CBTC在跨座式單軌交通系統制式中的應用

徐 鼎

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100055)

1 跨座式單軌交通系統概述

重慶軌道交通3號線(以下簡稱“3號線”)采用跨座式單軌交通制式，該單軌系統起源于日本，在國內首次應用于重慶軌道交通2號線(以下簡稱“2號線”)。日本國內及日本之外的單軌線路(包括重慶2號線)信號系統均采用基于TD(train detect)環線的列車控制系統，而重慶3號線信號系統采用了目前在鋼輪鋼軌制式中廣泛采用的基于通信的列車控制系統(CBTC)。

跨座式單軌交通系統，以高強度混凝土梁作為車輛運行的軌道，采用跨座式單軌車輛，車輛的走行輪、導向輪和穩定輪均采用充氣橡膠輪胎;單軌交通制式占地面積少、爬坡能力強、轉彎半徑小，非常適合山城山高坡陡、彎多路窄的地形條件;由于取消了傳統的鋼軌和鋼輪，大大減小了車輪與鋼軌間的噪聲，改善了城市公共環境和居住條件。

2 CBTC在單軌交通制式中的應用

CBTC在單軌交通制式中的應用原理與鋼輪鋼軌的控制原理完全一致，功能需求也基本相同。但單軌交通制式與鋼輪鋼軌制式的車輛及軌旁環境完全不同，大多數在鋼輪鋼軌制式中廣泛應用的信號設備在單軌制式中都不能直接應用，或者根本不能應用，比如軌道電路。因此，CBTC在單軌應用中主要面對的是車載、軌旁設備選型及安裝等工程應用方面的問題。以下從幾個方面進行分析，包括軌旁設備綜合安裝平臺、計軸設備在單軌制式中的應用、應答器在單軌制式中的應用、單軌車輛測速裝置的選擇、防止車輛誤出發功能的實現。

2.1 軌旁設備綜合安裝平臺

CBTC在軌旁有計軸、應答器、信號機、AP天線等設備，圖1為重慶軌道交通2號線高架線路狀況。

圖1 重慶軌道交通2號線

2號線信號機安裝平臺是一個預先澆注并與蓋梁為一體的混凝土平臺，雖然牢固但需預先澆注，這要求在土建施工階段就必須確定軌旁設備的位置。由于AP天線、應答器必須在軌通后經過定測才能確定實際位置，因此該方案實施難度很大。

3號線軌旁綜合設備安裝平臺需要有以下特點:牢固、靈活，安裝使用方便。具體方案如下:在每個橋墩的蓋梁端部預埋4根鋼質套筒，4根套筒與1塊鋼板焊接，以增加強度。與套筒配套的是M20的8.8級螺栓，每個螺栓可承受10 t的拉力。經過抗拔實驗，證明預埋套筒是牢固可靠的。

2.2 計軸設備在單軌制式中的應用

2.2.1 計軸設備的使用情況

目前，國內所有CBTC系統均配備列車輔助位置檢測設備，鋼輪鋼軌一般采用計軸作為列車輔助位置檢測設備。但是，所有計軸設備只適用于鋼輪鋼軌，并無適用于單軌制式的產品。

在研究了紅外線檢測、激光對射檢測等方式后，經過比選得出結論:對計軸設備進行再開發改造，最適合于單軌制式。

要在單軌上使用計軸需解決3個問題:一是在單軌車上找到一個合適的可以切割磁力線的物體，普通列車及工程車均需有這樣的物體，而且相對軌道應在同一位置上;二是在軌旁相應位置，要有安裝發送及接受磁頭的條件;三是在新的使用環境下，驗證計軸仍可以安全可靠地使用。

2.2.2 檢測物體的選擇確定

由于跨座式單軌車輛的走行輪、導向輪和穩定輪均采用充氣橡膠輪胎等非金屬材料，所以無法使用車輛的走行輪、導向輪和穩定輪來影響電磁場的磁力線分布。單軌車輛的車輪位置如圖2所示。

圖2 單軌車輛的車輪位置

通過對運行車體的研究分析，最后確定采用檢測跨座式單軌車輛側面穩定輪的應急鋼輪的辦法來判斷車輛。應急鋼輪比穩定輪直徑略小，平時與軌道梁有一段距離，當穩定輪氣壓不足或故障時，可作為車輛應急之用。此鋼輪在車體上的數量和物理位置是固定的，在車輛運行過程中其位置和軌道梁側面的相對距離變化極小，非常適合于電磁傳感器檢測。

2.2.3 計軸設備的安裝方式

采用固定支架將發送磁頭安裝于軌道梁下部，利用預埋固定套筒將接收磁頭安裝于軌道梁中部凹面的斜面上，跨座式單軌車輛的穩定輪的應急鋼輪在此間運行來切割磁力線，使磁場的相位發生改變。圖3表示鋼輪、電磁傳感器、軌道梁之間的關系，圖4為3號線車輛段計軸實際安裝現場。

圖3 計軸的安裝位置

圖4 單軌計軸的實際安裝現場

2.2.4 計軸設備的應用試驗

在單軌中使用計軸設備，其環境相比鋼輪鋼軌有以下變化:一是發送與接收磁頭間的距離由270 mm左右增加到450 mm左右;二是計軸周邊環境有變化，如無鋼軌、背面為鋼筋混凝土結構等。

為了驗證計軸在單軌制式使用時是否安全可靠，在2號線試車線安裝了兩個計軸設備進行長期試驗。在試驗中，對整個調節范圍內的接收電壓進行有模、無模狀態的電壓值測試，測試結果均符合相應的技術要求，見表1～表2。

表1 室外檢測點的指標測試

表2 室內主機的主要技術指標測試

雖然使用環境和安裝方式發生了變化，但是計軸的基本檢測原理并未變化，接收信號由55～300 mV減小到55～100 mV，仍在指標范圍內，故其安全性和可靠性并未改變。接收信號的減弱是由于磁頭間距離變大及磁頭背后有大量鋼筋，導致磁通量減少。

2.3 應答器在單軌制式中的應用

3號線采用的是歐標應答器。鋼輪鋼軌應答器一般安裝在軌道中間，而單軌制式應答器只能安裝在軌道梁側面。

圖5所示為蓋梁的安裝方式，應答器水平安裝在蓋梁或支架上，這類似于鋼輪鋼軌，應答器與BTM(應答器傳輸單元)天線作用方向垂直于地面。

經過比較分析，蓋梁安裝方式擺脫了軌道梁，不需要在軌道梁上預埋任何裝置，有利于工程的順利實施。另外，安裝空間較大，受車輛限界和其他限界影響小。因此，最終3號線選擇了蓋梁安裝方式。

圖5 橋墩蓋梁的安裝方式

右線應答器安裝在線路內側蓋梁上，左線應答器通過支架安裝在前面提到的軌旁設備綜合安裝平臺上。BTM天線安裝于單軌車輛腹板底部，腹板與單軌車輛通過鉸鏈連接，維修時腹板將向上打開。

由于單軌車輛采用膠輪制式，它的上下、側傾幅度都比鋼輪車輛的大，就是說其應答器與BTM天線在垂直及水平作用的范圍內均比鋼輪鋼軌發生了很大變化。歐標應答器應用于鋼輪鋼軌的一般作用范圍為:垂直范圍195～463 mm，水平范圍0～±180 mm。為了滿足單軌制式的需求，對應答器和BTM天線的參數均做了相應調整，使之在更大的作用范圍內正常工作。表3為調整完成后的測試結果。

表3 單軌應答器的測試結果

測試數據表明，歐標應答器在3號線的安裝環境下，應答器的參數變化較小，不影響現場應用。

2.4 單軌車輛測速裝置的選擇

2.4.1 列車測速裝置

列車測速裝置主要有以下3種:測速電機、多普勒雷達及加速度計。

日式單軌車輛也采用測速電機。測速電機安裝于齒輪箱側面，通過檢測齒輪的齒運動達到測速目的。重慶2號線采用的測速電機型號為SMG-135-D(見圖6)，車輪每旋轉一圈產生49個脈沖信號。由于其測速精度依賴于齒輪的齒數，7 km/h以下的測速精度基本不可靠，且不能檢測列車倒退，因此存在較大的安全隱患。

圖6 SMG-135-D型測速電機

2.4.2 單軌車輛測速裝置

為了提高測速精度，3號線采用AG20型測速電機，依然安裝在齒輪箱側面。車輪每旋轉一圈，AG20會產生180個脈沖信號。測速精度的提高有賴于車輪每轉所產生的脈沖信號數量，因此AG20通過皮帶，由齒輪中心軸帶動其軸承旋轉，這樣所產生的脈沖信號數量就不依賴于齒輪齒數，可達到較高的測速精度，從而基本與鋼輪鋼軌相當。

2.5 防止車輛誤出發功能的實現

由于單軌道岔的未開通方向處于斷軌狀態，一旦列車司機誤操作，就會闖紅燈駛向未開通的道岔，發生掉軌、列車顛覆等嚴重事故。實現防止車輛誤出發功能，就是為了防止列車在車輛段由于司機駕駛失誤而闖入未開通道岔方向進路。

在車輛段每架信號機前設置有源應答器，可以反映前方信號機的狀態。當列車通過有源應答器時，可接收到信號機的狀態信號;如果為紅燈信號，則實施緊急制動，保證列車在信號機前制動停車。應答器設置在信號機前32.4 m處(該距離包含列車15 km/h速度制動距離加安全距離)，以保證列車能夠在信號機前停車。

3 結語

經過以上分析，可以得出結論:CBTC完全可以應用于單軌交通系統制式。另外，建議在今后單軌項目中配置有源應答器，以實現點式ATP后備方案。

［1］重慶軌道交通設計院，北京城建設計研究總院，北京交通大學.CBTC在重慶應用研究驗收研究報告［R］.重慶，2006.

［2］蔣先進，文成祥，穆紅普，等.計軸設備在重慶單軌交通3號線的應用方案研究［J］.鐵路通信信號工程技術，2008(3):22-24.

［3］重慶市軌道交通三號線一期工程信號系統合同文件:技術規格書［G］.重慶，2008.

［4］重慶單軌三號線一期信號工程信號系統初步設計［G］.重慶，2007.

［5］重慶單軌三號線一期信號工程微機計軸設備初步試驗報告［R］.重慶，2009.

［6］重慶單軌三號線一期信號工程軌旁無線場強測試報告［R］.重慶，2010.

［7］重慶單軌三號線一期信號工程應答器測試報告［R］.重慶，2010.