基于地鐵列車(chē)方位信息的自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

孫信賢

(深圳市地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518040)

城市軌道交通供電制式主要包括架空接觸網(wǎng)和第三軌供電兩種形式[1]。深圳地鐵6號(hào)線正線采用第三軌供電,確保運(yùn)營(yíng)供電高可靠性,提升高架段視覺(jué)美觀度,方便供電設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)[2];車(chē)輛基地采用架空接觸網(wǎng)供電,確保車(chē)輛維保作業(yè)高安全性,并提升收發(fā)車(chē)效率[3]。在車(chē)輛基地出入段線處,同時(shí)敷設(shè)接觸網(wǎng)和第三軌,作為兩種供電制式的切換過(guò)渡區(qū)域。為匹配供電制式,深圳地鐵6號(hào)線列車(chē)采用雙受流制式[4],即正線采用集電靴受流,車(chē)輛基地采用受電弓受流。

該供電模式很好地兼顧了架空接觸網(wǎng)和第三軌供電制式的優(yōu)點(diǎn),但由于新增了弓靴轉(zhuǎn)換流程,必須確保列車(chē)在弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域安全、高效、正確地完成受流制式切換,否則將造成車(chē)輛侵限、帶載拉弧放電、誤入無(wú)電區(qū)等問(wèn)題[5]。

傳統(tǒng)的解決方案為列車(chē)司機(jī)、車(chē)廠調(diào)度進(jìn)行互控,即“人防”。本文則提供了一種基于列車(chē)方位信息的自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換的“技防”方案,可實(shí)現(xiàn)智能提醒、自動(dòng)觸發(fā)、一鍵自動(dòng)切換、安全防錯(cuò)等功能,已應(yīng)用在深圳地鐵6號(hào)線列車(chē)上,并取得了顯著成效。

1 弓靴轉(zhuǎn)換工作原理和人工操作方法

深圳地鐵6號(hào)線列車(chē)初始設(shè)計(jì)方案僅具備人工弓靴轉(zhuǎn)換功能,雙受流模式與列車(chē)控制系統(tǒng)相結(jié)合,高壓DC 1 500 V通過(guò)兩路輸入逆變器,兩種模式由列車(chē)通信控制系統(tǒng)(TCMS)和無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制單元(LCU)進(jìn)行邏輯控制,由高壓模式轉(zhuǎn)化開(kāi)關(guān)(HVS)執(zhí)行控制命令,從而實(shí)現(xiàn)弓靴轉(zhuǎn)換(圖1)。

圖1 受電弓與集電靴供電模式

以列車(chē)從車(chē)輛基地運(yùn)行至正線為例,列車(chē)需由受電弓取電轉(zhuǎn)換為集電靴取電。首先,列車(chē)駛?cè)胲?chē)輛基地與正線銜接處的弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,停妥后手動(dòng)關(guān)閉所有負(fù)載,包括空調(diào)機(jī)組、列車(chē)照明等;然后手動(dòng)操作降弓按鈕使受電弓降下,確認(rèn)降弓完成;再手動(dòng)按壓集電靴模式完成受電弓模式到集電靴模式的轉(zhuǎn)換;最后操作集電靴升靴按鈕,使集電靴升起,列車(chē)從第三軌受流,并重新開(kāi)啟列車(chē)負(fù)載設(shè)備,則完成了一次人工手動(dòng)“弓—靴”轉(zhuǎn)換,列車(chē)將采用集電靴受流模式在正線運(yùn)行。

同樣,列車(chē)從正線運(yùn)行至車(chē)輛段時(shí),則需完成一次“靴—弓”人工轉(zhuǎn)換操作,列車(chē)由集電靴模式轉(zhuǎn)換到受電弓模式。

兩種模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中,均由司機(jī)對(duì)各步驟進(jìn)行操作,由車(chē)廠調(diào)度通過(guò)軌旁監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行互控,步驟繁瑣,容易出錯(cuò),效率低下,安全保障完全由人工管控。

2 人工手動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)JSA風(fēng)險(xiǎn)分析方法,從人為因素、設(shè)備因素分析弓靴轉(zhuǎn)換每一步驟,梳理得出人工手動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換功能上主要存在以下四大風(fēng)險(xiǎn):

(1) 轉(zhuǎn)換前,模式按鈕未復(fù)位,存在轉(zhuǎn)換失敗風(fēng)險(xiǎn);

(2) 轉(zhuǎn)換時(shí),未關(guān)閉負(fù)載進(jìn)行降弓或者降靴操作,存在帶載拉弧放電、損傷高壓部件甚至接地短路風(fēng)險(xiǎn);

(3) 出庫(kù)時(shí),未完成“弓—靴”轉(zhuǎn)換,列車(chē)升弓進(jìn)入正線區(qū)域,存在列車(chē)侵限導(dǎo)致刮弓事故風(fēng)險(xiǎn);

(4) 入庫(kù)時(shí),未進(jìn)行“靴—弓”轉(zhuǎn)換,列車(chē)駛?cè)霟o(wú)電區(qū),存在失電風(fēng)險(xiǎn)。

3 自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換技術(shù)方案

為消除人工手動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換方案的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計(jì)需求,應(yīng)從控制層面進(jìn)行優(yōu)化,需包含以下6項(xiàng)自動(dòng)化功能:

(1) 列車(chē)到達(dá)弓靴轉(zhuǎn)換位置,弓靴轉(zhuǎn)換功能自動(dòng)激活待命,自動(dòng)觸發(fā)語(yǔ)音(PIS)和司機(jī)顯示屏(HMI)提醒功能;

(2) 司機(jī)一鍵確認(rèn)轉(zhuǎn)換,自動(dòng)切斷全車(chē)中壓負(fù)載,關(guān)閉輔助逆變器;

(3) 自動(dòng)輸出降弓或降靴指令;

(4) 接收到降到位信號(hào)后,自動(dòng)輸出升靴或升弓指令;

(5) 完成高壓受流后,自動(dòng)啟動(dòng)全車(chē)負(fù)載,完成自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換流程;

(6) 列車(chē)出庫(kù)未降弓時(shí),自動(dòng)輸出強(qiáng)制降弓指令,以起到安全防護(hù)作用。

實(shí)現(xiàn)上述功能的核心條件,一是列車(chē)需具備方位識(shí)別能力,即準(zhǔn)確識(shí)別列車(chē)是否處于弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域以及運(yùn)行方向是出庫(kù)還是入庫(kù);二是列車(chē)需實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)控制步驟的自動(dòng)觸發(fā)、運(yùn)行、結(jié)果確認(rèn)等鏈?zhǔn)竭壿嬁刂乒δ?。本文提出了充分運(yùn)用深圳地鐵6號(hào)線列車(chē)防沖撞系統(tǒng)的地面信標(biāo)識(shí)別功能和TCMS、LCU系統(tǒng)邏輯控制功能來(lái)滿(mǎn)足上述核心條件的解決方案。

3.1 弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域敷設(shè)地面信標(biāo)

在弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,敷設(shè)1、2、3號(hào)共3個(gè)地面信標(biāo)。列車(chē)通過(guò)此區(qū)域時(shí),根據(jù)列車(chē)獲取信標(biāo)的先后順序,判斷列車(chē)處于入庫(kù)或出庫(kù)狀態(tài)(圖2)。列車(chē)獲取信標(biāo)順序?yàn)椤?→2→3”時(shí),為出庫(kù)狀態(tài),進(jìn)行降弓升靴;列車(chē)獲取信標(biāo)順序?yàn)椤?→2→1”時(shí),為入庫(kù)狀態(tài),進(jìn)行降靴升弓。

圖2 弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域地面信標(biāo)安裝示意圖(以出庫(kù)為例)

3.2 優(yōu)化列車(chē)控制電路原理

對(duì)受電弓升降、集電靴升降的LCU控制電路原理進(jìn)行分析后,優(yōu)化電路如下:在LCU控制電路中接入信號(hào)源輸出至列車(chē)TCMS系統(tǒng),由TCMS系統(tǒng)直接控制按鈕、指令等信號(hào),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和人工升降弓或升降靴的功能。

3.2.1 受電弓升降控制

人工升降弓需滿(mǎn)足以下條件:受電弓模式,本端司機(jī)室激活,零速信號(hào),所有集電靴降到位,司機(jī)操作升弓按鈕或降弓按鈕實(shí)現(xiàn)受電弓的升降。自動(dòng)升降弓則是在上述條件中增加弓靴轉(zhuǎn)換位置信息作為特定區(qū)域的判定,從而自動(dòng)觸發(fā)升弓按鈕或降弓按鈕信號(hào),實(shí)現(xiàn)受電弓的自動(dòng)升降(圖3)。

圖3 受電弓轉(zhuǎn)集電靴控制邏輯示意圖

3.2.2 集電靴升降控制

人工升降靴需滿(mǎn)足以下條件:集電靴模式,本端司機(jī)室激活,零速信號(hào),所有受電弓降到位,司機(jī)操作升靴按鈕或降靴按鈕實(shí)現(xiàn)集電靴的升降。自動(dòng)升降靴則是在上述條件中增加弓靴轉(zhuǎn)換位置信息作為特定區(qū)域的判定,從而自動(dòng)觸發(fā)升靴按鈕或降靴按鈕信號(hào),實(shí)現(xiàn)集電靴的自動(dòng)升降(圖4)。

圖4 集電靴轉(zhuǎn)受電弓控制邏輯示意圖

3.3 優(yōu)化列車(chē)軟件控制邏輯

分析自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換電路,對(duì)列車(chē)TCMS系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.1 出/入庫(kù)判斷

當(dāng)列車(chē)進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,越過(guò)地面信標(biāo)1或信標(biāo)3時(shí),TCMS系統(tǒng)獲得信標(biāo)信號(hào),根據(jù)信標(biāo)代碼判斷為出庫(kù)或入庫(kù)狀態(tài)。

3.3.2 語(yǔ)音及司機(jī)顯示屏提示

自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換模式觸發(fā)后,列車(chē)通信控制系統(tǒng)觸發(fā)司機(jī)室蜂鳴器,司機(jī)顯示屏出現(xiàn)提示彈框“自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換”,司機(jī)室揚(yáng)聲器播放“列車(chē)已進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,請(qǐng)降靴升弓”(列車(chē)入庫(kù))或“列車(chē)已進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,請(qǐng)降弓升靴”(列車(chē)出庫(kù))。以上3類(lèi)提示可使司機(jī)時(shí)刻關(guān)注轉(zhuǎn)換過(guò)程,提高司機(jī)對(duì)自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換的敏感性,進(jìn)一步提高司機(jī)安全作業(yè)意識(shí)。若轉(zhuǎn)換失敗,可以快速進(jìn)行應(yīng)急處置。

3.3.3 不帶載轉(zhuǎn)換控制

(1) 自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換模式觸發(fā)后,列車(chē)通信控制系統(tǒng)發(fā)出全車(chē)負(fù)載切除指令,負(fù)載完全切除后,才可以發(fā)出降弓或降靴指令。

(2) 轉(zhuǎn)換完成,列車(chē)能夠重新獲取DC 1 500 V高壓后,方可自動(dòng)啟動(dòng)負(fù)載,完成自上電過(guò)程。

以上強(qiáng)制順序可避免因帶載轉(zhuǎn)換導(dǎo)致拉弧接地故障發(fā)生。

3.3.4 強(qiáng)制降弓控制

當(dāng)列車(chē)獲取信標(biāo)順序?yàn)椤?→2→3”且列車(chē)越過(guò)信標(biāo)3時(shí),即列車(chē)出庫(kù)過(guò)程中已越過(guò)弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,但列車(chē)受電弓未降下,則TCMS系統(tǒng)強(qiáng)制發(fā)出降弓指令,確保受電弓降下,避免升弓出庫(kù)導(dǎo)致設(shè)備侵限。

4 結(jié)束語(yǔ)

深圳地鐵6號(hào)線列車(chē)采用雙受流高壓取電模式,較傳統(tǒng)列車(chē)增加了弓靴轉(zhuǎn)換安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)優(yōu)化電路及控制邏輯,目前已實(shí)現(xiàn)了基于地鐵列車(chē)方位信息的自動(dòng)弓靴轉(zhuǎn)換功能的應(yīng)用。該技術(shù)既避免了帶載轉(zhuǎn)換導(dǎo)致接地短路的風(fēng)險(xiǎn),又規(guī)避了升弓出庫(kù)導(dǎo)致異物刮擦侵限的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)還解決了手動(dòng)轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題,可為后續(xù)雙制式供電軌道交通車(chē)輛的設(shè)計(jì)提供參考。