城市軌道交通車輛與信號主要接口問題分析

何玉琴 張 潛

(南京地鐵建設有限責任公司,210017,南京∥第一作者,高級工程師)

城市軌道交通車輛與信號主要接口問題分析

何玉琴 張 潛

(南京地鐵建設有限責任公司,210017,南京∥第一作者,高級工程師)

總結了近10多年來南京地鐵建設過程中出現過的安裝接口問題和車輛與信號接口問題,梳理了需要在設計階段注意的接口事項,提出了解決途徑和建議。

城市軌道交通; 車輛; 信號; 接口

Author′s address Nanjing Metro Construction Co.,Ltd.,210017,Nanjing,China

南京地鐵自2000年開工建設以來,出現了不少車輛與信號接口問題。接口問題解決不當會影響列車的功能或性能,甚至會影響列車的正常運行。本文將10多年來南京地鐵建設中遇到的車輛與信號接口問題加以梳理。這些接口事項在設計階段就需要重點關注,并在設計階段通過充分溝通協商來解決、盡量避免在調試階段甚至在運營階段才出現問題。

1 安裝接口問題

南京地鐵1號線車輛出現過底架天線支架開裂、天線支架剛度不夠及雷達安裝位置不恰當等機械類問題。機械方面的問題通常在車輛運行一段時間才能暴露。新項目的天線支架不僅要做有限元計算,還要進行疲勞試驗,以確保天線支架有足夠的強度、剛度及使用壽命。

支架剛度容易被忽視。一旦支架剛度不夠則在運行過程中會產生支架變形,從而導致天線開裂。

安裝雷達時需注意避免將雷達的工作面靠近輪對,以免輪對甩出的雨水污染雷達工作面。

2 車輛與信號接口問題

2.1 駕駛模式定義

在車輛設計階段,應將司機控制器(簡為“司控器”)的駕駛模式定義及劃分詳細告知信號系統設計方,并提交不同駕駛模式下的司控器觸點閉合表。地鐵車輛司控器通常有模式選擇開關+司機操作手柄(DCH)和方式方向手柄+DCH兩種型式。駕駛模式包括列車自動運行(ATO)、手動駕駛(CM)、限速向前(RMF)、洗車(WM)、關斷(OFF)、限速向后(RMR)等。每個駕駛模式均包含方向信號。RMF、WM和RMR模式包含車輛的限速控制指令,使車輛根據司控器的駕駛模式進行限速控制。其中,RMF模式限速25 km/h,WM模式限速3 km/h,RMR模式限速10 km/h。這些限速不受信號系統的限速控制。信號系統限制模式下限速25 km/h,可以與車輛的RMF模式整合在一起。DCH僅提供方向信號。其他駕駛模式需要通過按鈕或開關來切換。

ATO模式下DCH是否機械聯鎖也要提前告知信號系統設計方。若有機械聯鎖,則ATO模式下DCH無法操作,司機不能干預ATO駕駛;若無機械聯鎖,則車輛需要進行電氣聯鎖設置,即在ATO模式和自動折返模式下,來自ATO的牽引和制動指令是有效的,來自DCH的指令需屏蔽。司控器通常有快速制動檔位,對于來自司控器的快速制動指令是否有效應由車輛與信號專業設計商定。

2.2 無人自動折返時序定義

列車折返可分為ATO模式下的無人自動折返、ATP(列車自動防護)監督下的人工折返模式及限制人工折返模式、非限制人工折返模式。最復雜的折返模式是ATO駕駛模式無人自動折返。此模式下,信號系統應在設計階段將折返時序提供給車輛專業,并詳細說明在不同的時序下車輛應執行什么指令;車輛專業設計人員應根據信號系統的時序要求繪制出相應的繼電器、開關或按鈕的工作狀態,并和信號系統專業設計人員進行確認,確保在理論上自動折返功能能夠實現;最終,須在首列列車信號系統調試時進行驗證。

不同信號系統的無人自動折返控制邏輯不同。有的要求列車在轉換軌執行列車換向/換端命令,列車執行“前進”指令;有的則要求在站臺執行換向/換端命令,列車執行“后退”指令。

不同的控制邏輯對車輛的要求不同,要求執行“后退”指令的信號系統通常要求車輛換端時不能斷開高速斷路器,若高速斷路器(簡稱“高斷”)斷開,由于重新閉合高斷時牽引主回路中的充電回路充電需要時間,將會影響折返效率。

南京機場線首列列車在試車線上測試無人折返功能。按照無人折返的操作步驟進行測試時,車載信號主機(VOBC)發出牽引受阻告警,施加緊急制動,系統未能正常進入無人折返運行狀態。無人折返的操作步驟如下:

(1) 列車位于終點站,需要折返;

(2) 將兩個駕駛室模式選擇開關(MSS)都置于關斷位置;

(3) 司機激活無人折返請求(DMR)按鈕至少0.5 s;

(4) VOBC獲得所有的門關閉并鎖閉狀態;

(5) ①司機拔掉鑰匙,并且沒有駕駛室被激活,VOBC 施加緊急制動;②VOBC輸出無人折返模式使能(DME)信號,VOBC 進入“DTB”(無人折返)模式,VOBC輸出緩解緊急制動請求;③VOBC開始無人折返模式,輸出牽引信號,自動控制列車進入折返軌。

經過分析,找出了折返失敗的原因:在無人折返的第(5)步的①項,當司機拔鑰匙,且VOBC施加緊急制動后,車輛的牽引系統斷開了高斷。一旦高斷斷開,緩解EB 后,需要10 s左右車輛才能執行正常的牽引指令。所以當無人折返操作進入第(3)步的③項、VOBC 進入“DTB”模式輸出緩解緊急制動的請求、并輸出牽引電流給牽引系統時,牽引系統無法立即執ATO 牽引力輸出(要等10 s左右);在此時間內,VOBC 的牽引受阻保護功能(VOBC保護牽引系統的一種功能,即VOBC 輸出牽引電流9 s后,如果車輛運行距離少于1 m,則判定為牽引受阻,VOBC自動施加緊急制動)起作用,無人折返操作失敗。

可從兩個方面著手解決:一是車輛修改設計,在非蘑菇按鈕觸發的緊急制動中不斷開高斷;二是信號系統延遲牽引受阻保護功能的觸發,但可能會影響折返效率,120 s內難以完成無人折返功能。

2.3 列車完整性要求

信號系統需要車輛提供列車完整性信號。列車完整性信號通常通過車端跨接電纜的方式提供,也有的通過觸點式車鉤連接器的方式提供。由于觸點式車鉤連接器在運行中不斷承受壓力和拉力,很可能會出現觸點抖動現象。而且會極易被信號系統采集到(信號系統的掃描周期為幾十毫秒)。一旦信號系統采集到抖動信號,就會認為列車完整性被破壞,進而觸發緊急制動。

車輛專業對于列車的完整性,已做了充分考慮。一旦列車意外脫鉤,就會氣路斷開,并立即很快觸發緊急制動。有的項目還設計了“雙重保險”:在車鉤連接面上設有觸點或行程開關,一旦氣路斷開,觸點就會斷開,從而觸發緊急制動。但用于車輛緊急制動回路的觸點式車鉤連接器觸點抖動不會導致列車觸發緊急制動,因為觸點抖動時間不足以讓緊急制動繼電器失電動作,列車的完整性不會受到影響。故建議列車完整性信號采取跨接電纜方式傳輸。

2.4 最高限速值的確定

信號系統的最高限速取決于線路限速。最高運行速度為80 km/h的線路實際可能只有約75 km/h。這是因為：雖然按土建專業的限速是80 km/h,但信號系統有安全防護距離,故最高運行速度會低于土建限速。運營方應在初步設計階段對線路設計單位提出土建限速為85～90 km/h的要求,以保證實際最高運營速度能達到80 km/h。

車輛有超速保護。作為最后一級限速保護,車輛的限速要高于信號,且不能干預信號系統的速度控制。車輛運行最高速度的限值需要車輛及信號系統共同商定。

2.5 信號冗余時的控制策略

不同的信號系統在ATP發生冗余故障時的控制策略各不相同，有的會輸出緊急制動指令，有的不能輸出有效控制指令,故車輛須按照其要求保持冗余前的控制指令或優化控制指令。

如信號系統在ATP冗余故障時輸出緊急制動指令,則車輛根據信號系統的要求自動恢復運行,而不必停下來后重新起動。為此,車輛需要在設計階段結合信號系統發出的指令(如旁路零速、緊制復位及緊制緩解等)搭建好冗余切換成功后緊急制動自動緩解、牽引恢復的電路。

如信號系統在ATP冗余時不能輸出有效控制指令,也通常會要求車輛在ATP切換過程中保持冗余前的控制指令。ATP 正常切換時間為500 ms左右,且故障應該導向安全。建議如果列車在冗余前處于牽引狀態,則冗余過程中會改為惰行狀態;如果列車在冗余前處于制動狀態,則冗余過程中列車會保持制動狀態;如果列車在冗余前是惰行狀態,則冗余過程中列車保持惰行狀態。ATP 冗余故障瞬間,若列車在折返線及試車線線路終點區段,則司機需謹慎觀察,以免發生安全事故。

2.6 自動報站

列車車載廣播設有自動報站功能。在自動報站模式下,列車應能根據位置信息和車站代碼自動進行廣播。自動報站所需的位置信息和車站代碼來源于信號系統。信號系統應將位置信息、車站代碼及開門側等信息提供給車輛,且不應設置限制條件。

只要信號系統設備正常工作,司機既可以在ATO模式下，也可以在手動駕駛模式下選擇自動報站模式。有些線路的信號系統只允許車輛在ATO模式下使用自動報站功能,但列車在停站時其系統又必須切換到人工駕駛模式,從而導致自動報站功能無法使用,給司機帶來了不必要的麻煩。

除此之外,信號系統需在設計階段將詳細的車站代碼定義提供給車輛,有的信號系統設有虛擬站臺,應一并提供給車輛,以便于準確報站。

需要注意的是,為了提高服務質量,在自動報站模式下,信號系統應在起點站發車前提供目的地和下一站代碼。在此之前客室內顯示器及目的地顯示器均顯示“××地鐵歡迎您”或其他字樣,并將動態地圖顯示黑屏,以免引起乘客誤會。

2.7 車門控制

在信號控制模式下,在不同的城市DCH激活后會有不同的處理。有的城市的DCH激活時列車尚在站臺區域且列車速度低于5 km/h則觸發緊急制動,如列車速度高于5 km/h則列車運行到下一站。有的城市全程監控,任何時候激活DCH都會觸發緊急制動。為此，有的城市專門研究制定了相應規范。

由于乘客遇到特殊情況激活DCH后,若列車觸發緊急制動停在區間也無法解決問題,反而會延誤事情的處理。因此，區間運行的列車不應觸發緊急制動停車,而應繼續運行到下一站再停車開門。

若列車在區間內停車且無法起動,則乘客激活DCH后可由司機在延時時間內決定是否允許乘客手動打開車門;如果司機在延時時間內未進行操作,則乘客可手動打開車門;若司機在延時時間內進行操作,則車門不可以被乘客手動打開。若列車控制電路失電,則DCH激活后應能手動打開車門。

信號系統對于車門的監控是必要的,但不一定以監控DCH為目標。因此,DCH激活后車門應僅僅是解鎖,且在列車運行中乘客并不能手動打開車門,只有在零速條件下車門才能被打開。

建議車門設置“關到位”限位開關,信號系統監控該開關,一旦“關到位”限位開關離開“門關好”位置,信號系統應立即觸發緊急制動。

還有一種特殊情況:當列車?？吭谡九_且車門打開狀態下,如果主控車載信號主機死機時,則信號系統會要求車門保持原來狀態,而門使能信號會丟失。如車輛設計階段已考慮要求,則增加零速列車線并搭建滿足其要求的邏輯控制電路,否則車門只能執行關閉指令。

2.8 濕軌切線方向的緊急制動減速度(GEBR)值

信號系統要求車輛提供濕軌條件下的GEBR值以作為信號設計安全防護距離的輸入值之一。

空氣制動屬于黏著制動,即利用車輪與軌面之間的黏著力進行制動。車輛減速度與黏著系數之間的關系為:

(1)

式中:

ae——列車等效瞬時減速度;

μ——粘著系數;

g——重力加速度;

η——防滑效率,通常大于85%。

當車輛發生滑行時,車輛本身防滑系統會進行防滑保護,以防止輪對擦傷。

(2)

可見,ae與μ線性比例關系。

軌道黏著條件受到雨雪、霧霾、霜露等環境條件以及軌面潔凈程度等因素影響。同時,與平直道相比,在下坡工況下,車輛產生相同的減速度所需要的軌道粘著系數更大。車輛實際能夠達到的減速度與軌道黏著條件密切相關,屬于客觀物理特性。在濕軌條件下,輪軌黏著條件難以保證,通常提供給信號系統一輛車的制動失效時的GEBR值,或者提供特定條件下GEBR值。(如南京機場線的GEBR值為0.85 m/s2,緊急制動所需黏著系數為0.14。)車輛同時要將制動過程(含響應時間)告知信號方。車輛從收到制動命令到建立10%壓力和繼電器響應時間(即空走時間)t10是固定的,無論制動起始速度是多少,t10都是相同的。車輛提供給信號系統的GEBR值要扣除t10。列車制動等效時間計算曲線見圖1。

圖1中，

式中:

t10——空走時間;

te——等效響應時間;

t90——響應時間;

v0——初速度;

s3——制動距離。

圖1 列車制動等效時間計算曲線

車輛提供的GEBR都是在特定條件下的數值。這在設計聯絡階段要詳細說明。

2.9 滑行控制

車輛具有滑行保護功能。在制動過程中一旦檢測到輪對滑行,車輛會根據打滑嚴重程度降低制動力,以免輪對擦傷。在嚴重滑行時會將制動力降到零。車輛滑行保護控制是為了更好地利用最大黏著力,有效控制制動距離。在ATO模式下,由于車輛滑行保護時的制動力會降低,故短時間內達不到信號系統所要求的減速度。信號系統若因此要求加大減速度將會導致車輛滑行加劇,難以恢復到正常狀態。故信號系統在設計階段要慎重考慮車輛滑行時的控制策略,根據車輛發送的滑行信號進行控制。

在設計階段用戶要關注信號供應商對車輛滑行期間的控制策略,要防止在ATO模式下因滑行而引發緊急制動。尤其在高架和地面線路上,由于這種線路在不良天氣下易出現打滑現象,故信號系統應在設計階段充分考慮安全可靠的控制策略,否則會出現區間緊急制動或站臺區域緊急制動沖標,進而影響正常運營。雖然有的信號系統有“雨天”模式,且會在“雨天”模式下采用較小的制動力以降低滑行幾率,但如果控制策略不合理,依然會出現緊急制動,甚至在區間內發生緊急制動。

車載信號系統的測速方法通常采用雙速度傳感器或速度傳感器加雷達的方式。由于列車運行距離通過測速來計算,故當列車發生嚴重滑行時速度傳感器測速誤差會比較大,計算距離和實際運行的距離誤差會比較大。這樣,信號系統地面應答器在核對列車位置時會無法確認列車位置,從而觸發緊急制動。若采用速度傳感器加雷達的方式,則由于雷達測速方式不受滑行影響,測速比較準確,不容易產生較大的誤差。故建議信號系統采用速度傳感器加雷達的測速方式。

2.10 緊急制動旁路在ATP監控下的使用

根據多年的運營經驗,有些車輛故障會引發緊急制動,但大多數情況下牽引系統和制動系統并無故障,是可用的,且通過旁路緊急制動回路可以讓列車依靠自身動力回庫,避免救援。

從運營的角度來說,在ATP 功能正常的情況下,緊急制動旁路應在ATP 監控下使用(在制動旁路電路增加ATC 緊急制動觸點)。這樣便于司機監控速度,使行車更安全。

信號系統供應商認為緊急制動旁路時應切除信號系統；因為車輛故障狀態下無法判斷制動性能是否正常,也無法判斷能否保障列車所需的安全制動距離。為此,用戶和供應商要充分溝通、互相理解。

在南京地鐵項目中,首先,經過協商,由用戶向信號系統供應商提供緊急制動旁路裝置使用規定;然后,由信號系統供應商進行安全評估;最后,供應商同意了用戶的需求。而南京地鐵車輛設計方在設計控制電路時就將此功能加入了控制電路。

[1] 郝海龍,何慶復,柳擁軍.無人駕駛地鐵輕軌列車中的輪軌粘著問題[J].鐵道機車車輛,2005,25(3):32-35.

[2] CENELEC Internal Regulations.Railway applications-Braking-Mass transit brake system Part 1:Performance requirements:EN 13452-1 [S].Brussels：CEN,2003.

Analysis of Key Issues on Interfaces between Subway Vehicle and Signaling System

HE Yuqin, ZHANG Qian

The main problems related to interfaces between vehicle and signaling system during the subway construction in Nanjing City in the past 10 years are summarized,key points in the design phase of subway interfaces are emphasized,solutions and suggestions are proposed.

urban rail transit; vehicle; signaling; interface

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.12.027

2016-07-25)