城市軌道交通車輛與信號主要接口問題分析

何玉琴 張 潛

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,210017,南京∥第一作者,高級工程師)

城市軌道交通車輛與信號主要接口問題分析

何玉琴 張 潛

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,210017,南京∥第一作者,高級工程師)

總結(jié)了近10多年來南京地鐵建設(shè)過程中出現(xiàn)過的安裝接口問題和車輛與信號接口問題,梳理了需要在設(shè)計階段注意的接口事項,提出了解決途徑和建議。

城市軌道交通; 車輛; 信號; 接口

Author′s address Nanjing Metro Construction Co.,Ltd.,210017,Nanjing,China

南京地鐵自2000年開工建設(shè)以來,出現(xiàn)了不少車輛與信號接口問題。接口問題解決不當(dāng)會影響列車的功能或性能,甚至?xí)绊懥熊嚨恼＿\行。本文將10多年來南京地鐵建設(shè)中遇到的車輛與信號接口問題加以梳理。這些接口事項在設(shè)計階段就需要重點關(guān)注,并在設(shè)計階段通過充分溝通協(xié)商來解決、盡量避免在調(diào)試階段甚至在運營階段才出現(xiàn)問題。

1 安裝接口問題

南京地鐵1號線車輛出現(xiàn)過底架天線支架開裂、天線支架剛度不夠及雷達(dá)安裝位置不恰當(dāng)?shù)葯C(jī)械類問題。機(jī)械方面的問題通常在車輛運行一段時間才能暴露。新項目的天線支架不僅要做有限元計算,還要進(jìn)行疲勞試驗,以確保天線支架有足夠的強(qiáng)度、剛度及使用壽命。

支架剛度容易被忽視。一旦支架剛度不夠則在運行過程中會產(chǎn)生支架變形,從而導(dǎo)致天線開裂。

安裝雷達(dá)時需注意避免將雷達(dá)的工作面靠近輪對,以免輪對甩出的雨水污染雷達(dá)工作面。

2 車輛與信號接口問題

2.1 駕駛模式定義

在車輛設(shè)計階段,應(yīng)將司機(jī)控制器(簡為“司控器”)的駕駛模式定義及劃分詳細(xì)告知信號系統(tǒng)設(shè)計方,并提交不同駕駛模式下的司控器觸點閉合表。地鐵車輛司控器通常有模式選擇開關(guān)+司機(jī)操作手柄(DCH)和方式方向手柄+DCH兩種型式。駕駛模式包括列車自動運行(ATO)、手動駕駛(CM)、限速向前(RMF)、洗車(WM)、關(guān)斷(OFF)、限速向后(RMR)等。每個駕駛模式均包含方向信號。RMF、WM和RMR模式包含車輛的限速控制指令,使車輛根據(jù)司控器的駕駛模式進(jìn)行限速控制。其中,RMF模式限速25 km/h,WM模式限速3 km/h,RMR模式限速10 km/h。這些限速不受信號系統(tǒng)的限速控制。信號系統(tǒng)限制模式下限速25 km/h,可以與車輛的RMF模式整合在一起。DCH僅提供方向信號。其他駕駛模式需要通過按鈕或開關(guān)來切換。

ATO模式下DCH是否機(jī)械聯(lián)鎖也要提前告知信號系統(tǒng)設(shè)計方。若有機(jī)械聯(lián)鎖,則ATO模式下DCH無法操作,司機(jī)不能干預(yù)ATO駕駛;若無機(jī)械聯(lián)鎖,則車輛需要進(jìn)行電氣聯(lián)鎖設(shè)置,即在ATO模式和自動折返模式下,來自ATO的牽引和制動指令是有效的,來自DCH的指令需屏蔽。司控器通常有快速制動檔位,對于來自司控器的快速制動指令是否有效應(yīng)由車輛與信號專業(yè)設(shè)計商定。

2.2 無人自動折返時序定義

列車折返可分為ATO模式下的無人自動折返、ATP(列車自動防護(hù))監(jiān)督下的人工折返模式及限制人工折返模式、非限制人工折返模式。最復(fù)雜的折返模式是ATO駕駛模式無人自動折返。此模式下,信號系統(tǒng)應(yīng)在設(shè)計階段將折返時序提供給車輛專業(yè),并詳細(xì)說明在不同的時序下車輛應(yīng)執(zhí)行什么指令;車輛專業(yè)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)信號系統(tǒng)的時序要求繪制出相應(yīng)的繼電器、開關(guān)或按鈕的工作狀態(tài),并和信號系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計人員進(jìn)行確認(rèn),確保在理論上自動折返功能能夠?qū)崿F(xiàn);最終,須在首列列車信號系統(tǒng)調(diào)試時進(jìn)行驗證。

不同信號系統(tǒng)的無人自動折返控制邏輯不同。有的要求列車在轉(zhuǎn)換軌執(zhí)行列車換向/換端命令,列車執(zhí)行“前進(jìn)”指令;有的則要求在站臺執(zhí)行換向/換端命令,列車執(zhí)行“后退”指令。

不同的控制邏輯對車輛的要求不同,要求執(zhí)行“后退”指令的信號系統(tǒng)通常要求車輛換端時不能斷開高速斷路器,若高速斷路器(簡稱“高斷”)斷開,由于重新閉合高斷時牽引主回路中的充電回路充電需要時間,將會影響折返效率。

南京機(jī)場線首列列車在試車線上測試無人折返功能。按照無人折返的操作步驟進(jìn)行測試時,車載信號主機(jī)(VOBC)發(fā)出牽引受阻告警,施加緊急制動,系統(tǒng)未能正常進(jìn)入無人折返運行狀態(tài)。無人折返的操作步驟如下:

(1) 列車位于終點站,需要折返;

(2) 將兩個駕駛室模式選擇開關(guān)(MSS)都置于關(guān)斷位置;

(3) 司機(jī)激活無人折返請求(DMR)按鈕至少0.5 s;

(4) VOBC獲得所有的門關(guān)閉并鎖閉狀態(tài);

(5) ①司機(jī)拔掉鑰匙,并且沒有駕駛室被激活,VOBC 施加緊急制動;②VOBC輸出無人折返模式使能(DME)信號,VOBC 進(jìn)入“DTB”(無人折返)模式,VOBC輸出緩解緊急制動請求;③VOBC開始無人折返模式,輸出牽引信號,自動控制列車進(jìn)入折返軌。

經(jīng)過分析,找出了折返失敗的原因:在無人折返的第(5)步的①項,當(dāng)司機(jī)拔鑰匙,且VOBC施加緊急制動后,車輛的牽引系統(tǒng)斷開了高斷。一旦高斷斷開,緩解EB 后,需要10 s左右車輛才能執(zhí)行正常的牽引指令。所以當(dāng)無人折返操作進(jìn)入第(3)步的③項、VOBC 進(jìn)入“DTB”模式輸出緩解緊急制動的請求、并輸出牽引電流給牽引系統(tǒng)時,牽引系統(tǒng)無法立即執(zhí)ATO 牽引力輸出(要等10 s左右);在此時間內(nèi),VOBC 的牽引受阻保護(hù)功能(VOBC保護(hù)牽引系統(tǒng)的一種功能,即VOBC 輸出牽引電流9 s后,如果車輛運行距離少于1 m,則判定為牽引受阻,VOBC自動施加緊急制動)起作用,無人折返操作失敗。

可從兩個方面著手解決:一是車輛修改設(shè)計,在非蘑菇按鈕觸發(fā)的緊急制動中不斷開高斷;二是信號系統(tǒng)延遲牽引受阻保護(hù)功能的觸發(fā),但可能會影響折返效率,120 s內(nèi)難以完成無人折返功能。

2.3 列車完整性要求

信號系統(tǒng)需要車輛提供列車完整性信號。列車完整性信號通常通過車端跨接電纜的方式提供,也有的通過觸點式車鉤連接器的方式提供。由于觸點式車鉤連接器在運行中不斷承受壓力和拉力,很可能會出現(xiàn)觸點抖動現(xiàn)象。而且會極易被信號系統(tǒng)采集到(信號系統(tǒng)的掃描周期為幾十毫秒)。一旦信號系統(tǒng)采集到抖動信號,就會認(rèn)為列車完整性被破壞,進(jìn)而觸發(fā)緊急制動。

車輛專業(yè)對于列車的完整性,已做了充分考慮。一旦列車意外脫鉤,就會氣路斷開,并立即很快觸發(fā)緊急制動。有的項目還設(shè)計了“雙重保險”:在車鉤連接面上設(shè)有觸點或行程開關(guān),一旦氣路斷開,觸點就會斷開,從而觸發(fā)緊急制動。但用于車輛緊急制動回路的觸點式車鉤連接器觸點抖動不會導(dǎo)致列車觸發(fā)緊急制動,因為觸點抖動時間不足以讓緊急制動繼電器失電動作,列車的完整性不會受到影響。故建議列車完整性信號采取跨接電纜方式傳輸。

2.4 最高限速值的確定

信號系統(tǒng)的最高限速取決于線路限速。最高運行速度為80 km/h的線路實際可能只有約75 km/h。這是因為：雖然按土建專業(yè)的限速是80 km/h,但信號系統(tǒng)有安全防護(hù)距離,故最高運行速度會低于土建限速。運營方應(yīng)在初步設(shè)計階段對線路設(shè)計單位提出土建限速為85～90 km/h的要求,以保證實際最高運營速度能達(dá)到80 km/h。

車輛有超速保護(hù)。作為最后一級限速保護(hù),車輛的限速要高于信號,且不能干預(yù)信號系統(tǒng)的速度控制。車輛運行最高速度的限值需要車輛及信號系統(tǒng)共同商定。

2.5 信號冗余時的控制策略

不同的信號系統(tǒng)在ATP發(fā)生冗余故障時的控制策略各不相同，有的會輸出緊急制動指令，有的不能輸出有效控制指令,故車輛須按照其要求保持冗余前的控制指令或優(yōu)化控制指令。

如信號系統(tǒng)在ATP冗余故障時輸出緊急制動指令,則車輛根據(jù)信號系統(tǒng)的要求自動恢復(fù)運行,而不必停下來后重新起動。為此,車輛需要在設(shè)計階段結(jié)合信號系統(tǒng)發(fā)出的指令(如旁路零速、緊制復(fù)位及緊制緩解等)搭建好冗余切換成功后緊急制動自動緩解、牽引恢復(fù)的電路。

如信號系統(tǒng)在ATP冗余時不能輸出有效控制指令,也通常會要求車輛在ATP切換過程中保持冗余前的控制指令。ATP 正常切換時間為500 ms左右,且故障應(yīng)該導(dǎo)向安全。建議如果列車在冗余前處于牽引狀態(tài),則冗余過程中會改為惰行狀態(tài);如果列車在冗余前處于制動狀態(tài),則冗余過程中列車會保持制動狀態(tài);如果列車在冗余前是惰行狀態(tài),則冗余過程中列車保持惰行狀態(tài)。ATP 冗余故障瞬間,若列車在折返線及試車線線路終點區(qū)段,則司機(jī)需謹(jǐn)慎觀察,以免發(fā)生安全事故。

2.6 自動報站

列車車載廣播設(shè)有自動報站功能。在自動報站模式下,列車應(yīng)能根據(jù)位置信息和車站代碼自動進(jìn)行廣播。自動報站所需的位置信息和車站代碼來源于信號系統(tǒng)。信號系統(tǒng)應(yīng)將位置信息、車站代碼及開門側(cè)等信息提供給車輛,且不應(yīng)設(shè)置限制條件。

只要信號系統(tǒng)設(shè)備正常工作,司機(jī)既可以在ATO模式下，也可以在手動駕駛模式下選擇自動報站模式。有些線路的信號系統(tǒng)只允許車輛在ATO模式下使用自動報站功能,但列車在停站時其系統(tǒng)又必須切換到人工駕駛模式,從而導(dǎo)致自動報站功能無法使用,給司機(jī)帶來了不必要的麻煩。

除此之外,信號系統(tǒng)需在設(shè)計階段將詳細(xì)的車站代碼定義提供給車輛,有的信號系統(tǒng)設(shè)有虛擬站臺,應(yīng)一并提供給車輛,以便于準(zhǔn)確報站。

需要注意的是,為了提高服務(wù)質(zhì)量,在自動報站模式下,信號系統(tǒng)應(yīng)在起點站發(fā)車前提供目的地和下一站代碼。在此之前客室內(nèi)顯示器及目的地顯示器均顯示“××地鐵歡迎您”或其他字樣,并將動態(tài)地圖顯示黑屏,以免引起乘客誤會。

2.7 車門控制

在信號控制模式下,在不同的城市DCH激活后會有不同的處理。有的城市的DCH激活時列車尚在站臺區(qū)域且列車速度低于5 km/h則觸發(fā)緊急制動,如列車速度高于5 km/h則列車運行到下一站。有的城市全程監(jiān)控,任何時候激活DCH都會觸發(fā)緊急制動。為此，有的城市專門研究制定了相應(yīng)規(guī)范。

由于乘客遇到特殊情況激活DCH后,若列車觸發(fā)緊急制動停在區(qū)間也無法解決問題,反而會延誤事情的處理。因此，區(qū)間運行的列車不應(yīng)觸發(fā)緊急制動停車,而應(yīng)繼續(xù)運行到下一站再停車開門。

若列車在區(qū)間內(nèi)停車且無法起動,則乘客激活DCH后可由司機(jī)在延時時間內(nèi)決定是否允許乘客手動打開車門;如果司機(jī)在延時時間內(nèi)未進(jìn)行操作,則乘客可手動打開車門;若司機(jī)在延時時間內(nèi)進(jìn)行操作,則車門不可以被乘客手動打開。若列車控制電路失電,則DCH激活后應(yīng)能手動打開車門。

信號系統(tǒng)對于車門的監(jiān)控是必要的,但不一定以監(jiān)控DCH為目標(biāo)。因此,DCH激活后車門應(yīng)僅僅是解鎖,且在列車運行中乘客并不能手動打開車門,只有在零速條件下車門才能被打開。

建議車門設(shè)置“關(guān)到位”限位開關(guān),信號系統(tǒng)監(jiān)控該開關(guān),一旦“關(guān)到位”限位開關(guān)離開“門關(guān)好”位置,信號系統(tǒng)應(yīng)立即觸發(fā)緊急制動。

還有一種特殊情況:當(dāng)列車?？吭谡九_且車門打開狀態(tài)下,如果主控車載信號主機(jī)死機(jī)時,則信號系統(tǒng)會要求車門保持原來狀態(tài),而門使能信號會丟失。如車輛設(shè)計階段已考慮要求,則增加零速列車線并搭建滿足其要求的邏輯控制電路,否則車門只能執(zhí)行關(guān)閉指令。

2.8 濕軌切線方向的緊急制動減速度(GEBR)值

信號系統(tǒng)要求車輛提供濕軌條件下的GEBR值以作為信號設(shè)計安全防護(hù)距離的輸入值之一。

空氣制動屬于黏著制動,即利用車輪與軌面之間的黏著力進(jìn)行制動。車輛減速度與黏著系數(shù)之間的關(guān)系為:

(1)

式中:

ae——列車等效瞬時減速度;

μ——粘著系數(shù);

g——重力加速度;

η——防滑效率,通常大于85%。

當(dāng)車輛發(fā)生滑行時,車輛本身防滑系統(tǒng)會進(jìn)行防滑保護(hù),以防止輪對擦傷。

(2)

可見,ae與μ線性比例關(guān)系。

軌道黏著條件受到雨雪、霧霾、霜露等環(huán)境條件以及軌面潔凈程度等因素影響。同時,與平直道相比,在下坡工況下,車輛產(chǎn)生相同的減速度所需要的軌道粘著系數(shù)更大。車輛實際能夠達(dá)到的減速度與軌道黏著條件密切相關(guān),屬于客觀物理特性。在濕軌條件下,輪軌黏著條件難以保證,通常提供給信號系統(tǒng)一輛車的制動失效時的GEBR值,或者提供特定條件下GEBR值。(如南京機(jī)場線的GEBR值為0.85 m/s2,緊急制動所需黏著系數(shù)為0.14。)車輛同時要將制動過程(含響應(yīng)時間)告知信號方。車輛從收到制動命令到建立10%壓力和繼電器響應(yīng)時間(即空走時間)t10是固定的,無論制動起始速度是多少,t10都是相同的。車輛提供給信號系統(tǒng)的GEBR值要扣除t10。列車制動等效時間計算曲線見圖1。

圖1中，

式中:

t10——空走時間;

te——等效響應(yīng)時間;

t90——響應(yīng)時間;

v0——初速度;

s3——制動距離。

圖1 列車制動等效時間計算曲線

車輛提供的GEBR都是在特定條件下的數(shù)值。這在設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段要詳細(xì)說明。

2.9 滑行控制

車輛具有滑行保護(hù)功能。在制動過程中一旦檢測到輪對滑行,車輛會根據(jù)打滑嚴(yán)重程度降低制動力,以免輪對擦傷。在嚴(yán)重滑行時會將制動力降到零。車輛滑行保護(hù)控制是為了更好地利用最大黏著力,有效控制制動距離。在ATO模式下,由于車輛滑行保護(hù)時的制動力會降低,故短時間內(nèi)達(dá)不到信號系統(tǒng)所要求的減速度。信號系統(tǒng)若因此要求加大減速度將會導(dǎo)致車輛滑行加劇,難以恢復(fù)到正常狀態(tài)。故信號系統(tǒng)在設(shè)計階段要慎重考慮車輛滑行時的控制策略,根據(jù)車輛發(fā)送的滑行信號進(jìn)行控制。

在設(shè)計階段用戶要關(guān)注信號供應(yīng)商對車輛滑行期間的控制策略,要防止在ATO模式下因滑行而引發(fā)緊急制動。尤其在高架和地面線路上,由于這種線路在不良天氣下易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,故信號系統(tǒng)應(yīng)在設(shè)計階段充分考慮安全可靠的控制策略,否則會出現(xiàn)區(qū)間緊急制動或站臺區(qū)域緊急制動沖標(biāo),進(jìn)而影響正常運營。雖然有的信號系統(tǒng)有“雨天”模式,且會在“雨天”模式下采用較小的制動力以降低滑行幾率,但如果控制策略不合理,依然會出現(xiàn)緊急制動,甚至在區(qū)間內(nèi)發(fā)生緊急制動。

車載信號系統(tǒng)的測速方法通常采用雙速度傳感器或速度傳感器加雷達(dá)的方式。由于列車運行距離通過測速來計算,故當(dāng)列車發(fā)生嚴(yán)重滑行時速度傳感器測速誤差會比較大,計算距離和實際運行的距離誤差會比較大。這樣,信號系統(tǒng)地面應(yīng)答器在核對列車位置時會無法確認(rèn)列車位置,從而觸發(fā)緊急制動。若采用速度傳感器加雷達(dá)的方式,則由于雷達(dá)測速方式不受滑行影響,測速比較準(zhǔn)確,不容易產(chǎn)生較大的誤差。故建議信號系統(tǒng)采用速度傳感器加雷達(dá)的測速方式。

2.10 緊急制動旁路在ATP監(jiān)控下的使用

根據(jù)多年的運營經(jīng)驗,有些車輛故障會引發(fā)緊急制動,但大多數(shù)情況下牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)并無故障,是可用的,且通過旁路緊急制動回路可以讓列車依靠自身動力回庫,避免救援。

從運營的角度來說,在ATP 功能正常的情況下,緊急制動旁路應(yīng)在ATP 監(jiān)控下使用(在制動旁路電路增加ATC 緊急制動觸點)。這樣便于司機(jī)監(jiān)控速度,使行車更安全。

信號系統(tǒng)供應(yīng)商認(rèn)為緊急制動旁路時應(yīng)切除信號系統(tǒng)；因為車輛故障狀態(tài)下無法判斷制動性能是否正常,也無法判斷能否保障列車所需的安全制動距離。為此,用戶和供應(yīng)商要充分溝通、互相理解。

在南京地鐵項目中,首先,經(jīng)過協(xié)商,由用戶向信號系統(tǒng)供應(yīng)商提供緊急制動旁路裝置使用規(guī)定;然后,由信號系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行安全評估;最后,供應(yīng)商同意了用戶的需求。而南京地鐵車輛設(shè)計方在設(shè)計控制電路時就將此功能加入了控制電路。

[1] 郝海龍,何慶復(fù),柳擁軍.無人駕駛地鐵輕軌列車中的輪軌粘著問題[J].鐵道機(jī)車車輛,2005,25(3):32-35.

[2] CENELEC Internal Regulations.Railway applications-Braking-Mass transit brake system Part 1:Performance requirements:EN 13452-1 [S].Brussels：CEN,2003.

Analysis of Key Issues on Interfaces between Subway Vehicle and Signaling System

HE Yuqin, ZHANG Qian

The main problems related to interfaces between vehicle and signaling system during the subway construction in Nanjing City in the past 10 years are summarized,key points in the design phase of subway interfaces are emphasized,solutions and suggestions are proposed.

urban rail transit; vehicle; signaling; interface

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.12.027

2016-07-25)