一種基于TCMS系統(tǒng)的受電弓升降自動(dòng)控制策略

林寶鋒，夏益韜

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031）

云南紅河州現(xiàn)代有軌電車1號(hào)線全長24.5 km，共設(shè)置23個(gè)站臺(tái)，其中15個(gè)站臺(tái)設(shè)有充電軌（剛性網(wǎng)段，升半弓控制），在部分站臺(tái)之間設(shè)有接觸網(wǎng)（柔性網(wǎng)段，升全弓控制），以及公共道口和部分無電區(qū)間（降弓控制），其中剛性網(wǎng)段和柔性網(wǎng)段的升弓高度不同[1]。在車輛運(yùn)行過程中，司機(jī)需要根據(jù)前方路段的具體工況（剛性網(wǎng)段、柔性網(wǎng)段以及無電區(qū)），實(shí)時(shí)、頻繁、準(zhǔn)確的進(jìn)行升全弓、升半弓和降弓操作[2]。為滿足復(fù)雜工況下，頻繁、可靠的升、降受電弓，避免因司機(jī)操作不當(dāng)造成的受電弓受損，設(shè)計(jì)了基于TCMS系統(tǒng)控制的有軌電車自動(dòng)升降弓控制方法，并借助地面信號(hào)系統(tǒng)現(xiàn)有信標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下，頻繁升、降受電弓的全自動(dòng)、精準(zhǔn)控制[3]。

1 信標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)項(xiàng)目ATC（Automatic Train Control，ATC）系統(tǒng)與TCMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口的定義，ATC系統(tǒng)車載設(shè)備實(shí)時(shí)將讀取的地面信標(biāo)ID（Identification）發(fā)給TCMS系統(tǒng)，信標(biāo)的數(shù)據(jù)格式如表1所示，在列車運(yùn)行線路中，柔性網(wǎng)段和剛性網(wǎng)段的入段位置和出段位置均設(shè)有信標(biāo)，整條線路信標(biāo)ID的編號(hào)是唯一的。

TCMS系統(tǒng)篩選和受電弓控制相關(guān)的信標(biāo)ID信息，與線路中實(shí)際的位置做了“標(biāo)簽”和對(duì)應(yīng)處理，轉(zhuǎn)化成TCMS系統(tǒng)內(nèi)部受電弓控制的觸發(fā)信號(hào)，并結(jié)合車輛實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合處理，實(shí)現(xiàn)了列車行駛過程中不同接觸網(wǎng)工況下的升、降弓的全自動(dòng)精準(zhǔn)控制[4]。并在激活端DDU（Driver Display Uint）控制界面上顯示受電弓的具體狀態(tài)，輔助司機(jī)進(jìn)行安全駕駛。

表1 信標(biāo)數(shù)據(jù)格式

2 受電弓工作模式及控制原理

2.1 受電弓控制原理圖

受電弓控制原理圖參見圖1所示[5]。

2.2 受電弓自動(dòng)控制模式

在激活端將受電弓的控制模式切換到自動(dòng)控制，TCMS系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)信標(biāo)ID信息，通過系統(tǒng)軟件處理后準(zhǔn)確識(shí)別列車所處的路段工況：柔性網(wǎng)段、剛性網(wǎng)段或者無接觸網(wǎng)段，以及列車即將進(jìn)入或者駛離該路段[6]。通過對(duì)運(yùn)行線路及各站點(diǎn)的行駛軌跡的分析，建立以下4種受電弓控制模型，TCMS系統(tǒng)按照以下模式，對(duì)受電弓進(jìn)行自動(dòng)升、降控制[7]。

2.2.1站前折返站的受電弓控制

剛性網(wǎng)段的站前折返站點(diǎn)的信標(biāo)布置以及列車運(yùn)行軌跡示意圖參見圖2所示。

信標(biāo)的命名定義：

FBxxxxxA和FBxxxxxB代表岔區(qū)用信標(biāo)；

FBxxxxxC代表站臺(tái)信標(biāo)（剛性網(wǎng)段）；

FBxxxxxQ代表柔性網(wǎng)段進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)；

FBxxxxxZ代表柔性網(wǎng)段出網(wǎng)信標(biāo)；

FBxxxxxL代表路口出網(wǎng)信標(biāo)。

（1）升弓控制

圖1 受電弓控制原理圖

圖2 站前折返站信標(biāo)布置示意圖

ATC通信正常，頭車司機(jī)室激活（上行方向CM1車為頭車，下行方向CM7車為頭車），列車上行，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升半弓信標(biāo)，軟件定義）FB10101C或FB10102C激活（1 s脈沖）；或者，列車下行，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升半弓信標(biāo)，軟件定義）FB10103C或FB10104C激活（1 s脈沖）時(shí)，且受電弓控制在自動(dòng)模式下，則TCMS軟件進(jìn)行以下處理：

①VCU開始計(jì)算里程（HVS_uiDistanceTAG=v1×T+v2×T+v3×T+v4×T+…，其中v1v2v3v4…為每個(gè)時(shí)刻的列車速度（DRV_uiTrainSpeed），T為程序周期），當(dāng)列車行進(jìn)的里程大于25 m（約為一列車車長，確保受電弓所處的位置在站臺(tái)剛性軌區(qū)域內(nèi)，具體數(shù)值根據(jù)信標(biāo)位置和車載信標(biāo)讀取設(shè)備安裝位置確定）時(shí)。

②或者，上行時(shí)，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升半弓信標(biāo)，軟件定義）FB10101C或FB10102C激活（1 s脈沖）；或者，下行時(shí)，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升半弓信標(biāo)，軟件定義）FB10103C或FB10104C激活（1 s脈沖）時(shí)。

以上2個(gè)條件任意滿足一個(gè)，且此時(shí)列車零速激活，且列車向后運(yùn)行未激活時(shí)，則判定受電弓已經(jīng)入剛性網(wǎng)段可以升半弓，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出1 s脈沖信號(hào)，升半弓列車線（NC）得電，并控制受電弓升半弓。

（2）降弓控制

ATC通信正常，頭車司機(jī)室激活，列車按照上行/下行升半弓控制條件完成升弓（受電弓控制器反饋的升半弓到位信號(hào)激活）后，且受電弓控制在自動(dòng)模式下，則TCMS軟件進(jìn)行以下處理：

①當(dāng)列車零速信號(hào)從激活變化到非激活，且牽引請(qǐng)求激活（PRO_xTracReq=1）時(shí)。

②或者，上行時(shí)，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車或尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的出網(wǎng)信標(biāo)（降弓信標(biāo)，軟件定義）FB10103C或FB10104C激活（1 s脈沖）；或者，下行時(shí)，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車或尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的出網(wǎng)信標(biāo)（降弓信標(biāo)，軟件定義）FB10101C或者FB10102C激活（1 s脈沖）時(shí)。

以上2個(gè)條件任意滿足一個(gè)時(shí)，則判定列車即將駛離站臺(tái)剛性網(wǎng)段，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出2 s（降弓繼電器有1 s延時(shí)，所以輸出2 s）脈沖信號(hào)，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

2.2.2有柔性網(wǎng)或剛性網(wǎng)區(qū)域的受電弓控制

有柔性網(wǎng)或剛性網(wǎng)區(qū)域的信標(biāo)布置以及列車運(yùn)行軌跡示意圖參見圖3所示。

圖3 有柔性網(wǎng)或剛性網(wǎng)區(qū)域的信標(biāo)布置示意圖

柔性網(wǎng)段升降弓控制：

（1）升弓控制如下

ATC通信正常，頭車司機(jī)室激活，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升全弓信標(biāo)，軟件定義）FB1001Q或FB1004Q激活（1 s脈沖），且受電弓控制在自動(dòng)模式下，則TCMS軟件進(jìn)行以下處理：

①VCU開始計(jì)算里程，當(dāng)列車行進(jìn)的里程大于30 m（約為一列車車長，確保受電弓所處的位置在柔性接觸網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，具體數(shù)值根據(jù)信標(biāo)位置和車載信標(biāo)讀取設(shè)備安裝位置確定）時(shí)。

②或者，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升全弓信標(biāo)，軟件定義）FB1001Q或FB1004Q激活（1 s脈沖）時(shí)。

以上2個(gè)條件任意滿足一個(gè)，且列車向后運(yùn)行未激活，則判定受電弓已經(jīng)入柔性網(wǎng)段可以升全弓，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出1 s脈沖信號(hào)，升全弓列車線（YC）得電，并控制受電弓升全弓。

（2）降弓控制如下

ATC通信正常，且列車向后運(yùn)行未激活時(shí)，且受電弓控制在自動(dòng)模式下，CMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車或者車尾ATC系統(tǒng)發(fā)送的降弓信標(biāo)（軟件定義）FB1002Z或FB1003Z激活（1 s脈沖）時(shí)，則判定列車即將駛離柔性網(wǎng)段需要降弓，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出2 s脈沖信號(hào)，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

剛性網(wǎng)段升降弓控制：

（1）升弓控制如下

ATC通信正常，頭車司機(jī)室激活，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升半弓信標(biāo)，軟件定義）FB10401C或FB10404C激活（1 s脈沖）時(shí)，且受電弓控制在自動(dòng)模式下，則TCMS軟件進(jìn)行以下處理：

①VCU開始計(jì)算里程，當(dāng)列車行進(jìn)的里程大于25 m（確保受電弓所處的位置在站臺(tái)剛性軌區(qū)域內(nèi)，具體數(shù)值根據(jù)信標(biāo)位置站臺(tái)剛性接觸軌實(shí)際長度調(diào)整）時(shí)。

②或者，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)網(wǎng)信標(biāo)（升半弓信標(biāo)，軟件定義）FB10401C或FB10404C激活（1 s脈沖）時(shí)；

以上2個(gè)條件任意滿足一個(gè)，且此時(shí)列車零速激活（列車躍站時(shí)不會(huì)升弓），且列車向后運(yùn)行未激活時(shí)，則判定受電弓已經(jīng)入剛性網(wǎng)段可以升半弓，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出1 s脈沖信號(hào)，升半弓列車線（NC）得電，并控制受電弓升半弓。

（2）降弓控制如下

ATC通信正常，頭車司機(jī)室激活，列車按照上行/下行升半弓控制條件完成升弓（受電弓控制器反饋的升半弓到位信號(hào)激活）后，且受電弓控制在自動(dòng)模式下，則TCMS軟件進(jìn)行以下處理：

①當(dāng)列車零速信號(hào)從激活變化到非激活，且牽引請(qǐng)求激活（PRO_xTracReq=1）時(shí)。

②或者，TCMS系統(tǒng)識(shí)別到頭車或尾車ATC系統(tǒng)發(fā)送的出網(wǎng)信標(biāo)（降弓信標(biāo)，軟件定義）FB10402C或FB10403C激活（1 s脈沖）時(shí)。

以上2個(gè)條件任意滿足一個(gè)時(shí)，則判定列車即將駛離站臺(tái)剛性網(wǎng)段，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出2 s脈沖信號(hào)，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

2.2.3站后折返站的受電弓控制

站后折返站點(diǎn)的信標(biāo)布置以及列車運(yùn)行軌跡示意圖參見圖4所示。

圖4 站后折返站點(diǎn)信標(biāo)布置示意圖

站后折返站剛性網(wǎng)段的受電弓升弓及降弓控制與上文中的剛性網(wǎng)段的升弓和降弓控制一致。列車換端，TCMS系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)“頭車”狀態(tài)的切換，并按照上述邏輯實(shí)現(xiàn)受電弓自動(dòng)升、降弓的控制。

2.2.4無接觸網(wǎng)區(qū)域降弓控制

在無剛性接觸軌的站臺(tái)、公共道口及其他無接觸網(wǎng)的區(qū)段，列車保持降弓狀態(tài)，利用車載超級(jí)電容蓄電運(yùn)行[2]。

為避免在無接觸網(wǎng)區(qū)段舉弓運(yùn)行，確保列車運(yùn)行安全。在列車駛離剛性接觸軌站臺(tái)區(qū)段，TCMS系統(tǒng)有3次降弓指令（參見文中剛性網(wǎng)段降弓控制）；在列車駛離柔性接觸網(wǎng)區(qū)段，TCMS系統(tǒng)有2次降弓指令（參見文中柔性網(wǎng)段降弓控制）；在特殊運(yùn)行環(huán)境：高度較低高壓供電線及民用供電線，高架橋等其他空中固定障礙物，TCMS系統(tǒng)選擇這些特殊區(qū)域就近的信標(biāo)，通過軟件做了“標(biāo)簽”和處理，轉(zhuǎn)化成降弓控制的觸發(fā)信號(hào)，強(qiáng)制列車在此特殊路段降弓行駛。

2.3 受電弓手動(dòng)控制模式

當(dāng)TCMS系統(tǒng)嚴(yán)重故障不能控制列車時(shí)，進(jìn)入降級(jí)模式，司機(jī)通過激活端DDU的控制界面，將受電弓的控制模式切換到手動(dòng)控制，操作司控臺(tái)上的受電弓控制按鈕，實(shí)現(xiàn)升、降弓硬線控制。

3 受電弓的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及安全策略

TCMS系統(tǒng)結(jié)合整車的信號(hào)以及受電弓控制器反饋的狀態(tài)信號(hào)，綜合診斷出受電弓實(shí)時(shí)狀態(tài)及故障報(bào)警。司機(jī)可通過激活端DDU查看受電弓的狀態(tài)：升弓中、降弓中、降弓到位、升全弓到位、升半弓到位和未知狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，能夠準(zhǔn)確的控制受電弓動(dòng)作[8]，防止受電弓被刮弓，具體控制如下：

（1）當(dāng)升弓指令和降弓指令同時(shí)激活時(shí)，TCMS系統(tǒng)自動(dòng)控制RIOM輸出2 s脈沖信號(hào)，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

（2）當(dāng)觸發(fā)升弓指令，超高位信號(hào)激活時(shí)，受電弓執(zhí)行自動(dòng)降弓，激活端DDU上顯示“受電弓超高位故障”，提醒司機(jī)受電弓升弓異常。

（3）當(dāng)觸發(fā)升弓或降弓指令后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)RIOM沒有采集到相應(yīng)的位置傳感器信號(hào)：升全弓到位信號(hào)、升半弓到位信號(hào)和降弓到位信號(hào)時(shí)，DDU上報(bào)受電弓傳感器故障，提醒司機(jī)受電弓異常。

（4）當(dāng)ATC系統(tǒng)與TCMS系統(tǒng)的通信中斷時(shí)，激活端DDU上“自動(dòng)/手動(dòng)控制”切換軟按鈕顯示為紅色并閃爍，同時(shí)伴有1 Hz警示音；提醒司機(jī)將受電弓控制切換到手動(dòng)模式，屏蔽ATC信標(biāo)觸發(fā)的受電弓自動(dòng)控制，同時(shí)，TCMS系統(tǒng)控制RIOM持續(xù)輸出降弓指令，直到ATC通信恢復(fù)正?；蛘呒せ疃薉DU上“自動(dòng)/手動(dòng)控制”按鈕被切換到手動(dòng)模式，避免在信標(biāo)信號(hào)不可信時(shí)，系統(tǒng)對(duì)受電弓的不可靠控制。

（5）當(dāng)TCMS系統(tǒng)檢測(cè)到列車休眠信號(hào)激活時(shí)，延時(shí)100 s后，TCMS系統(tǒng)通過RIOM輸出2 s脈沖信號(hào)，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代有軌電車作為一種新型、高效、綠色環(huán)保的現(xiàn)代化公共交通系統(tǒng)，既可以作為地方中心城市的骨干交通工具，也可作為大城市的鐵路及地鐵等大運(yùn)量交通工具的輔助交通工具，其靈活、高效的特點(diǎn)，能夠提供優(yōu)質(zhì)、高效的公共交通服務(wù)需求。文中提出的現(xiàn)代有軌電車受電弓自動(dòng)控制策略[9]，有效的解決了車輛在運(yùn)行過程中充電軌及接觸網(wǎng)方式受流的自動(dòng)切換及控制[10]，提高了有軌電車的運(yùn)行效率及車輛的可靠性。