信號系統(tǒng)與車輛緊急制動接口分析

崔志民

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 緊急制動功能原理

軌道交通連續(xù)列車控制級別（Continuous Based Train Control，CBTC）信號系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)之間電氣設(shè)計包含列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）開關(guān)輸入量、ATP 安全輸出量、ATP 非安全輸出量、列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）輸入輸出量等接口內(nèi)容。其中ATP 安全輸出的緊急制動與車輛接口設(shè)計最復(fù)雜、同時也是最重要的功能之一，本文將針對這一功能實現(xiàn)進行分析。

車輛緊急制動列車線為貫穿于全列車的列車環(huán)路，列車緊急制動指令線從頭車開始直至尾車，再由尾車回到頭車，利用雙線雙斷的安全原則保證緊急制動指令的準確實施，是車輛保證安全的最后一道關(guān)。緊急制動系統(tǒng)完全是遵循以“故障導(dǎo)向安全”為原則進行設(shè)計的，采用純空氣制動。在設(shè)計上是完全獨立于列車的常用制動系統(tǒng)之外的獨立系統(tǒng)。這樣就可以保證即使在常用制動系統(tǒng)發(fā)生故障時，也不會影響到緊急制動的實施。緊急制動指令線采用“失電緊急，得電緩解”的形式。

2 緊急制動原理分析

以下通過西安某地鐵項目設(shè)計實例簡要分析信號系統(tǒng)與車輛緊急制動接口設(shè)計。

2.1 緊急制動施加

貫穿整個列車的DC110 V 連續(xù)電源線控制緊急制動系統(tǒng)，環(huán)路中任何一個節(jié)點斷開，都能保證緊急制動指令線失電，所有車立即實施緊急制動，緊急制動環(huán)路失電后會使緊急制動繼電器EBR1 和EBR2 掉電。

車輛的緊急制動作為一個安全保障功能，車輛在無主風(fēng)缸壓力、無方向手柄、超速、司機未按警惕按鈕、司機按下緊急制動按鈕等多種車輛故障工況下都會輸出緊急制動。信號ATP 系統(tǒng)作為安全控制系統(tǒng)，也會有兩個節(jié)點串入緊急制動的環(huán)路當中。當信號設(shè)備發(fā)生故障、測試設(shè)備失效、闖紅燈、應(yīng)答器相關(guān)故障、ZC 通信中斷、移動授權(quán)超時、運動中車門或站臺門打開、超速、列車溜車、無意識移動等多種信號相關(guān)故障時，兩個節(jié)點同時斷開，向車輛輸出緊急制動。

2.2 緊急制動緩解

當緊急制動環(huán)路中所有節(jié)點閉合，整個DC110 V電源線得電時，所有車的緊急制動緩解。緩解緊急制動與司機操作便利性及列車運行安全關(guān)系密切。如圖1所示，緊急制動繼電器EBR1 的節(jié)點也串聯(lián)接入了緊急制動的環(huán)路之中，當列車發(fā)生緊急制動時，兩個緊急制動繼電器失電，導(dǎo)致緊急制動繼電器EBR1中的B2-C2 與B3-C3 節(jié)點斷開。若要緩解緊急制動，需要故障消除，即故障節(jié)點閉合，同時需要滿足列車停穩(wěn)，輸出零速，零速繼電器吸起。目前很多地鐵項目基于安全考慮，會要求司機在列車停穩(wěn)后將牽引制動手柄置于快速制動（Fast Braking，F(xiàn)B）位置，進行一次人工確認，如圖1 所示。更有項目加入了確認按鈕，需要按下確認按鈕進行二次確認。此類設(shè)計加強了列車安全性，但同時也增加了司機操作的復(fù)雜性。ATP 系統(tǒng)作為安全系統(tǒng)，在列車功能完好、ATP 功能正常的情況下，能夠保證列車行駛的安全性，因此可使用兩個ATP 激活節(jié)點— 即圖1中ATP 激活繼電器B3-C3 節(jié)點將環(huán)路中的快速制動繼電器3-13 節(jié)點進行旁路，當ATP 正常激活時，車停穩(wěn)后，無需通過司機操作即可緩解緊急制動（此功能需要與如圖3 所示中的快速制動手柄僅控制本端繼電器配合設(shè)計達成）。如果業(yè)主要求在ATP 防護情況下也必須由司機進行人工確認緩解，此節(jié)點需換成無人自折繼電器節(jié)點，以滿足無人自動折返時的緩解緊急制動需求。

2.3 警惕產(chǎn)生的緊急制動

警惕按鈕主要作用是在ATP 監(jiān)督下人工駕駛模式或非限制人工駕駛模式時，若司機出現(xiàn)因精力不集中、精神不振、瞌睡打盹或者意外傷病引發(fā)的喪失操縱能力等情況時握緊和松開警惕按鈕超過限定時間，警惕延時繼電器將會動作失電，如圖2 所示，警惕延時繼電器的4-12 節(jié)點串聯(lián)接入圖3 中列車安全環(huán)路中，此時導(dǎo)致安全環(huán)路繼電器失電，安全環(huán)路繼電器中B1-C1 節(jié)點接入圖1 中的緊急制動環(huán)路中，此時列車將自動施加緊急制動，保證列車運行安全。而在ATO 模式時，由于列車為自動駕駛，不需人工操作列車的牽引制動，如果仍然要求司機操作手柄，更容易導(dǎo)致司機產(chǎn)生抵抗心理，不利于司機長期駕駛，因此可以采用ATO 模式繼電器中的一組節(jié)點，旁路手柄警惕按鈕功能，解決ATO模式下不按警惕按鈕可能導(dǎo)致的緊急制動。

2.4 無人自折中的緊急制動

信號車載系統(tǒng)進行無人自動折返時，列車兩端都處于無鑰匙狀態(tài)，牽引制動手柄位于N 位（非FB 位），方向手柄位于0 位，此時信號系統(tǒng)會將無人自動折返繼電器吸起，用于頂替鑰匙激活司機室及列車牽引運行方向前向位。在圖2 所示中，當司控器方向手柄非前向位時，安全環(huán)路繼電器為失電狀態(tài)。而無人自折過程中方向手柄處于0 位而非前向位，同時由于無人自折時車內(nèi)沒有司機按壓警惕按鈕，因此需要使用一組無人自動折返繼電器節(jié)點旁路此處的方向前向節(jié)點及警惕延時繼電器節(jié)點，保證在無人自折過程中安全環(huán)路繼電器得電吸起，緊急制動電路中的安全環(huán)路節(jié)點是閉合狀態(tài)。

圖1 緊急制動電路圖Fig.1 Circuit diagram of emergency braking

圖2 警惕功能電路圖Fig.2 Circuit diagram of vigilance function

車輛快速制動的邏輯也為“失電制動，得電緩解”，電路原理如圖4 所示。牽引制動手柄FB 位通過列車線同時控制兩端司機室的快速制動繼電器，兩端司機室均未激活或激活端手柄處于FB 位時，兩端繼電器均為失電；當兩端司機室任意一個激活后，本端牽引制動手柄處于非FB 位時，兩端快速制動繼電器同時得電，而由于圖1 緊急制動環(huán)路中快速制動繼電器的3-13 節(jié)點為常閉節(jié)點，此刻繼電器得電斷開，導(dǎo)致車輛無法緩解緊急制動。而ATP 激活（或折返模式）B3-C3 節(jié)點僅旁路了本端快速制動繼電器在緊急制動環(huán)路中的節(jié)點，環(huán)路中另一端司機室的緊急制動節(jié)點是仍然斷開的，因此車輛一直到處于施加緊急制動狀態(tài)。因此通過增加一個二極管的方式，在保證兩端快速制動手柄都能控制車輛快速制動的情況下，僅控制本端繼電器動作，未激活端快速制動繼電器一直處于失電狀態(tài)，圖1 中列車尾端快速制動繼電器的3-13 節(jié)點處于閉合狀態(tài)，此時緊急制動環(huán)路得電緩解。通過以上幾處無人自動折返繼電器節(jié)點旁路無人自折過程中車輛施加的緊急制動，確保無人自折功能實現(xiàn)。

圖3 安全環(huán)路電路圖Fig.3 Circuit diagram of safety loop

3 結(jié)語

本文對信號系統(tǒng)與車輛接口電路設(shè)計中的緊急制動功能進行剖析，其中的原理經(jīng)過工程驗證，可以為其他項目設(shè)計接口提供參考。信號與車輛接口設(shè)計往往是缺陷的高發(fā)地帶，是導(dǎo)致工程延期的關(guān)鍵地帶，若前期設(shè)計缺陷未被及時發(fā)現(xiàn)，對后期整改造成極大的困難，甚至造成經(jīng)濟損失。隨著國內(nèi)地鐵項目發(fā)展越來越迅速，越來越成熟，業(yè)主對信號及車輛提出的功能需求也越來越多，這要求信號方與車輛方設(shè)計人員不斷鉆研提高自身水平，在熟識己方功能原理的基礎(chǔ)上，也要對對方的功能原理進行充分了解，才能夠保證在設(shè)計初期避免發(fā)生錯誤，以免遺留缺陷導(dǎo)致后期進行整改。

圖4 快速制動電路圖Fig.4 Circuit diagram of fast braking