速電機(jī)型號為SMG-135-D(見圖6)，車輪每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生49個脈沖信號。由于其測速精度依賴于齒輪的齒數(shù)，7 km/h以下的測速精度基本不可靠，且不能檢測列車倒退，因此存在較大的安全隱患。

圖6 SMG-135-D型測速電機(jī)

2.4.2 單軌車輛測速裝置

為了提高測速精度，3號線采用AG20型測速電機(jī)，依然安裝在齒輪箱側(cè)面。車輪每旋轉(zhuǎn)一圈，AG20會產(chǎn)生180個脈沖信號。測速精度的提高有賴于車輪每轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的脈沖信號數(shù)量，因此AG20通過皮帶，由齒輪中心軸帶動其軸承旋轉(zhuǎn)，這樣所產(chǎn)生的脈沖信號數(shù)量就不依賴于齒輪齒數(shù)，可達(dá)到較高的測速精度，從而基本與鋼輪鋼軌相當(dāng)。

2.5 防止車輛誤出發(fā)功能的實(shí)現(xiàn)

由于單軌道岔的未開通方向處于斷軌狀態(tài)，一旦列車司機(jī)誤操作，就會闖紅燈駛向未開通的道岔，發(fā)生掉軌、列車顛覆等嚴(yán)重事故。實(shí)現(xiàn)防止車輛誤出發(fā)功能，就是為了防止列車在車輛段由于司機(jī)駕駛失誤而闖入未開通道岔方向進(jìn)路。

在車輛段每架信號機(jī)前設(shè)置有源應(yīng)答器，可以反映前方信號機(jī)的狀態(tài)。當(dāng)列車通過有源應(yīng)答器時，可接收到信號機(jī)的狀態(tài)信號;如果為紅燈信號，則實(shí)施緊急制動，保證列車在信號機(jī)前制動停車。應(yīng)答器設(shè)置在信號機(jī)前32.4 m處(該距離包含列車15 km/h速度制動距離加安全距離)，以保證列車能夠在信號機(jī)前停車。

3 結(jié)語

經(jīng)過以上分析，可以得出結(jié)論:CBTC完全可以應(yīng)用于單軌交通系統(tǒng)制式。另外，建議在今后單軌項(xiàng)目中配置有源應(yīng)答器，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式ATP后備方案。

［1］重慶軌道交通設(shè)計(jì)院，北京城建設(shè)計(jì)研究總院，北京交通大學(xué).CBTC在重慶應(yīng)用研究驗(yàn)收研究報(bào)告［R］.重慶，2006.

［2］蔣先進(jìn)，文成祥，穆紅普，等.計(jì)軸設(shè)備在重慶單軌交通3號線的應(yīng)用方案研究［J］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2008(3):22-24.

［3］重慶市軌道交通三號線一期工程信號系統(tǒng)合同文件:技術(shù)規(guī)格書［G］.重慶，2008.

［4］重慶單軌三號線一期信號工程信號系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)［G］.重慶，2007.

［5］重慶單軌三號線一期信號工程微機(jī)計(jì)軸設(shè)備初步試驗(yàn)報(bào)告［R］.重慶，2009.

［6］重慶單軌三號線一期信號工程軌旁無線場強(qiáng)測試報(bào)告［R］.重慶，2010.

［7］重慶單軌三號線一期信號工程應(yīng)答器測試報(bào)告［R］.重慶，2010.