信號系統與車輛緊急制動接口分析

崔志民

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 緊急制動功能原理

軌道交通連續列車控制級別（Continuous Based Train Control，CBTC）信號系統和車輛系統之間電氣設計包含列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）開關輸入量、ATP 安全輸出量、ATP 非安全輸出量、列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）輸入輸出量等接口內容。其中ATP 安全輸出的緊急制動與車輛接口設計最復雜、同時也是最重要的功能之一，本文將針對這一功能實現進行分析。

車輛緊急制動列車線為貫穿于全列車的列車環路，列車緊急制動指令線從頭車開始直至尾車，再由尾車回到頭車，利用雙線雙斷的安全原則保證緊急制動指令的準確實施，是車輛保證安全的最后一道關。緊急制動系統完全是遵循以“故障導向安全”為原則進行設計的，采用純空氣制動。在設計上是完全獨立于列車的常用制動系統之外的獨立系統。這樣就可以保證即使在常用制動系統發生故障時，也不會影響到緊急制動的實施。緊急制動指令線采用“失電緊急，得電緩解”的形式。

2 緊急制動原理分析

以下通過西安某地鐵項目設計實例簡要分析信號系統與車輛緊急制動接口設計。

2.1 緊急制動施加

貫穿整個列車的DC110 V 連續電源線控制緊急制動系統，環路中任何一個節點斷開，都能保證緊急制動指令線失電，所有車立即實施緊急制動，緊急制動環路失電后會使緊急制動繼電器EBR1 和EBR2 掉電。

車輛的緊急制動作為一個安全保障功能，車輛在無主風缸壓力、無方向手柄、超速、司機未按警惕按鈕、司機按下緊急制動按鈕等多種車輛故障工況下都會輸出緊急制動。信號ATP 系統作為安全控制系統，也會有兩個節點串入緊急制動的環路當中。當信號設備發生故障、測試設備失效、闖紅燈、應答器相關故障、ZC 通信中斷、移動授權超時、運動中車門或站臺門打開、超速、列車溜車、無意識移動等多種信號相關故障時，兩個節點同時斷開，向車輛輸出緊急制動。

2.2 緊急制動緩解

當緊急制動環路中所有節點閉合，整個DC110 V電源線得電時，所有車的緊急制動緩解。緩解緊急制動與司機操作便利性及列車運行安全關系密切。如圖1所示，緊急制動繼電器EBR1 的節點也串聯接入了緊急制動的環路之中，當列車發生緊急制動時，兩個緊急制動繼電器失電，導致緊急制動繼電器EBR1中的B2-C2 與B3-C3 節點斷開。若要緩解緊急制動，需要故障消除，即故障節點閉合，同時需要滿足列車停穩，輸出零速，零速繼電器吸起。目前很多地鐵項目基于安全考慮，會要求司機在列車停穩后將牽引制動手柄置于快速制動（Fast Braking，FB）位置，進行一次人工確認，如圖1 所示。更有項目加入了確認按鈕，需要按下確認按鈕進行二次確認。此類設計加強了列車安全性，但同時也增加了司機操作的復雜性。ATP 系統作為安全系統，在列車功能完好、ATP 功能正常的情況下，能夠保證列車行駛的安全性，因此可使用兩個ATP 激活節點— 即圖1中ATP 激活繼電器B3-C3 節點將環路中的快速制動繼電器3-13 節點進行旁路，當ATP 正常激活時，車停穩后，無需通過司機操作即可緩解緊急制動（此功能需要與如圖3 所示中的快速制動手柄僅控制本端繼電器配合設計達成）。如果業主要求在ATP 防護情況下也必須由司機進行人工確認緩解，此節點需換成無人自折繼電器節點，以滿足無人自動折返時的緩解緊急制動需求。

2.3 警惕產生的緊急制動

警惕按鈕主要作用是在ATP 監督下人工駕駛模式或非限制人工駕駛模式時，若司機出現因精力不集中、精神不振、瞌睡打盹或者意外傷病引發的喪失操縱能力等情況時握緊和松開警惕按鈕超過限定時間，警惕延時繼電器將會動作失電，如圖2 所示，警惕延時繼電器的4-12 節點串聯接入圖3 中列車安全環路中，此時導致安全環路繼電器失電，安全環路繼電器中B1-C1 節點接入圖1 中的緊急制動環路中，此時列車將自動施加緊急制動，保證列車運行安全。而在ATO 模式時，由于列車為自動駕駛，不需人工操作列車的牽引制動，如果仍然要求司機操作手柄，更容易導致司機產生抵抗心理，不利于司機長期駕駛，因此可以采用ATO 模式繼電器中的一組節點，旁路手柄警惕按鈕功能，解決ATO模式下不按警惕按鈕可能導致的緊急制動。

2.4 無人自折中的緊急制動

信號車載系統進行無人自動折返時，列車兩端都處于無鑰匙狀態，牽引制動手柄位于N 位（非FB 位），方向手柄位于0 位，此時信號系統會將無人自動折返繼電器吸起，用于頂替鑰匙激活司機室及列車牽引運行方向前向位。在圖2 所示中，當司控器方向手柄非前向位時，安全環路繼電器為失電狀態。而無人自折過程中方向手柄處于0 位而非前向位，同時由于無人自折時車內沒有司機按壓警惕按鈕，因此需要使用一組無人自動折返繼電器節點旁路此處的方向前向節點及警惕延時繼電器節點，保證在無人自折過程中安全環路繼電器得電吸起，緊急制動電路中的安全環路節點是閉合狀態。

圖1 緊急制動電路圖Fig.1 Circuit diagram of emergency braking

圖2 警惕功能電路圖Fig.2 Circuit diagram of vigilance function

車輛快速制動的邏輯也為“失電制動，得電緩解”，電路原理如圖4 所示。牽引制動手柄FB 位通過列車線同時控制兩端司機室的快速制動繼電器，兩端司機室均未激活或激活端手柄處于FB 位時，兩端繼電器均為失電；當兩端司機室任意一個激活后，本端牽引制動手柄處于非FB 位時，兩端快速制動繼電器同時得電，而由于圖1 緊急制動環路中快速制動繼電器的3-13 節點為常閉節點，此刻繼電器得電斷開，導致車輛無法緩解緊急制動。而ATP 激活（或折返模式）B3-C3 節點僅旁路了本端快速制動繼電器在緊急制動環路中的節點，環路中另一端司機室的緊急制動節點是仍然斷開的，因此車輛一直到處于施加緊急制動狀態。因此通過增加一個二極管的方式，在保證兩端快速制動手柄都能控制車輛快速制動的情況下，僅控制本端繼電器動作，未激活端快速制動繼電器一直處于失電狀態，圖1 中列車尾端快速制動繼電器的3-13 節點處于閉合狀態，此時緊急制動環路得電緩解。通過以上幾處無人自動折返繼電器節點旁路無人自折過程中車輛施加的緊急制動，確保無人自折功能實現。

圖3 安全環路電路圖Fig.3 Circuit diagram of safety loop

3 結語

本文對信號系統與車輛接口電路設計中的緊急制動功能進行剖析，其中的原理經過工程驗證，可以為其他項目設計接口提供參考。信號與車輛接口設計往往是缺陷的高發地帶，是導致工程延期的關鍵地帶，若前期設計缺陷未被及時發現，對后期整改造成極大的困難，甚至造成經濟損失。隨著國內地鐵項目發展越來越迅速，越來越成熟，業主對信號及車輛提出的功能需求也越來越多，這要求信號方與車輛方設計人員不斷鉆研提高自身水平，在熟識己方功能原理的基礎上，也要對對方的功能原理進行充分了解，才能夠保證在設計初期避免發生錯誤，以免遺留缺陷導致后期進行整改。

圖4 快速制動電路圖Fig.4 Circuit diagram of fast braking