地鐵列車保持制動施加反饋信號檢測方法比較分析

塔子獻 劉 通 尹硯峰 趙 冉

地鐵列車保持制動施加反饋信號檢測方法比較分析

塔子獻 劉 通 尹硯峰 趙 冉

摘 要：目前，國內地鐵列車在車載信號系統控車模式下，列車到站停穩后，信號系統輸出允許列車開門的門使能信號的必要前提條件之一是收到車輛反饋的列車保持制動已施加信號。針對不同車輛采用的檢測保持制動施加信號的器件不同、在運營中存在的差異進行對比分析，提出合理建議，以提高列車運營的安全性，降低運營晚點率。

關鍵詞：列車制動；保持制動；門使能；壓力開關；壓力傳感器

塔子獻：北京地鐵車輛裝備有限公司，工程師，北京 100079

0　引言

列車的制動系統與車載信號系統作為車輛兩大重要系統，其系統的可靠性和穩定性關系到列車的安全運營。作為SIL4級安全等級的車載信號系統，授權列車開門是該系統的安全功能。為確保乘客安全，信號系統控制列車開門指令必須在列車安全停穩后方能被執行，亦即車載信號系統輸出允許列車開門的門使能信號的必要條件是：確認列車已安全停穩且牽引已切除，制動已施加。因此，需要車輛向車載信號系統提供穩定、有效的列車保持制動施加反饋信號。

目前，國內地鐵車輛采集本車保持制動施加壓力信號的器件通常有2種，即：壓力開關和壓力傳感器。具體采用哪種檢測器件則取決于該車輛的制動系統供應商。各條地鐵線路車輛制造商以及制動系統供應商不盡相同，車輛提供給信號系統的列車保持制動已施加反饋信號的電路形式以及制動系統采用的本車保持制動施加信號的檢測器件也不盡相同。即便2條線路車輛的車載信號系統為同一個供應商，信號與車輛接口基本一致，2條線路車輛的制動系統分別采用了壓力開關和壓力傳感器2種不同的制動壓力檢測器件，通過線路開通后2條線路車輛的實際運營情況反饋信息，可以發現2種不同的壓力檢測器件提供的保持制動已施加信號對車載信號系統及時準確輸出門使能信號存在著明顯的差異。本文以北京地鐵房山線和北京地鐵9號線車輛為例，對2條線路列車保持制動施加反饋信號的檢測器件的差異展開對比分析，提出合理建議。

1　保持制動功能描述

為避免列車在坡道上起動時發生倒溜引發安全事故，地鐵列車的制動系統除設有常用制動、緊急制動等常規制動功能外，還具有保持制動功能。列車停穩后，制動系統會根據列車網絡系統指令或自動施加超員（AW3）載荷、線路最大坡道情況下能確保列車不發生溜滑的保持制動力。當列車起動時，在司機控制器主手柄從制動位推至牽引位時，列車仍具有一定大小的保持制動力，以保證列車在起動牽引力小于該力時能可靠靜止而不發生倒溜滑行；只有當起動牽引力大于保持制動力或列車速度大于一定值后，制動系統根據列車網絡系統發出的保持制動緩解指令，緩解保持制動或自動緩解保持制動（注：僅在列車硬線控車的應急牽引模式下，制動系統根據牽引/制動硬線指令，結合列車速度自動施加或緩解保持制動）。一般保持制動力的大小在設計之初設定為列車最大常用制動力的70%，通過首列車的型式試驗最終確定適合運營線路條件和車輛自身性能的制動壓力值。在列車回送和救援時不具有保持制動功能。

為保證乘客上、下車的安全，車載信號自動控制系統（以下簡稱“ATC系統”）則要求列車在站臺停靠后，保持列車的牽引處于禁止或無效狀態，同時保證列車處于可靠靜止情況下，方能允許列車進行開門動作。為此，ATC系統在停車時會首先向列車發出請求列車制動施加（ZVRD）信號；同時需要列車在收到ZVRD信號后，根據車輛實際狀態反饋列車制動已施加（ZVBA）信號；對于ATC系統而言，這是了解列車是否滿足授權乘客上、下車條件的唯一方法；只有在收到列車反饋的ZVBA信號后，ATC系統才會輸出允許列車開門的門使能信號，可以由ATC系統自動或由人工打開列車車門。圖1為北京地鐵房山線和北京地鐵9號線列車在自動開門模式下上述各指令信號時序圖。

ZVBA是ATC系統的一個安全輸入信號，因此，要求列車在站臺制動停車后，只有當列車編組中的每一輛車均可靠施加了保持制動時方可反饋列車制動已施加信號（ZVBA）；對于6輛編組的列車而言，ATC系統要求如果其中的1輛車因故障無法施加制動，允許列車切除故障車制動系統并旁路本車保持制動已施加反饋信號觸點；但如果1個編組中出現2輛車制動系統故障的情況，ATC系統將退出對列車的正常防護工作，降級為人工駕駛列車，以確保列車安全。

為滿足該信號接口功能的要求，車輛在設計時普遍采用將編組中各節車的保持制動已施加反饋信號全部串聯（與邏輯）后，再驅動列車保持制動已施加繼電器，從而反饋滿足ATC系統接口功能需求的列車制動已施加（ZVBA）信號。由于站停時間一定（一般為30 s），同時ATC系統控制著列車車門與站臺屏蔽門的聯動，因此，對于同一編組列車中各節車的保持制動已施加信號采集器件動作的同步性要求相對較高。

北京地鐵房山線車輛的保持制動已施加信號的采集器件為各車制動控制單元（BCU）內的壓力傳感器，北京地鐵9號線車輛該信號的采集器件是連接在各車制動管路上的壓力開關。以下就這2條線路列車保持制動已施加反饋信號的具體電路進行介紹。

圖1　自動開門模式下各指令信號時序

圖2　房山線列車保持制動施加反饋信號電路原理圖

2　電路原理

2.1北京地鐵房山線車輛電路

房山線的列車保持制動施加反饋信號通過圖2、圖3所示電路原理實現。

從圖2、圖3可以看出，在司機室激活狀態下，列車到站停穩時，房山線列車是通過各車制動控制單元（BCU）內設置的壓力傳感器對本車制動缸壓力進行檢測，再通過制動微機控制單元（EBCU）輸出本車保持制動已施加信號驅動本車保持制動施加繼電器。當各車保持制動施加繼電器均得電動作后，各車串聯的該繼電器常開觸點閉合驅動并聯于列車2輛頭車上的列車保持制動已施加繼電器，ATC系統通過采集列車制動已施加繼電器觸點的電平信號，確認列車保持制動已施加。

2.2北京地鐵9號線車輛電路

9號線列車保持制動施加反饋信號通過圖4所示電路原理實現。

從圖4可以看出，同樣是在司機室激活狀態下，列車到站停穩時，9號線列車是通過設置在各車制動風管路上的壓力開關檢測本車保持制動施加的制動壓力值，當管路內壓力達到開關設定值時，壓力開關動作，與其機械聯動的電觸點閉合，各車壓力開關聯動的電觸點串聯形成回路并驅動并聯于列車2輛頭車上的列車保持制動已施加繼電器，ATC系統則通過采集列車制動已施加繼電器觸點的電平信號，確認列車保持制動已施加。

圖3　房山線本車保持制動施加反饋信號電路原理圖

圖4　9號線列車保持制動施加反饋信號電路原理圖

表1　壓力開關和壓力傳感器特性對比

3　檢測器件比較

通過上述功能和原理的介紹可以看出，房山線列車和9號線列車保持制動施加反饋信號的檢測分別是由壓力傳感器和壓力開關這2種不同性能的檢測器件實現的。2種器件的結構組成和工作原理完全不同。

壓力傳感器是壓力-電信號轉換器件，其重要組成部分為敏感元件，通過傳感技術對信號進行檢測。當系統壓力發生變化時，作用在傳感器的擴散硅膜片會產生一個微信號傳導給傳感器內部的擴大電路，通過此擴大電路最終生成一個模擬信號。該器件具有響應速度快以及精確度、靈敏度高的特點。

壓力開關則是一種通過純機械形變導致微動開關動作的機械-電信號轉換器件，它是由膜片、波紋管、活塞等不同的傳感壓力元器件組成。系統壓力的變化導致開關內波紋管（或膜片、活塞）發生形變，再傳導給微動開關，當達到預設值時（通常為一個較大的壓力范圍），微動開關會發生機械跳動，進而改變所連電路的通或斷。

2種檢測器件各種特性的具體比較如表1所示。

2種器件的構成、性能和工作原理的區別，決定了這2種器件在地鐵車輛上檢測列車保持制動施加反饋信號電路設計中的應用效果的不同，主要體現在各車保持制動施加信號的輸出同步性存在一定的差異。

通過表1的特性對比可以看出，壓力傳感器具有精度高、響應快、體積小、穩定性好的特點，其響應速度和信號的穩定性較壓力開關相比具有一定的優勢。因此，對于采用各車與邏輯實現列車保持制動施加信號反饋的電路來說，壓力傳感器的應用可以大大提高本車保持制動施加信號輸出的及時性、可靠性和同步性，從而保證ATC系統可以及時可靠地接收反饋信號，準時有效地輸出允許列車開門的門使能信號，滿足列車站停時間要求，對運營車輛的準點率提供了有力的技術保障。

壓力開關則因其自身的機械特性決定了器件動作的響應時間長，多個器件動作輸出信號的同步性較差，對地鐵車輛向ATC系統輸出列車保持制動施加反饋信號的時間存在一定的影響，容易發生因列車保持制動反饋信號接收延時或超時，而無法給出列車門使能，導致列車車門不能正常打開的現象，相比壓力傳感器在此電路中的應用效果則稍顯遜色。

4　結束語

地鐵車輛的列車保持制動施加反饋信號是ATC系統實現安全控車的重要輸入信號之一，通過上述的對比分析可以看出，壓力傳感器更適用于這一重要安全信號的檢測。因此，建議在地鐵車輛設計時，制動系統可以優先考慮采用壓力傳感器檢測制動壓力的設計方案，提高車輛與信號的接口質量，保證車輛運營的準點率。

壓力傳感器因其體積小，通常安裝于制動控制單元（BCU）箱體內部，相比安裝于車下制動管路上的壓力開關來說，減少了車輛外部電氣連接，也就是減少了電氣故障點，同時，大大降低了車輛用戶的日常檢修維護的工作量。

參考文獻

[1] 幸繼松，方長征，高殿柱，等．電力機車后備空氣制動裝置的分析與設計改進[J]．電力機車與城市車輛，2012，35（2）：44-46.

責任編輯 冒一平

Comparative Analysis on Feedback Signal Detection Methods of Holding Brake of Metro Trains

Ta Zixian, Liu Tong, Yin Yanfeng, et al.

Abstract:At present in the on-board signal control system mode of the domestic metro train, the output from signal system generating the door enabling signal to allow opening doors is one of the necessary preconditions after train stops in station and feedback signal that the train has received holding brake. Aiming to the different holding brake signals applied for detection by different vehicles, making comparison and analysis on the difference in operation, the paper puts forward proper suggestions so as to improve the safety of train operation, and operation punctuality.

Keywords:train braking, holding brake, door enabling, pressure switch, pressure sensor

收稿日期2015-02-09

中圖分類號：U266.291∶U270.35