基于電流監(jiān)測的APM車輛集電靴報警系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

柴立鑫

摘 要：本文以上海APM浦江線為例，介紹了龐巴迪INNOVIA APM 300型車輛集電靴故障無報警問題及其影響，重點(diǎn)描述了基于電流監(jiān)測的APM車輛集電靴報警系統(tǒng)組成、報警邏輯及系統(tǒng)應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：全自動旅客運(yùn)輸;APM300;集電靴

Abstract：Taking Shanghai Pujiang APM line as an example， The article describes the collector shoes of the Bombardier INNOVIA APM 300 vehicle and the problem of no alarm when it fails and the effects it has. focusing on describing the composition of APM vehicle collector shoes alarm system based on current monitoring， alarm logic and system application.

Key words：Automated People Mover System;APM 300; Collector shoes

1 引言

上海軌道交通浦江線是一條采用龐巴迪APM系統(tǒng)（全自動旅客運(yùn)輸系統(tǒng)）的線路。自2018年3月開通運(yùn)營以來，偶有靴軌沖突（集電靴脫離供電軌）事件發(fā)生，沖突發(fā)生后集電靴與絕緣罩殼及導(dǎo)向軌發(fā)生碰撞，造成供電軌接地故障、絕緣軌罩損壞、車輛接地故障等嚴(yán)重次生災(zāi)害，甚至造成15分鐘以上晚點(diǎn)、降級模式運(yùn)營事件發(fā)生。究其原因?yàn)辇嫲偷螴NNOVIA 300車型集電靴脫出供電軌后無報警，OCC遠(yuǎn)程無法及時獲取故障信息并采取措施，最終導(dǎo)致故障事態(tài)升級。

國內(nèi)外采用龐巴迪INNOVIA APM300車型的線路均無集電靴監(jiān)測報警，且線路主要為大型機(jī)場航站樓間的聯(lián)絡(luò)線，發(fā)生靴軌沖突后事故影響較小故未對此進(jìn)行系統(tǒng)研究和整改。

浦江線作為一條納入上海地鐵路網(wǎng)的無人駕駛線路，運(yùn)營壓力較大，鑒于國內(nèi)外該系統(tǒng)均無法徹底杜絕靴軌沖突發(fā)生，且發(fā)生后影響較大，有必要研發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)靴軌沖突后及時報警的檢測系統(tǒng)，從而有效提高運(yùn)營故障的處置效率，降低對運(yùn)營造成的影響，對于浦江線車輛的安全運(yùn)行提供有力保障。

2 APM系統(tǒng)受流原理概述

2.1集電靴概述

龐巴迪INNOVIA APM 300型車輛為全動車且單節(jié)獨(dú)立供電，每輛車上裝有2套供電集電靴，分別安裝于轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向構(gòu)架上。符合 IEC 60850 標(biāo)準(zhǔn)的第三軌側(cè)式受流，額定電壓 DC750V（DC±375V），電壓變化范圍 DC600～900V。

單個集電靴參數(shù)：額定電流≥450A，短時最大電流（10S）：950A，短時最大電流（2S）：1200A。

APM300列車集電靴采用第三軌側(cè)部接觸受流方式供電。集電靴有足夠、良好的取流性能，且當(dāng)只有一個集電靴對車輛供電時，集電靴可保證列車正常工作。

2.2集電靴受流原理概述

每節(jié)車輛一位端和二位端轉(zhuǎn)向架上的集電靴組件通過受流電纜進(jìn)行并聯(lián)連接，這樣可以確保當(dāng)車輛的每臺轉(zhuǎn)向架從一個供電區(qū)移動至下一個供電區(qū)的時候，供電不會中斷。當(dāng)發(fā)生靴軌沖突或經(jīng)過供電分段絕緣區(qū)段時，每個集電靴具有供應(yīng)正常車輛運(yùn)行需要的所有電能的容量。

單側(cè)兩個集電靴若與供電軌接觸良好，導(dǎo)電率一致的情況下，通過的電流為平均分布。因此，本文將在每個集電靴受流電纜上加裝霍爾電流傳感器，對電流進(jìn)行監(jiān)測及對比分析，實(shí)現(xiàn)電流檢測報警。

2.3集電靴載流范圍梳理

目前浦江線APM車輛載流情況主要有4種，分別為牽引、惰性、電制動、停站。通過前期對APM車輛個工況下電流數(shù)據(jù)采集分析，得到最大電流為AW3工況下，如圖3所示。

當(dāng)列車開始牽引后，集電靴承載的電流開始線性增加，當(dāng)牽引系統(tǒng)從恒轉(zhuǎn)矩向恒功率轉(zhuǎn)變時，短暫出現(xiàn)電流下降后電流繼續(xù)增加。實(shí)測單側(cè)集電靴承載電流峰值約為500A，小于600A的設(shè)計最大值。

當(dāng)列車處于惰性或保持勻速前進(jìn)狀態(tài)時，電流相對穩(wěn)定，存在小幅波動，波動范圍約為70-120A。

電制動反饋供電軌的電流大小與運(yùn)行的列車數(shù)量及線路網(wǎng)壓存在關(guān)聯(lián)，當(dāng)網(wǎng)壓超過DC900V時，無法反饋供電軌，改為電阻制動將電能轉(zhuǎn)化為熱能。（圖3電流采集設(shè)備不區(qū)電流方向，電制動電流應(yīng)為反向電流）

當(dāng)列車處于靜止或停站狀態(tài)時，電流值穩(wěn)定，主要為列車輔助設(shè)備用電，如空調(diào)、照明、車門及PIS系統(tǒng)。因車載空調(diào)、照明等靜態(tài)用電設(shè)備影響，停站電流值約為20-50A。

通過對上述集電靴正常工作電流值的梳理，為后續(xù)電流傳感器的選型提供依據(jù)，同時，能夠?qū)⑼Ｕ倦娏髦底鳛榕袛鄺l件，提高報警準(zhǔn)確定性。

3靴軌監(jiān)測系統(tǒng)方案

本方案通過霍爾電流傳感器采集集電靴實(shí)時電流并分析，利用現(xiàn)有TCMS預(yù)留備用I/O接口，將電流檢測系統(tǒng)的脫靴報警以硬線方式傳輸至車輛TCMS，TCMS通過車載ATC的車地?zé)o線系統(tǒng)上傳至OCC的ATS服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)集電靴脫軌報警及狀態(tài)異常預(yù)警。該系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)集電靴受流異常，通過對該故障的準(zhǔn)確反饋，減少集電靴與導(dǎo)電軌之間的互相干涉，同時效防止集電靴對導(dǎo)電軌的電纜的損傷。

系統(tǒng)主要由4臺分析服務(wù)器及16臺霍爾電流傳感構(gòu)成，其中1臺分析服務(wù)器為主服務(wù)器，整列車監(jiān)測設(shè)備通過車載以太網(wǎng)絡(luò)共用主控服務(wù)器。分析服務(wù)器實(shí)現(xiàn)集電靴電流值實(shí)時測量及報警邏輯設(shè)置，電流數(shù)據(jù)保存時間不低于1個月。電流傳感器監(jiān)測范圍為0-750A/DC，誤差小于1%，采樣頻率為10Hz。

4報警邏輯設(shè)計

4.1脫靴報警邏輯

（1）單節(jié)車單個集電靴脫靴報警（單個集電靴故障報警）

實(shí)時檢測每節(jié)車4個集電靴，當(dāng)正極總電流大于閾值，且正極的某個靴電流持續(xù)小于1A滿2秒，報警輸出。負(fù)極采用同樣邏輯。

因車載空調(diào)、照明、PIS等靜態(tài)用電設(shè)備消耗電流在20-50A，故閾值設(shè)置為大于50A。通過設(shè)置閾值，可有效過濾停站期間，靜態(tài)電流過小導(dǎo)致的脫靴誤報情況。

（2）單節(jié)車單側(cè)集電靴脫靴報警（一側(cè)兩個集電靴故障報警）

浦江線APM300型車輛每節(jié)車為獨(dú)立供電，車輛之間750Vdc不貫通。

因此，對4節(jié)車之間的集電靴電流總和進(jìn)行對比，如有車廂電流的平均值在1A以下，同時其他車廂所有集電靴正極性或負(fù)極性電流總值在55A以上時（脫靴接地除外），累計持續(xù)時間為5秒以上時，進(jìn)行對應(yīng)的脫靴報警。

（3）單節(jié)車單側(cè)集電靴脫靴接地報警

系統(tǒng)監(jiān)測到單個集電靴的電流值在700A以上且持續(xù)200ms以上，立刻觸發(fā)脫靴報警;如果監(jiān)測到正負(fù)極電流值總和不等，且總和的差值在55A以上，可判斷總和值比較大的那邊極性存在接地故障，同側(cè)集電靴中，取電流值較小的判斷為集電靴脫落接地，啟動報警機(jī)制。

（4）單節(jié)車單個集電靴異常拉弧報警

集電靴發(fā)生劇烈的振動，當(dāng)某一電流采樣值是上一電流采樣值的50倍以上，開始跟蹤，當(dāng)6秒內(nèi)5次檢測到電流值是上一采樣值10倍，則輸出報警。

4.2 受流異常預(yù)警邏輯

（1）由于系統(tǒng)采用的電流傳感器精度為±6A，最大誤差12A。兩側(cè)供電軌同時監(jiān)測，累計誤差24A。檢測正極與負(fù)極之間的差值，當(dāng)差值超過24A，且持續(xù)5秒，發(fā)出受流異常預(yù)警。

（2）當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)定的時間內(nèi)，集電靴經(jīng)常出現(xiàn)小于1A的情況，發(fā)出預(yù)警，該集電靴處于靴軌匹配不良狀態(tài)。

（3）突變率是比較同側(cè)集電靴的變化情況，當(dāng)兩個集電靴的電流在一定時間內(nèi)經(jīng)常變化，判斷可能存在集電靴抖動或其他情況導(dǎo)致不良。根據(jù)采集的電流數(shù)據(jù)分析，集電靴正常受流情況下，電流變化為線性變化，為出現(xiàn)電流瞬間倍率升高情況，初步設(shè)定突變率為前一個采樣點(diǎn)的10倍。該值可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

（4）將4個集電靴的電流取平均值進(jìn)行比較，當(dāng)某個集電靴電流值與平均值的差值相比其他3個靴的偏差過大，判斷此靴可能存在異常。

5 系統(tǒng)應(yīng)用情況

5.1 報警案例分析

時間：2020年12月19日08：35：15

ATS車輛故障信息：三魯公路上行T0107號車4車廂1位端集電靴報警。

電流監(jiān)測源數(shù)據(jù)如下：

時間_1#_電流值_2#_電流值_3#_電流值_4#_電流值_報警

{083512_41_262.65_42_191.81_43_188.42_44_266.12_0010}

{083512_41_183.99_42_232.79_43_194.16_44_233.18_0010}

{083512_41_225.81_42_149.82_43_171.81_44_217.49_0010}

{083512_41_185.17_42_137.70_43_324.32_44_000.92_0010}

{083512_41_175.09_42_119.68_43_283.77_44_000.87_0010}

{083512_41_153.60_42_086.47_43_232.09_44_000.87_0010}

{083512_41_123.35_42_087.98_43_205.53_44_000.92_0010}

{083513_41_074.79_42_068.85_43_131.48_44_000.90_0010}

{083513_41_061.28_42_034.56_43_095.37_44_000.90_0010}

{083513_41_015.91_42_018.91_43_034.76_44_000.90_0010}

{083513_41_017.53_42_020.00_43_031.93_44_000.90_0010}

{083513_41_012.91_42_013.50_43_023.28_44_000.90_0010}

{083513_41_021.85_42_015.88_43_032.58_44_000.90_0010}

{083513_41_010.95_42_015.57_43_021.15_44_000.90_0010}

{083513_41_018.85_42_014.48_43_028.23_44_000.90_0010}

{083513_41_025.18_42_001.93_43_027.79_44_000.87_0010}

{083513_41_007.70_42_011.85_43_019.55_44_000.87_0010}

{083514_41_022.16_42_014.09_43_033.22_44_000.90_0010}

{083514_41_012.04_42_023.08_43_038.71_44_000.90_0010}

{083514_41_027.81_42_007.95_43_034.09_44_000.90_0010}

{083514_41_018.07_42_015.83_43_036.08_44_000.90_0010}

{083514_41_021.48_42_011.18_43_031.87_44_000.90_0010}

{083514_41_024.09_42_014.31_43_036.05_44_000.90_0010}

{083514_41_047.36_42_037.84_43_084.76_44_000.90_0010}

{083514_41_058.01_42_030.17_43_080.19_44_000.90_0010}

{083514_41_060.95_42_040.11_43_102.57_44_000.90_0010}

{083514_41_068.43_42_030.89_43_100.64_44_000.90_0010}

{083515_41_069.32_42_038.82_43_110.33_44_000.92_3010}

{083515_41_070.33_42_051.01_43_121.79_44_000.90_3012}

{083515_41_074.48_42_051.62_43_126.97_44_000.90_3012}

從數(shù)據(jù)中可以看出，電流從08：35：12開始由217.49A突變降到1A以下，08：35：15的時候報警，間隔2秒。滿足報警邏輯：總電流大于閾值50A，電流持續(xù)2秒小于1A ，輸出報警。

靴軌狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)集電靴脫出軌道、集電靴拉弧等受流異常故障，有效減少因靴軌沖突造成的集電靴總成、受流電纜、供電軌及絕緣軌罩的損傷，避免了設(shè)備故障擴(kuò)大化。

5.2 報警準(zhǔn)確率

自靴軌監(jiān)測系統(tǒng)安裝至今，浦江線實(shí)際共發(fā)生靴軌沖突57起，監(jiān)測系統(tǒng)成功報出55起靴軌沖突故障，漏報2起，報出率96.49%，誤報故障發(fā)生4起，誤報率（誤報次數(shù)/報警總數(shù)）為7%。

漏報2起，其中2起為靴軌沖突后，集電靴未完全脫離供電軌，存在電流，無法通過電流監(jiān)測判斷。

誤報4起，其中2起為列車通過供電分段時，單側(cè)兩個集電靴存在壓差導(dǎo)致拉弧，出現(xiàn)瞬間大電流報警，該問題已通過供電軌分段區(qū)增加二極管整改予以解決。另外2起為集電靴碳滑塊偏磨，與供電軌接觸不良，受流不均衡，出現(xiàn)單個集電靴電流持續(xù)小于1A的情況，更換碳滑塊后報警消除。

6 結(jié)語

（1）本方案設(shè)計的車輛集電靴監(jiān)測報警系統(tǒng)不僅滿足于上海城市軌道交通浦江線APM的運(yùn)維要求，并對國內(nèi)外其他在建的龐巴迪INNOVIA APM項(xiàng)目產(chǎn)生指導(dǎo)意義。

（2）靴軌監(jiān)測系統(tǒng)通過霍爾電流傳感技術(shù)和智能分析，實(shí)現(xiàn)了集電靴脫軌后的準(zhǔn)確報警，并能及時將故障信息反饋至OCC調(diào)度大廳ATS系統(tǒng)。

（3）靴軌監(jiān)測系統(tǒng)靴軌沖突實(shí)際報出率96.49%，誤報率為7%。

（4）靴軌狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)集電靴脫出軌道、集電靴拉弧等受流異常故障，有效減少因靴軌沖突造成的集電靴總成、受流電纜、供電軌及絕緣軌罩損傷等次生災(zāi)害，避免了設(shè)備故障擴(kuò)大化。靴軌狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)投入使用后，靴軌沖突造成的設(shè)備更換損失較低50%。

（5）由于APM系統(tǒng)靴軌關(guān)系的復(fù)雜性，集電靴運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)，電流監(jiān)測不能完全排除極個別的脫靴誤報警發(fā)生。但是通過遠(yuǎn)程調(diào)取集電靴監(jiān)控視頻，OCC及維保專業(yè)人員能夠立即判斷報警是否為誤報，可以避免誤報警影響正常運(yùn)營。

（6）本方案考慮列車改造周期、既有TCMS系統(tǒng)的兼容性及成本因素，僅依靠電流傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行報警存在一定的局限性，后續(xù)可進(jìn)一步研究電流傳感器與圖像識別、速度傳感器、壓力傳感器及GPS等信息結(jié)合的報警系統(tǒng)。

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