城市軌道交通信號系統(tǒng)過分相限速保護(hù)方案研究

楊榮兵，梁建彬，畢文峰，張定文

（1. 成都地鐵運營有限公司，四川成都 610081 ；2. 卡斯柯信號有限公司，上海 200435）

1 概述

國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)各線路列車在非正常運營情況下需要切換為人工駕駛模式，在人工駕駛模式中，限制人工駕駛模式（RM）同樣受限列車運行速度不得超過25 km/h的規(guī)定，同時信號系統(tǒng)RM運行超速防護(hù)。對于單相交流供電制式線路會在2個供電分區(qū)的分隔處設(shè)置分相區(qū)，運行中的電客車需利用慣性通過分相區(qū)。實際運營過程中，當(dāng)信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障或故障車連掛運行需要切換到RM運行時，就會存在列車因限速過低無法利用慣性通過分相區(qū)的問題。因此，本文提出一種過分相駕駛模式，并以某條設(shè)計最高運行速度160 km/h、配置電客車最高運行速度140 km/h、接觸網(wǎng)電分相中性區(qū)域長度160 m的城市軌道交通線路為例，對信號系統(tǒng)新增“過分相駕駛模式”的可行性進(jìn)行討論，確保非正常運營情況下信號系統(tǒng)提供人工駕駛模式的超速防護(hù)及列車正常通過分相區(qū)2個目標(biāo)實現(xiàn)。

2 接口要求和存在的問題

2.1 相關(guān)規(guī)范要求

在單相交流牽引供電系統(tǒng)中，列車是由單相電源供電的，為使電力系統(tǒng)的三相供電負(fù)荷平衡和提高電網(wǎng)的利用率，供電接觸網(wǎng)采用分相段供電。國內(nèi)城市軌道交通線路采用單相交流牽引供電制式時，為防止兩供電分區(qū)之間因電力相位不同產(chǎn)生的相位電位差，導(dǎo)致運行的電客車受損，通常在2個供電分區(qū)的分隔處設(shè)置電分相設(shè)備以防止相間短路，并實現(xiàn)A、B、C相電源相序隔離。分相區(qū)中性區(qū)段簡要示意如圖1所示。

圖1 分相區(qū)中性區(qū)段示意圖

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（鐵總科技[2014]172號），在電氣化區(qū)段接觸網(wǎng)電分相前方，需分別設(shè)置斷電標(biāo)、禁止雙弓標(biāo)。對于最大運行速度高于120 km/h的旅客列車，在斷電標(biāo)的前方增設(shè)特殊斷電標(biāo)（T斷）。在雙線電氣化區(qū)段，需在“合”“斷”電標(biāo)背面分別加裝“斷”“合”字標(biāo)，作為反方向行車的“斷”“合”電標(biāo)使用。分相區(qū)布置示意如圖2所示。

圖2 分相區(qū)布置示意圖（單位：m）

根據(jù)《車載控制自動過分相系統(tǒng)技術(shù)條件》（TB/T 3197-2018），從“斷”電標(biāo)位置為中心向左右兩端各5 m確定第一個地面磁感應(yīng)器的安裝位置（強(qiáng)迫斷點）a，定下第一個地面磁感應(yīng)器的安裝位置（強(qiáng)迫斷點），再以這個點為中點向左右分別測量一定距離b，定下第二點的位置（預(yù)告點）。同時反向運行時的預(yù)告點和強(qiáng)迫斷點，也作為正向運行時的恢復(fù)點使用。對于非貨運專線，a = 35 m、b = 170 m。從列車運行方向起依次設(shè)置禁止雙弓標(biāo)、特殊斷電標(biāo)（T斷）、斷電標(biāo)、合電標(biāo)。

按照《軌道交通客運列車斷電過分相系統(tǒng)相互匹配準(zhǔn)則》（GB/T 36981-2018）相關(guān)要求，故障運行限速模式下，“合”電標(biāo)前的出口行駛速度不宜低于5 km/h。

2.2 線路設(shè)計情況

本研究線路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的中性段距離長度為160 m，其中無電區(qū)為30 m。本線屬于非貨運專線，a = 35 m，b = 170 m，對應(yīng)“斷”“合”電標(biāo)布置地面磁感應(yīng)器。當(dāng)列車通過時，根據(jù)讀取地面磁感應(yīng)器發(fā)送的信號自動進(jìn)行“斷”“合”主斷路器操作。列車通過自動分相區(qū)時，車輛讀取地面磁感應(yīng)器信息自動“斷”“合”主斷路器的惰行距離為：（b + a +中性段+ a）=（170 + 35 + 160 + 35）= 400 m。人工駕駛列車通過分相區(qū)時，正常情況下司機(jī)按照軌旁特殊斷電標(biāo)（T斷）、合電標(biāo)人工“斷”“合”主斷路器的惰行距離為：75 + 30 +中性段+ 30 = 75 + 30 + 160 + 30 = 295 m。

2.3 范本接口要求

按照中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《城市軌道交通車輛與信號系統(tǒng)接口技術(shù)要求（范本）》4.3.1.3要求，信號系統(tǒng)提供RM按固定限速進(jìn)行超速防護(hù)，當(dāng)信號系統(tǒng)檢測到超速時立即啟動報警并施加緊急制動，直至列車停止運行。

本線設(shè)計與國內(nèi)慣例及通行設(shè)計限速取值25 km/h保持一致。按照設(shè)計方案，非正常運營模式下（含 RM和故障車推送模式），由司機(jī)手動駕駛列車通過分相區(qū)。

2.4 存在問題

按照上述要求，經(jīng)牽引計算可知，當(dāng)司機(jī)采用RM操縱列車以不高于25 km/h的速度運行時，在本線分相區(qū)設(shè)計最大坡度7‰、惰行初速25 km/h、惰行末速5 km/h條件下，列車的最大惰行距離約為280 m（小于惰行區(qū)段的長度）。因此采用RM的列車，無法順利通過分相區(qū)。

經(jīng)了解，國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)類似交流牽引供電制式線路，也存在同樣問題，無法在信號系統(tǒng)提供RM模式限速25 km/h運行的情況下，確保列車依靠慣性順利通過分相區(qū)。為解決該問題，需要提高分相區(qū)內(nèi)的運行速度，在信號系統(tǒng)既有RM無法調(diào)整限速的情況下，應(yīng)新增“過分相駕駛模式”。僅在識別到分相區(qū)時，建立該模式并提供順利通過分相區(qū)所需限速對應(yīng)的超速防護(hù)功能。依照本線路坡道、曲線等限制條件，適當(dāng)考慮司機(jī)操作的便利性，本文暫按過分相限速為50 km/h進(jìn)行技術(shù)方案的討論。對于各條線路最終要確定的“過分相駕駛模式”限速，應(yīng)綜合考慮線路條件及過分相區(qū)長度，由設(shè)計單位計算后結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試驗證情況最終確定。

3 駕駛模式建議方案

3.1 技術(shù)方案

為便于設(shè)備維護(hù)、降低人員培訓(xùn)難度、利于備件統(tǒng)一，同時考慮到本線已安裝投用的地面磁感應(yīng)器、車上讀取設(shè)備均經(jīng)國鐵電氣化鐵路以及城市軌道交通交流牽引供電制式線路大量運用，在信息安全讀取、防止誤讀的可靠性方面已得到長期驗證，因此該方案沿用既有磁感應(yīng)器型號，通過在鋼軌中間新增單獨讀取設(shè)備的方式，避免因信息誤讀帶來的風(fēng)險。

車輛專業(yè)在列車駕駛端對應(yīng)兩鋼軌中心線轉(zhuǎn)向架位置新增車上讀取設(shè)備，并通過連接線纜與車上讀取主機(jī)連接。主機(jī)獲取新增設(shè)備讀取的信息后立即通過接口將信息發(fā)送給車輛及信號系統(tǒng)，用于觸發(fā)語音提示，以及建立或退出“過分相駕駛模式”。

按照列車牽引曲線，在確?！昂稀彪姌?biāo)前出口速度不低于5 km/h的情況下，倒推計算列車需要維持50 km/h的線路里程，并在該里程段的起始位置地面兩鋼軌中間新增地面磁感應(yīng)器。列車同步新增讀取設(shè)備，并在讀取信息后對外轉(zhuǎn)發(fā)，由車載信號系統(tǒng)根據(jù)收到的信息建立“過分相駕駛模式”，允許列車限速50 km/h運行并防止司機(jī)超速。

按照列車牽引曲線，在確?！昂稀睒?biāo)前出口速度不低于5 km/h情況下，倒推計算需要列車維持25 km/h的線路里程的適當(dāng)位置（留出司機(jī)聽取語音并確保列車運行速度降至不超過25 km/h所需時間對應(yīng)的列車運行距離），在地面兩鋼軌中間新增地面磁感應(yīng)器。列車新增設(shè)備讀取信息后對外轉(zhuǎn)發(fā)，由車載信號系統(tǒng)根據(jù)收到信息退出“過分相駕駛模式”，允許列車限速25 km/h運行并防止司機(jī)超速。

為確保安全，車輛信號接口需進(jìn)行安全設(shè)計，應(yīng)確保列車在RM運行的前提下，僅在讀取到新增地面磁感應(yīng)器相關(guān)信息后，方可建立“過分相駕駛模式”。在讀取到新增地面磁感應(yīng)器的相關(guān)信息，或按“過分相駕駛模式”運行通過分相區(qū)所需時長倒計時至0時，系統(tǒng)立即退出“過分相駕駛模式”，恢復(fù)RM超速防護(hù)功能。同時，為確保列車依靠慣性通過分相區(qū)的需要，信號系統(tǒng)提供的“過分相駕駛模式”不會執(zhí)行低于50 km/h的臨時限速，相應(yīng)的規(guī)章應(yīng)予以明確。當(dāng)然，對于既有列車沒有新增“過分相駕駛模式”的情況，人工駕駛列車過分相區(qū)時，通過地面磁感應(yīng)器對應(yīng)里程時的實際速度也不能低于50 km/h，相關(guān)規(guī)章應(yīng)明確調(diào)度員不得對分相區(qū)設(shè)置低于50 km/h的臨時限速要求。

上述方案是結(jié)合線路特點設(shè)計。對于后續(xù)新建線路，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)對分相區(qū)的設(shè)置位置進(jìn)行優(yōu)化：一是分相區(qū)的位置要避免設(shè)置于線路限速不滿足列車依靠慣性通過的區(qū)域；二是線路條件允許情況下，研究將分相區(qū)設(shè)置于平坡段的可行性。

3.2 運營操作方案

司機(jī)操作列車按RM運行時，當(dāng)列車運行至新增地面磁感應(yīng)器時，車輛檢測到該地面磁感應(yīng)器信息后轉(zhuǎn)發(fā)給車載信號系統(tǒng)，同步進(jìn)行語音播報“前方即將進(jìn)入分相區(qū)，請操作列車以接近且不超過50 km/h限速運行”。車載信號系統(tǒng)收到信息后，自動建立“過分相駕駛模式”，將限速上調(diào)至50 km/h，司機(jī)按語音提示人工操作將列車運行速度提升至不超過50 km/h，確保列車可以利用慣性正常通過分相區(qū)。

當(dāng)列車依次運行至分相區(qū)既有設(shè)置的4個地面磁感應(yīng)器時，語音按正常設(shè)計依次提示，車輛牽引系統(tǒng)按既有設(shè)計依次斷開、閉合主斷路器。

當(dāng)列車運行至新增地面磁感應(yīng)器時，車輛檢測到該磁感應(yīng)器信息后轉(zhuǎn)發(fā)給車載信號系統(tǒng)，同步進(jìn)行語音播報“前方即將通過分相區(qū)，請操作列車以不超過25 km/h限速運行”。收到信息后，車載信號系統(tǒng)自動退出“過分相駕駛模式”，恢復(fù) RM，司機(jī)操作列車按25 km/h限速運行。

3.3 新增設(shè)備安裝要求

按照地面磁感應(yīng)器磁感應(yīng)強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)偏離感應(yīng)器中心超過200 mm 時，磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減為0。因此在確定新增地面、車上設(shè)備安裝位置時，需確保與既有設(shè)備之間的距離大于200 mm以上，本線路進(jìn)一步提高要求，最終確定安裝距離不得小于800 mm。

新增地面磁感應(yīng)器安裝在兩鋼軌中心線處與既有設(shè)備平行（圖3磁感應(yīng)器1、6），兩條平行線中心點相距1 050 mm，遠(yuǎn)大于200 mm，也符合不小于800 mm要求，因此新增設(shè)備和既有設(shè)備之間不會相互影響。同時，由于本方案要求提升“過分相駕駛模式”超速防護(hù)速度，由此確定的新增設(shè)備安裝位置與既有設(shè)備在線路運行方向上相隔較遠(yuǎn)，更需確保不存在安裝空間、磁感應(yīng)空間的物理重疊。

圖3 新增地面磁感應(yīng)器空間示意圖

新增車載感應(yīng)器安裝于列車轉(zhuǎn)向架、車體中心線上，與地面兩鋼軌中心線重合，同理與既有地面設(shè)備距離也符合不小于800 mm要求，不會生產(chǎn)磁感應(yīng)空間的物理重疊。

因此，采用新增地面設(shè)備安裝于兩鋼軌中心線的安裝方案，在保證列車安全讀取建立或退出“過分相駕駛模式”信息的同時，也完全避免了該信息會被既有車上讀取設(shè)備錯誤獲取的可能。直接選用既有通用設(shè)備，完全可以實現(xiàn)相應(yīng)功能。

對于后續(xù)新建線路，可以進(jìn)一步研究新增地面和車上設(shè)備匹配獨立的磁特性參數(shù)（與既有設(shè)備之間磁特性參數(shù)不同）的可能方案，盡可能從最底層實現(xiàn)與既有過分相地面磁感應(yīng)器相互區(qū)分。這樣軌旁設(shè)備可以采用與既有設(shè)備一致的安裝方案，利用1套車上設(shè)備，通過讀取的不同磁特性參數(shù)轉(zhuǎn)換后的信息，用于斷、合主斷路器，或者建立、退出“過分相駕駛模式”。

3.4 風(fēng)險分析

新增“過分相駕駛模式”提高了超速防護(hù)的限速，因此只能在分相區(qū)域有效，其余區(qū)段須依照既有設(shè)計按 RM運行。具體風(fēng)險點包括段場內(nèi)運行、正線道岔側(cè)向運行、正線小半徑曲線運行等。由于段場運行限速通常較低，本線為25 km/h，若因故錯用過分相駕駛模式，將帶來安全風(fēng)險。列車在正線限速50 km/h以下線路以及道岔側(cè)向運行時，若因故錯用過分相駕駛模式，同樣會帶來安全風(fēng)險。

4 結(jié)束語

針對國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)交流牽引供電制式線路，在信號系統(tǒng) RM 提供限速25 km/h超速防護(hù)情況下，普遍存在無法確保列車依靠慣性通過分相區(qū)的問題，本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求對該問題進(jìn)行了分析，提出采用已有通用設(shè)備新增安裝的方案，由車輛、信號系統(tǒng)按照故障-安全原則進(jìn)行接口設(shè)計，信號系統(tǒng)在檢測到列車處于RM的前提下，在讀取到新增地面磁感應(yīng)器相應(yīng)信息時建立或退出“過分相駕駛模式”，確保列車可以依靠慣性順利通過分相區(qū)的可行方案。按照該方案，在“過分相駕駛模式”有效期間，信號系統(tǒng)提供50 km/h超速防護(hù)；在退出“過分相駕駛模式”后，自動恢復(fù) RM，信號系統(tǒng)提供25 km/h超速防護(hù)，從而實現(xiàn)超速防護(hù)和順利通過分相區(qū)的目標(biāo)兼顧。

本方案雖結(jié)合線路特點提出，但對于國內(nèi)類似交流牽引供電制式線路也可作為參考，具備可推廣、可復(fù)制、可直接采用的特點。在此基礎(chǔ)上，建議后續(xù)線路采取以下措施：一是設(shè)計分相區(qū)時，結(jié)合線路限速情況對分相區(qū)設(shè)置區(qū)段進(jìn)行選擇，要避免設(shè)置在線路限速不滿足列車依靠慣性通過的區(qū)域；二是線路條件即供電設(shè)計要求允許的情況下，研究將分相區(qū)設(shè)置于平坡段的可行性，盡可能利用通用 RM 25 km/h超速保護(hù)功能，實現(xiàn)列車依靠慣性通過分相區(qū)，避免因新增設(shè)備安裝、分相區(qū)特殊臨時限速要求給運營、維保帶來的不便；三是研究新增地面磁感應(yīng)器與車上設(shè)備匹配獨立的磁特性參數(shù)的可能方案，實現(xiàn)利用既有車上設(shè)備讀取地面設(shè)備的不同磁特性參數(shù)轉(zhuǎn)換后的信息，控制斷、合主斷路器，或者建立、退出“過分相駕駛模式”。