基于信號(hào)和車(chē)輛系統(tǒng)聯(lián)控的弓靴轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)研究

摘 要：廣州地鐵 4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、14 號(hào)、21 號(hào)線運(yùn)營(yíng)線路采用第三軌集電靴受流方式，車(chē)輛段采用接觸網(wǎng)受電弓受流方式，列車(chē)在進(jìn)出車(chē)輛段時(shí)，需在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處進(jìn)行降弓升靴或降靴升弓的操作，傳統(tǒng)“人防”監(jiān)控方法是人工監(jiān)控與視頻監(jiān)控。文章研究利用信號(hào)定位、車(chē)輛控制軟件聯(lián)控的方式，實(shí)現(xiàn)列車(chē)弓靴轉(zhuǎn)換由“人防”向“技防”的轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)研究成果已在廣州地鐵 14 號(hào)、21 號(hào)線車(chē)輛段出入段線弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處成熟應(yīng)用。該設(shè)計(jì)研究方案能優(yōu)化列車(chē)出入場(chǎng)管理、節(jié)約人力資源，并從根本上解決人工未按要求進(jìn)行弓靴轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛;弓靴轉(zhuǎn)換;聯(lián)動(dòng)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：U231

1 研究背景

城市軌道交通車(chē)輛通過(guò)受流器與接觸導(dǎo)線（接觸網(wǎng)或第三軌）滑動(dòng)接觸，從供電電網(wǎng)吸收電能，常用的取流方式包括受電弓受流以及集電靴受流2種。廣州地鐵14號(hào)、21號(hào)線采用6節(jié)編組、120 km/h的B型列車(chē)，采用受電弓或集電靴受流的方式，即車(chē)輛段為1 500 V接觸網(wǎng)供電，運(yùn)營(yíng)線路為1 500 V直流接觸軌供電。

當(dāng)列車(chē)從車(chē)輛段駛?cè)脒\(yùn)營(yíng)線路或從運(yùn)營(yíng)線路駛回車(chē)輛段時(shí)需轉(zhuǎn)換受流模式。以從車(chē)輛段駛?cè)脒\(yùn)營(yíng)線路為例，司機(jī)需手動(dòng)操作降弓按鈕，使列車(chē)車(chē)頂受電弓降下，并同時(shí)手動(dòng)操作升靴按鈕，使車(chē)底集電靴升起，實(shí)現(xiàn)列車(chē)供電受流方式的轉(zhuǎn)換，此過(guò)程為升靴降弓。列車(chē)從運(yùn)營(yíng)線路駛回車(chē)輛段時(shí)的動(dòng)作則剛好相反，稱為升弓降靴。弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)位于車(chē)輛段出入段線處，軌旁設(shè)置有信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器等信號(hào)定位設(shè)備。當(dāng)列車(chē)從車(chē)輛段駛?cè)脒\(yùn)營(yíng)線路區(qū)域時(shí)，若在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處未降弓升靴，或從運(yùn)營(yíng)線路駛回車(chē)輛段時(shí)未降靴升弓，都將導(dǎo)致受電弓或集電靴受到撞擊損壞或列車(chē)失電停車(chē)等安全事故。因此，確保列車(chē)在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)完成弓靴轉(zhuǎn)換，是保證安全行車(chē)的重要環(huán)節(jié)之一。

廣州地鐵4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、14號(hào)、21號(hào)線線路均采用庫(kù)內(nèi)受電弓受流、運(yùn)營(yíng)線路集電靴受流方式，且11 個(gè)段場(chǎng)共計(jì)22條出入場(chǎng)線，共配屬列車(chē)233列，年均操作弓靴轉(zhuǎn)換多達(dá)17萬(wàn)次，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。2012年5月，廣州地鐵5號(hào)線魚(yú)珠車(chē)輛段發(fā)生1起因司機(jī)未操作降弓出段導(dǎo)致列車(chē)在出段線洞口撞弓的嚴(yán)重安全事件。

為避免在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)未完成弓靴轉(zhuǎn)換導(dǎo)致撞弓或撞靴的隱患，廣州地鐵主要采用人工模式（安排作業(yè)人員至轉(zhuǎn)換軌處目視監(jiān)控確認(rèn)弓靴狀態(tài)，以及通過(guò)轉(zhuǎn)換軌處的洞口攝像頭監(jiān)控，并實(shí)時(shí)與司機(jī)、行車(chē)調(diào)度進(jìn)行溝通確認(rèn)弓靴狀態(tài)）以及視頻監(jiān)控（通過(guò)專用攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)受電弓狀態(tài)，并將畫(huà)面實(shí)時(shí)傳輸給行車(chē)調(diào)度，再由行車(chē)調(diào)度確認(rèn)降弓動(dòng)作是否完成）的方式進(jìn)行弓靴狀態(tài)的監(jiān)控，此2種方案增加人為溝通確認(rèn)環(huán)節(jié)，降低作業(yè)效率，且無(wú)法從根本上排除人為疏忽導(dǎo)致的隱患點(diǎn)。文章研究利用列車(chē)車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供位置信息的特性，將弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，為列車(chē)定位，即在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置增加出段時(shí)未降弓、回段時(shí)未降靴則列車(chē)牽引封鎖的方案，開(kāi)展列車(chē)弓靴轉(zhuǎn)換由“人防”向“技防”轉(zhuǎn)變的無(wú)人監(jiān)控模式研究。

2 弓靴轉(zhuǎn)換控制方案設(shè)計(jì)

2.1 控制基本原理

基于信號(hào)和車(chē)輛聯(lián)控的列車(chē)弓靴轉(zhuǎn)換控制方案基本原理是在列車(chē)進(jìn)出車(chē)輛段時(shí)，車(chē)輛控制和管理系統(tǒng)（TCMS）實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)弓靴狀態(tài)，再結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送的列車(chē)定位信息，對(duì)司機(jī)操作進(jìn)行預(yù)警提醒以及實(shí)施牽引封鎖的功能。

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

基于信號(hào)系統(tǒng)能將列車(chē)實(shí)時(shí)位置信息發(fā)送至TCMS系統(tǒng)的原理，采用信號(hào)定位+車(chē)輛軟件控制方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)控弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)，即在弓靴換點(diǎn)前A（暫定40 m）范圍內(nèi)觸發(fā)預(yù)警信息提醒司機(jī)降弓升靴;在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前B（暫定20 m）至弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)后C（暫定20 m）范圍內(nèi)未降弓則實(shí)施牽引封鎖，列車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。如圖1所示。

2.2.1 車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)定位

廣州地鐵14號(hào)、21號(hào)線車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)存儲(chǔ)了線路的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)中包括線路的應(yīng)答器、軌道分區(qū)、道岔、線路狀態(tài)等信息。車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)軸端速度傳感器獲取列車(chē)的運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、運(yùn)行距離信息，并在發(fā)生非預(yù)期移動(dòng)（如空轉(zhuǎn)、滑行）時(shí)通過(guò)測(cè)速雷達(dá)進(jìn)行位移補(bǔ)償。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，列車(chē)車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)會(huì)收到應(yīng)答器發(fā)送的包含識(shí)別編號(hào)（ID）的報(bào)文，結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)軸端速度傳感器獲取的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行一系列運(yùn)算，從而確定列車(chē)的位置。列車(chē)每檢測(cè)到1個(gè)有效的應(yīng)答器報(bào)文就會(huì)進(jìn)行1次位置信息校準(zhǔn)，以此糾正軸端速度傳感器和測(cè)試?yán)走_(dá)長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算而產(chǎn)生的誤差，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)精準(zhǔn)定位。

2.2.2 車(chē)輛系統(tǒng)控制

廣州地鐵14號(hào)、21號(hào)線TCMS系統(tǒng)為車(chē)載分布式列車(chē)電子控制系統(tǒng)，是為軌道車(chē)輛的控制和通信而設(shè)計(jì)的一套車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它以列車(chē)整車(chē)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，廣泛地采用電子控制設(shè)備和串行數(shù)據(jù)通信代替繼電器、接觸器和直接硬連線，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)子系統(tǒng)的控制設(shè)備（如牽引控制、摩擦制動(dòng)控制等），執(zhí)行列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息采集、管理和列車(chē)控制的功能，綜合分析信息采集模塊的數(shù)據(jù)、司機(jī)操作指令等信號(hào)，按照預(yù)先錄制的程序進(jìn)行縝密運(yùn)算及邏輯處理，輸出列車(chē)各部件的操作控制指令，對(duì)列車(chē)整車(chē)、各子系統(tǒng)以及其他車(chē)載系統(tǒng)進(jìn)行集散控制。

文章提出的方案中TCMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下。

（1）當(dāng)列車(chē)進(jìn)入降弓提醒區(qū)域，若未降弓則在司機(jī)顯示屏進(jìn)行提醒“進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)注意降弓升靴出庫(kù)”并持續(xù)發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。

（2）當(dāng)列車(chē)進(jìn)入牽引封鎖區(qū)域停穩(wěn)，未降弓則在司機(jī)顯示屏進(jìn)行提醒“未降弓出庫(kù)導(dǎo)致列車(chē)牽引封鎖”， TCMS系統(tǒng)向牽引系統(tǒng)發(fā)送牽引封鎖命令，列車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。

具體控制邏輯如下。

（1）預(yù)警信息觸發(fā)原理。在同時(shí)滿足3個(gè)基本條件（即出段工況、列車(chē)位于預(yù)警觸發(fā)區(qū)域、受電弓模式為1）時(shí)，列車(chē)顯示屏?xí)M(jìn)行提醒“進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)注意降弓升靴出庫(kù)”。

（2）牽引封鎖觸發(fā)原理。為確保列車(chē)運(yùn)行安全，TCMS系統(tǒng)需對(duì)影響列車(chē)運(yùn)行的所有狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，一旦有實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)影響列車(chē)行車(chē)安全時(shí)，TCMS系統(tǒng)將封鎖列車(chē)牽引指令。在同時(shí)滿足4個(gè)基本條件（即列車(chē)零速、出段工況、列車(chē)位于牽引封鎖區(qū)域、受電弓模式為1）時(shí)，車(chē)輛控制屏?xí)M(jìn)行提醒“未降弓出庫(kù)導(dǎo)致列車(chē)牽引封鎖”。

3 弓靴轉(zhuǎn)換控制方案工程驗(yàn)證

3.1 軌旁設(shè)備分布及功能

廣州地鐵21號(hào)線鎮(zhèn)龍車(chē)輛段出入段線信號(hào)軌旁設(shè)備主要包括：軌旁無(wú)線單元或接入點(diǎn)（AP）、無(wú)線天線、計(jì)軸磁頭和檢測(cè)單元、信標(biāo)、道岔、信號(hào)機(jī)等設(shè)備，相關(guān)設(shè)備位置分布簡(jiǎn)圖如圖2所示。

車(chē)載信號(hào)定位系統(tǒng)主要包括：查詢器、射頻模塊（RF）、天線、信標(biāo)等設(shè)備。前3個(gè)基本組件安裝在列車(chē)上，信標(biāo)單獨(dú)安裝在線路上的關(guān)鍵位置，決定列車(chē)的位置。RF模塊生成射頻信號(hào)，天線將信號(hào)傳播到外界。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)信標(biāo)接收到該射頻信號(hào)時(shí)，信標(biāo)將包含信標(biāo)唯一編碼信息的原始信號(hào)的變換形式反饋回天線，RF模塊解調(diào)該信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，然后將其傳送至查詢器，隨后查詢器處理該信息，并經(jīng)串行鏈路將其傳送至車(chē)載信號(hào)控制設(shè)備（VOBC），將編碼信息處理成車(chē)輛接收的偏移量（列車(chē)進(jìn)入某一個(gè)區(qū)段，車(chē)頭距離下一個(gè)區(qū)段起始位置的距離），供車(chē)輛系統(tǒng)識(shí)別列車(chē)位置信息。

3.2 降弓提醒及牽引封鎖點(diǎn)區(qū)域設(shè)置

根據(jù)廣州地鐵21號(hào)線項(xiàng)目車(chē)輛信號(hào)接口協(xié)議，VOBC將列車(chē)所在的區(qū)段信息以及偏移區(qū)段小里程的偏移距離信息發(fā)送給車(chē)輛。根據(jù)21號(hào)線信號(hào)設(shè)備平面圖，鎮(zhèn)龍車(chē)輛段21號(hào)線出段線弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)所在的區(qū)段編號(hào)為287，通過(guò)對(duì)該區(qū)段30列次（不同日期、不同車(chē)次）進(jìn)行弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣，列車(chē)弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)平均偏移量在136200±50cm范圍內(nèi)，采樣數(shù)據(jù)如圖3所示。確定弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)平均偏移量為136200cm（50cm忽略不計(jì)），設(shè)置降弓提醒區(qū)域?yàn)?38200～140200cm;牽引封鎖區(qū)域?yàn)?34200～138200cm。

3.3 TCMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降弓提醒及牽引封鎖功能

TCMS系統(tǒng)對(duì)列車(chē)位置（所在區(qū)段號(hào)及偏移量信息）以及受電弓狀態(tài)進(jìn)行采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算分析，增加車(chē)輛顯示屏預(yù)警顯示，多次進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果為：在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前40 m，車(chē)輛顯示屏顯示“進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)注意降弓升靴出庫(kù)”提示信息;分別測(cè)試在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前20 m、弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前10 m、弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處停下，列車(chē)產(chǎn)生牽引封鎖，車(chē)輛顯示屏彈出“未降弓出庫(kù)導(dǎo)致列車(chē)牽引封鎖”。如圖4所示。牽引封鎖和預(yù)警信息顯示均與設(shè)計(jì)要求一致。

3.4 運(yùn)用現(xiàn)狀

廣州地鐵14號(hào)、21號(hào)線共配屬63列車(chē)，每天出入段共進(jìn)行120余列次弓靴轉(zhuǎn)換，應(yīng)用近半年時(shí)間，共進(jìn)行20 000余列次弓靴轉(zhuǎn)換，現(xiàn)弓靴轉(zhuǎn)換無(wú)人監(jiān)控設(shè)計(jì)運(yùn)用情況良好，取代了以往的人工模式以及視頻監(jiān)控方式，提高了列車(chē)出入段效率及安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于信號(hào)和車(chē)輛系統(tǒng)聯(lián)控的弓靴轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域?qū)儆谑状螒?yīng)用，并已在廣州地鐵14 號(hào)、21號(hào)線車(chē)輛段出入段線弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處實(shí)際應(yīng)用近半年時(shí)間，能夠在預(yù)警區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)列車(chē)司機(jī)進(jìn)行有效提醒，在牽引封鎖區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)未降弓列車(chē)實(shí)施牽引封鎖，取代了傳統(tǒng)的人工模式以及視頻監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)從“人防”向“技防”方式的轉(zhuǎn)變，并優(yōu)化了人力資源配置，從根本上解決了弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為后續(xù)類似項(xiàng)目應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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收稿日期 2020-01-13

責(zé)任編輯 司玉林

Design and research of pantograph shoe conversion control based on joint control of signal and vehicle system

Fang Xiangming

Abstract： The operation tracks of Guangzhou metro lines 4， 5， 6， 14 and 21 use the current collection mode of the third rail collector shoe， and the depots use both the current collection mode of the pantograph and overhead contact system. When arriving and departing the depots， it is necessary to lower or raise the pantograph shoe at the transitional point. The traditional Staff Governing monitoring method is manual monitoring and video monitoring. In this paper， signal positioning and vehicle control software for joint control are used to realize the transitional run of train bow shoe from Staff Governing to Technique Governing. The design and research results have been used in the transitional point of pantograph shoe in the arrival and departure section of Guangzhou metro lines 14 and 21. The design and research scheme optimizes the management of train arrival and departure， save human labor resources， and fundamentally eliminate the safety risks caused by the manual operation without following to the requirements of pantograph shoe shift.

Keywords： metro vehicles， pantograph shoe conversion， linkage monitoring

作者簡(jiǎn)介：方向明（1986—），女，工程師