城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)的零速信號(hào)和非零速信號(hào)方案選用及安全性分析

吳英帥 李 惠 王 鶴

(中車大連機(jī)車車輛有限公司城鐵開發(fā)部，116021，大連∥第一作者，正高級(jí)工程師)

零速或非零速信號(hào)是車輛的重要控制信號(hào)，應(yīng)用于車輛的車門控制、牽引使能、緊急制動(dòng)環(huán)線建立等多個(gè)重要控制回路，也是保證車輛運(yùn)行安全的重要信號(hào)[1]。速度信號(hào)主要來源于信號(hào)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)車輛處于信號(hào)控車模式時(shí)，車輛所有的輸入信號(hào)都由信號(hào)系統(tǒng)提供，包括零速信號(hào)；當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障，車輛退出信號(hào)控車模式后，車輛的速度信息由制動(dòng)系統(tǒng)提供。本文主要討論制動(dòng)系統(tǒng)提供的零速信號(hào)，具體是車輛應(yīng)該要求制動(dòng)系統(tǒng)提供零速信號(hào)還是非零速信號(hào)用于車輛控制，制動(dòng)系統(tǒng)提供的該信號(hào)應(yīng)該串聯(lián)使用還是并聯(lián)使用。怎樣的組合和設(shè)計(jì)對(duì)車輛控制來說安全系數(shù)是最高的，能在最大程度上保證車輛運(yùn)行安全。

1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以編組形式為+Tc(帶司機(jī)室的拖車)-Mp(有受電弓的動(dòng)車)-M(無受電弓的動(dòng)車)-M-Mp-Tc+的6節(jié)編組城市軌道交通(以下簡為“城軌”)車輛為例，其制動(dòng)系統(tǒng)一般分成2個(gè)獨(dú)立的控制單元。每個(gè)控制單元由Tc-Mp-M等3節(jié)車組成。通常在Tc車和M車會(huì)各安裝1個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)控制主機(jī)，用于采集車輛信號(hào)，并提供車輛需要的控制信號(hào)或者監(jiān)控信號(hào)。制動(dòng)系統(tǒng)采集的車輛信號(hào)主要有制動(dòng)指令、快速制動(dòng)指令、強(qiáng)迫緩解指令、緊急運(yùn)行指令等；提供給車輛的信號(hào)主要包括零速或非零速信號(hào)、制動(dòng)不緩解信號(hào)等[2]。制動(dòng)系統(tǒng)控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)示意圖

每個(gè)制動(dòng)控制單元內(nèi)的2臺(tái)控制主機(jī)互為冗余。其中，1臺(tái)為主控主機(jī)，以主控模式工作，負(fù)責(zé)與TCMS通信；另1臺(tái)為備用主機(jī)，以從機(jī)模式工作。2臺(tái)控制主機(jī)間可內(nèi)部通信。

2 零速信號(hào)與非零速信號(hào)的選用

制動(dòng)系統(tǒng)提供的零速信號(hào)或非零速信號(hào)，用于控制車輛的零速或非零速繼電器線圈，進(jìn)而通過繼電器觸點(diǎn)作用于車輛的相關(guān)控制回路。相關(guān)的控制回路包括：①在車輛靜止時(shí)才能進(jìn)行操作的控制回路，如車輛開關(guān)門控制、緊急制動(dòng)安全環(huán)線建立，車鉤的解鉤控制，信號(hào)系統(tǒng)的ATC(列車自動(dòng)控制)切除模式控制等回路；②在車輛運(yùn)行時(shí)才需要?jiǎng)幼鞯目刂苹芈?，如警惕保護(hù)、輪緣潤滑等回路。

2.1 制動(dòng)系統(tǒng)提供零速信號(hào)

若制動(dòng)系統(tǒng)提供零速信號(hào)，則一般制動(dòng)系統(tǒng)2個(gè)控制單元的主控主機(jī)會(huì)在車速小于0.5 km/h時(shí)，輸出零速信號(hào)高電平信號(hào)，并控制車輛的零速繼電器得電[3]。

2.1.1 并聯(lián)使用零速信號(hào)

當(dāng)2個(gè)制動(dòng)控制單元的零速信號(hào)并聯(lián)使用時(shí)，零速信號(hào)的真值表如表1所示。

表1 零速信號(hào)并聯(lián)使用時(shí)的真值表

從表1可以看出：當(dāng)并聯(lián)使用制動(dòng)控制單元提供的零速信號(hào)時(shí)，只有在2個(gè)制動(dòng)控制單元輸出的零速信號(hào)均為低電平時(shí)，車輛才會(huì)判斷自身處于非零速狀態(tài)(運(yùn)行狀態(tài))；在其他狀況下，車輛都將判斷自身處于零速狀態(tài)(靜止?fàn)顟B(tài))。

并聯(lián)使用零速信號(hào)存在2個(gè)弊端：

1) 弊端一：當(dāng)車輛靜止、制動(dòng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)控制單元因無電而無法輸出零速的高電平信號(hào)，會(huì)使車輛誤判斷自身處于非零速(運(yùn)行)狀態(tài)。這時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)無法發(fā)出反映真實(shí)狀態(tài)的零速信號(hào)，所發(fā)的低電平零速信號(hào)為假信號(hào)，應(yīng)在車輛設(shè)計(jì)時(shí)予以避免。

2) 弊端二：在車輛運(yùn)行過程中，如果有1個(gè)制動(dòng)控制單元發(fā)生觸點(diǎn)粘連故障，一直輸出高電平零速信號(hào)，則車輛將誤判斷自身處于靜止?fàn)顟B(tài)，允許司機(jī)進(jìn)行打開客室門的操作。此時(shí)所發(fā)的零速信號(hào)為假信號(hào)，對(duì)于運(yùn)行中的車輛而言非常危險(xiǎn)，應(yīng)在車輛設(shè)計(jì)時(shí)極力避免。

2.1.2 串聯(lián)使用零速信號(hào)

為了提高零速信號(hào)的可靠性，車輛可串聯(lián)使用制動(dòng)控制單元輸出的2個(gè)零速信號(hào)，以保證車輛零速信號(hào)的可靠性。串聯(lián)使用零速信號(hào)時(shí)的真值表如表2所示。

表2 串聯(lián)使用零速信號(hào)時(shí)的信號(hào)真值表

由表2可見，只有2個(gè)制動(dòng)控制單元都輸出零速信號(hào)高電平時(shí)，車輛才會(huì)認(rèn)為自身處于零速狀態(tài)；其他狀況下，都會(huì)認(rèn)為自身處于非零速狀態(tài)。

串聯(lián)使用零速信號(hào)提高了零速信號(hào)的可靠性。若有1個(gè)制動(dòng)控制單元發(fā)生觸點(diǎn)粘連故障，一直輸出高電平零速信號(hào)，則只要另1個(gè)制動(dòng)控制單元正常，車輛得到的零速信號(hào)就是真實(shí)可靠的。這就避免了危險(xiǎn)的假零速信號(hào)，提高了列車運(yùn)行安全性。

然而，當(dāng)車輛靜止、制動(dòng)系統(tǒng)斷電時(shí)，零速信號(hào)串聯(lián)也會(huì)為車輛提供非零速的假信號(hào)。

此外，零速信號(hào)串聯(lián)還存在新的弊端：當(dāng)1個(gè)制動(dòng)控制單元發(fā)生故障，無法輸出高電平零速信號(hào)時(shí)，車輛會(huì)誤判斷自身處于非零速狀態(tài)，即使車輛到站也不能執(zhí)行打開車門的命令?？梢娏闼傩盘?hào)串聯(lián)雖避免了提供危險(xiǎn)的假零速信號(hào)，卻也降低了車輛的可用性。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)提供非零速信號(hào)

若制動(dòng)系統(tǒng)提供非零速信號(hào)，則制動(dòng)系統(tǒng)的2個(gè)控制單元會(huì)在車速大于1 km/h時(shí)輸出非零速信號(hào)高電平信號(hào)，控制車輛的非零速繼電器得電。

2.2.1 并聯(lián)使用非零速信號(hào)

當(dāng)2個(gè)制動(dòng)控制單元的非零速信號(hào)采用并聯(lián)方式時(shí)，非零速信號(hào)的真值表如表3所示。

表3 并聯(lián)使用非零速信號(hào)時(shí)的信號(hào)真值表

由表3可見：只有2個(gè)制動(dòng)控制單元都輸出低電平非零速信號(hào)時(shí)，車輛才會(huì)判斷自身處于零速狀態(tài)；其他狀況下，車輛都會(huì)判斷其處于非零速狀態(tài)。

當(dāng)車輛靜止、制動(dòng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時(shí)，車輛根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的零速信號(hào)所得判斷與車輛的實(shí)際狀態(tài)一致，避免了制動(dòng)系統(tǒng)提供零速信號(hào)的弊端一。

在車輛運(yùn)行過程中，如有1個(gè)制動(dòng)控制單元發(fā)生觸點(diǎn)粘連故障，一直輸出高電平非零速信號(hào)，則車輛就會(huì)一直誤判斷自身處于非零速狀態(tài)，即使車輛到站也不能執(zhí)行打開車門的命令[4]。這降低了車輛的可用性，是非零速信號(hào)并聯(lián)使用的主要弊端。

2.2.2 串聯(lián)使用非零速信號(hào)

當(dāng)2個(gè)制動(dòng)控制單元的非零速信號(hào)采用串聯(lián)方式時(shí)，非零速信號(hào)的真值表如表4所示。

由表4可見：只有2個(gè)制動(dòng)控制單元都輸出高電平非零速信號(hào)時(shí)，車輛才會(huì)判斷自身處于非零速狀態(tài)；其他狀況下，車輛都會(huì)判斷其處于零速狀態(tài)。

表4 串聯(lián)使用非零速信號(hào)時(shí)的信號(hào)真值表

當(dāng)車輛靜止、制動(dòng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時(shí)，車輛根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的零速信號(hào)所得判斷與車輛的實(shí)際狀態(tài)一致，避免了制動(dòng)系統(tǒng)提供零速信號(hào)的弊端一。

在車輛運(yùn)行過程中，如有1個(gè)制動(dòng)控制單元發(fā)生故障不能輸出高電平非零速信號(hào)，則車輛就會(huì)一直誤判斷自身處于零速狀態(tài)，允許司機(jī)進(jìn)行打開客室門的操作。這是非常危險(xiǎn)的，是串聯(lián)使用非零速信號(hào)的主要弊端。

3 零速信號(hào)和非零速信號(hào)串并聯(lián)使用的安全性分析

零速信號(hào)和非零速信號(hào)的串、并聯(lián)使用，各有利弊。按制動(dòng)控制單元提供的信號(hào)類型及連接方式組合，可得到不同的制動(dòng)控制單元信號(hào)方案。各方案的安全性分析見表5。

由表5的安全性分析可知：方案三的安全性最高，方案二的安全性次之，方案一的安全性最低；方案三僅在制動(dòng)控制單元發(fā)生觸點(diǎn)粘連故障時(shí)會(huì)輸出非零速的假信號(hào)，進(jìn)而影響車輛到站時(shí)的開關(guān)門操作，降低車輛的可用性，但該方案不會(huì)影響車輛的行車安全；方案一會(huì)在兩種狀況下出現(xiàn)假信號(hào)，其故障率高，因而不可??；方案四會(huì)出現(xiàn)影響車輛運(yùn)行安全的假零速信號(hào)的狀況，也不可取。

表5 各制動(dòng)控制單元信號(hào)方案的安全性分析

(續(xù)表5)

由此可見，車輛在電氣原理設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要求制動(dòng)系統(tǒng)提供非零速信號(hào)，采用并聯(lián)的方式控制車輛的非零速繼電器。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)不能提供非零速信號(hào)時(shí)，可退而求其次，選擇串聯(lián)使用零速信號(hào)的方式控制車輛的零速繼電器。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，對(duì)車輛設(shè)計(jì)和功能的要求，特別是對(duì)車輛信號(hào)的安全性和可靠性要求也越來越高。因此，在車輛電氣原理設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面考慮車輛信號(hào)的安全性和可靠性，并要慎重考慮設(shè)備故障給車輛帶來的影響，全面分析各種狀況，權(quán)衡利弊，選擇相對(duì)最安全可靠的信號(hào)方案來控制車輛，以保證車輛的安全運(yùn)行。