地鐵列車無(wú)人自動(dòng)折返失敗的原因分析及改進(jìn)措施

侯向陽(yáng)

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，710016，西安//工程師)

列車的折返能力是制約整條地鐵線路(環(huán)形線路除外)運(yùn)營(yíng)能力的關(guān)鍵。西安地鐵3號(hào)線列車正線試運(yùn)行期間，在終點(diǎn)站折返線DTRO(無(wú)人自動(dòng))折返的過(guò)程中，多次出現(xiàn)ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)給出牽引指令，但列車無(wú)法動(dòng)車的情況。該情況將導(dǎo)致列車DTRO折返失敗，車輛無(wú)法從折返軌自動(dòng)牽出，進(jìn)而影響自動(dòng)折返的效率。

1 列車自動(dòng)折返概述及原理

1.1 列車自動(dòng)折返概述

西安地鐵3號(hào)線采用西門(mén)子基于無(wú)線通信技術(shù)的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)車地雙向通信傳輸采用開(kāi)放空間無(wú)線方式，且利用計(jì)軸系統(tǒng)及歐式應(yīng)答器作為后備列車占用檢測(cè)設(shè)備。其采用的西門(mén)子CBTC(基于通信的列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)主要包含車載子系統(tǒng)(含車載ATO、車載ATP(列車自動(dòng)保護(hù)))、ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)子系統(tǒng)、軌旁ATP系統(tǒng)以及DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))無(wú)線傳輸系統(tǒng)等。

列車DTRO折返是采用一定的車輛設(shè)備、信號(hào)設(shè)備、固定設(shè)備實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)折返方式，它與列車行車組織方法有著密切的關(guān)系。而折返站的折返能力是地鐵線路通過(guò)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其直接影響著全線的通過(guò)能力，甚至限制線路運(yùn)輸能力的有效發(fā)揮。

1.2 列車自動(dòng)折返原理

在有自動(dòng)折返功能的車站，ATP/ATO車載計(jì)算機(jī)單元具備指示列車自動(dòng)折返操作準(zhǔn)備完畢、利用自動(dòng)折返按鈕啟動(dòng)折返操作以及執(zhí)行折返運(yùn)行的功能。當(dāng)車門(mén)關(guān)閉、司機(jī)主控鑰匙處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，ATP/ATO車載計(jì)算機(jī)單元得到一個(gè)移動(dòng)授權(quán)，ATO即會(huì)駕駛列車進(jìn)入折返軌。當(dāng)列車停穩(wěn)，ATP/ATO車載計(jì)算機(jī)單元便會(huì)執(zhí)行交換駕駛室功能。當(dāng)新的進(jìn)路設(shè)定后，ATP/ATO車載計(jì)算機(jī)單元從ATP軌旁計(jì)算機(jī)單元得到移動(dòng)授權(quán)，ATO即會(huì)駕駛列車駛?cè)胲囌鞠喾磦?cè)的站臺(tái)。當(dāng)列車再次停穩(wěn)后，司機(jī)確認(rèn)車門(mén)/屏蔽門(mén)開(kāi)啟后激活司機(jī)室。

2 列車DTRO折返失敗故障調(diào)查

從列車監(jiān)控系統(tǒng)下載的列車運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)可判定，當(dāng)列車進(jìn)站后，其在折返軌兩端司機(jī)室的換端過(guò)程中產(chǎn)生緊急制動(dòng)，此時(shí)緊急制動(dòng)繼電器失電導(dǎo)致高速斷路器(HSCB)斷開(kāi)；當(dāng)緊急制動(dòng)信號(hào)得電后HSCB再次自動(dòng)閉合，且在HSCB閉合之前列車給出牽引指令，導(dǎo)致列車自動(dòng)折返失敗。

表1 列車運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)表

表1列車運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)顯示：列車在自動(dòng)折返的過(guò)程中，于14:25:35由自動(dòng)折返繼電器控制的司機(jī)室激活信號(hào)由Tc 1車激活變?yōu)門(mén)c 2車激活，此時(shí)列車產(chǎn)生緊急制動(dòng)(0.2 s后緊急制動(dòng)自動(dòng)緩解)；同時(shí)列車高速斷路器(HSCB)斷開(kāi)(即牽引系統(tǒng)線路接觸器(KIC)觸點(diǎn)斷開(kāi))，列車于14:25:39給出ATO牽引指令，此時(shí)列車速度無(wú)變化，HSCB于14:25:40閉合，然后按照牽引逆變器充電時(shí)序，閉合預(yù)充電接觸器，并對(duì)牽引逆變器充電。

3 列車自動(dòng)折返故障原因分析

3.1 概述

根據(jù)車輛設(shè)計(jì)安全要求，當(dāng)列車主動(dòng)施加(人工施加或緊急制動(dòng)按鈕施加)緊急制動(dòng)時(shí)，為避免脫軌、撞車等重大事故，列車應(yīng)具備以下條件：

(1) 必須斷開(kāi)牽引供電系統(tǒng)。

(2) 電氣列車如采用接觸網(wǎng)供電，必須降弓以斷開(kāi)接觸網(wǎng)；如采用第三軌，供電系統(tǒng)必須斷開(kāi)受電靴。

(3) 禁止使用電氣制動(dòng)系統(tǒng)。

(4) 列車停車靜止前禁止緩解制動(dòng)。

同時(shí)根據(jù)西安地鐵3號(hào)線車輛設(shè)計(jì)，在人工緊急制動(dòng)按鈕施加緊急制動(dòng)的工況下，列車不具備切斷供電導(dǎo)向安全的相關(guān)緊急制動(dòng)聯(lián)鎖。因此，西安地鐵3號(hào)線緊急制動(dòng)工況下，切斷供電導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)由牽引系統(tǒng)控制，且牽引系統(tǒng)必須與HSCB分開(kāi)。

3.2 牽引系統(tǒng)電路原理分析

牽引系統(tǒng)采集緊急制動(dòng)列車線，且為繼電器Q-NEB線圈供電，該系統(tǒng)用以在緊急制動(dòng)工況下控制高速斷路器的斷開(kāi)與閉合。牽引系統(tǒng)緊急制動(dòng)采集電路如圖1所示。

HSCB保持電路如圖2所示。由圖2可知，繼電器Q-NEB的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)用于控制高速斷路器保持電路的電源，且通過(guò)切斷LO-HOLD的供電斷開(kāi)高速斷路器；繼電器Q-NEB的另一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)直接送給牽引控制單元，牽引控制單元用以檢測(cè)牽引系統(tǒng)緊急制動(dòng)的狀態(tài)、逆變器控制以及故障診斷。

圖1 牽引系統(tǒng)緊急制動(dòng)采集電路圖

圖2 HSCB保持電路圖

3.3 列車折返失敗原因分析

3.3.1 牽引控制單元未檢測(cè)到緊急制動(dòng)信號(hào)情況

牽引控制單元檢測(cè)緊急制動(dòng)信號(hào)的周期為100 ms，高速斷路器保持失電動(dòng)作時(shí)間為10 ms左右。如果在100 ms范圍內(nèi)緊急制動(dòng)失電恢復(fù)，則高度斷路器分開(kāi)，此時(shí)牽引控制單元有一定幾率檢測(cè)不到緊急制動(dòng)失電再恢復(fù)。但同時(shí)牽引控制單元收到了高速斷路器已斷開(kāi)信號(hào)，因?yàn)闄z測(cè)到外部指令(緊急制動(dòng)失電再恢復(fù)現(xiàn)象)導(dǎo)致高速斷路器斷開(kāi)情況，所以會(huì)給出hscb_selftrip故障記錄，如果此故障發(fā)出，則需要延時(shí)30 s才允許閉合高速斷路器，這樣就有可能使列車在30 s內(nèi)無(wú)法動(dòng)車。

出現(xiàn)100 ms以內(nèi)的緊急制動(dòng)丟失再恢復(fù)，就會(huì)導(dǎo)致高速斷路器在30 s內(nèi)無(wú)法閉合，因此影響折返效率。列車電路必需確保列車在進(jìn)入折返軌換端的過(guò)程中，不施加緊急制動(dòng)(最優(yōu)方案)，或者施加緊急制動(dòng)的時(shí)間大于120 ms。

3.3.2 牽引控制單元檢測(cè)到緊急制動(dòng)信號(hào)情況

牽引逆變器檢測(cè)到的高速斷路器分開(kāi)的現(xiàn)象是由列車緊急制動(dòng)環(huán)線斷開(kāi)導(dǎo)致。如果緊急制動(dòng)失電再恢復(fù)時(shí)間為100 ms以上，則高速斷路器分開(kāi)。此時(shí)牽引控制單元檢測(cè)到緊急制動(dòng)失電，此情況是由緊急制動(dòng)工況導(dǎo)致的高速斷路器斷開(kāi)而導(dǎo)致的。在延時(shí)2 s后，如果檢測(cè)到緊急制動(dòng)信號(hào)恢復(fù)，則高速斷路器閉合，此時(shí)啟動(dòng)預(yù)充電流程，牽引逆變器進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，整個(gè)準(zhǔn)備過(guò)程需要6 s。

當(dāng)列車緊急制動(dòng)緩解后，牽引系統(tǒng)執(zhí)行以下操作：

(1) 第一步：閉合高速斷路器且開(kāi)始預(yù)充電，預(yù)充電完成后給出預(yù)充電完成信號(hào)(此時(shí)間持續(xù)6～8 s)，且在預(yù)充電完成且信號(hào)收到后給出牽引系統(tǒng)OK信號(hào)。

(2) 第二步：預(yù)充電完成的同時(shí)，在檢測(cè)到牽引授權(quán)信號(hào)、預(yù)充電完成信號(hào)、方向指令信號(hào)等存在的情況下，開(kāi)始檢測(cè)牽引指令；如果牽引指令由0變?yōu)?，則認(rèn)為牽引指令為真，并施加牽引力。如果在高速斷路器閉合及預(yù)充電完成之前收到牽引指令，則牽引系統(tǒng)忽略此指令，此時(shí)不施加牽引力。僅在牽引系統(tǒng)完成準(zhǔn)備的情況下，檢測(cè)到牽引指令由0變?yōu)?，則認(rèn)為此指令為真，并施加牽引力。

由列車緊急制動(dòng)環(huán)線斷開(kāi)而導(dǎo)致的高速斷路器分開(kāi)是目前自動(dòng)折返失敗的主要原因。當(dāng)列車進(jìn)入折返軌后，在兩端司機(jī)室換端操作的過(guò)程中，列車出現(xiàn)緊急制動(dòng)環(huán)線失電再得電的現(xiàn)象，即頭車AR(自動(dòng)折返繼電器)斷開(kāi)后，尾車AR未立即吸合。因此牽引系統(tǒng)須隨之?dāng)嚅_(kāi)并重新閉合高速斷路器。若在高速斷路器重新閉合、牽引系統(tǒng)預(yù)充電的過(guò)程中，ATO子系統(tǒng)給出牽引指令，但鑒于安全導(dǎo)向，牽引系統(tǒng)忽略此牽引信號(hào)。在牽引系統(tǒng)完成準(zhǔn)備工作后，未檢測(cè)到牽引指令的變化，無(wú)法施加牽引力，導(dǎo)致列車自動(dòng)折返失敗。在牽引系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)完備的情況下，再收到ATO子系統(tǒng)的牽引指令，才會(huì)允許發(fā)車。

4 列車自動(dòng)折返改進(jìn)措施

列車自動(dòng)折返失敗的原因在于司機(jī)室在換端的過(guò)程中產(chǎn)生了緊急制動(dòng)，進(jìn)而使?fàn)恳到y(tǒng)進(jìn)入緊急制動(dòng)施加又緩解的操作流程。該情況導(dǎo)致在高度斷路器閉合之前ATO子系統(tǒng)給出牽引指令，且系統(tǒng)判斷此牽引指令無(wú)效而無(wú)法施加牽引力。針對(duì)此問(wèn)題，可通過(guò)以下兩個(gè)方面進(jìn)行整改。

4.1 車輛控制電路

車輛控制電路增加AR常開(kāi)觸點(diǎn)，旁路由于列車換端給牽引系統(tǒng)緊急制動(dòng)信號(hào)。這樣當(dāng)AR得電時(shí)，即使司機(jī)室未激活，車輛側(cè)也不會(huì)施加緊急制動(dòng)指令，此時(shí)牽引系統(tǒng)將不會(huì)分開(kāi)高速斷路器；當(dāng)司機(jī)或信號(hào)系統(tǒng)在AR模式下主動(dòng)施加緊急制動(dòng)后，列車會(huì)通過(guò)緊急制動(dòng)繼電器切除牽引授權(quán)信號(hào)和牽引指令，在整個(gè)過(guò)程中，制動(dòng)系統(tǒng)不受此旁路的影響，仍會(huì)施加緊急制動(dòng)。

圖4 車輛設(shè)計(jì)電路整改方案

4.2 信號(hào)控制

在上述電路自動(dòng)折返過(guò)程中，AR旁路牽引系統(tǒng)緊急制動(dòng)信號(hào)的功能的完成，需要信號(hào)本端及遠(yuǎn)端AR在吸合上有一定的重合時(shí)間(建議2 s)。當(dāng)進(jìn)行換端操作時(shí)，不存在所有AR同時(shí)失電的情況，這樣牽引系統(tǒng)收到緊急制動(dòng)信號(hào)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生失電的情況，進(jìn)而確保列車自動(dòng)折返功能正常使用。

5 結(jié)語(yǔ)

地鐵使用列車折返能力是制約整條地鐵線路運(yùn)營(yíng)能力的關(guān)鍵。西安地鐵3號(hào)線列車在自動(dòng)折返司機(jī)室換端過(guò)程中施加了緊急制動(dòng)，進(jìn)而牽引系統(tǒng)進(jìn)入緊急制動(dòng)施加及緩解的操作流程，使得列車在出折返軌時(shí)因無(wú)法施加牽引力而導(dǎo)致自動(dòng)折返失敗。鑒于列車自動(dòng)折返緊急制動(dòng)并非主動(dòng)施加，因此可通過(guò)電路控制和信號(hào)控制等措施對(duì)列車緊急制動(dòng)工況進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)TCMS運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)跟蹤,有效解決了自動(dòng)折返失敗的問(wèn)題,提高列車DTRO自動(dòng)折返的效率，保證地鐵列車正點(diǎn)運(yùn)營(yíng)。