基于信號和車輛系統聯控的弓靴轉換控制設計研究

摘 要：廣州地鐵 4 號、5 號、6 號、14 號、21 號線運營線路采用第三軌集電靴受流方式，車輛段采用接觸網受電弓受流方式，列車在進出車輛段時，需在弓靴轉換點處進行降弓升靴或降靴升弓的操作，傳統“人防”監控方法是人工監控與視頻監控。文章研究利用信號定位、車輛控制軟件聯控的方式，實現列車弓靴轉換由“人防”向“技防”的轉變，設計研究成果已在廣州地鐵 14 號、21 號線車輛段出入段線弓靴轉換點處成熟應用。該設計研究方案能優化列車出入場管理、節約人力資源，并從根本上解決人工未按要求進行弓靴轉換而產生的安全風險。

關鍵詞：地鐵車輛;弓靴轉換;聯動監控

中圖分類號：U231

1 研究背景

城市軌道交通車輛通過受流器與接觸導線（接觸網或第三軌）滑動接觸，從供電電網吸收電能，常用的取流方式包括受電弓受流以及集電靴受流2種。廣州地鐵14號、21號線采用6節編組、120 km/h的B型列車，采用受電弓或集電靴受流的方式，即車輛段為1 500 V接觸網供電，運營線路為1 500 V直流接觸軌供電。

當列車從車輛段駛入運營線路或從運營線路駛回車輛段時需轉換受流模式。以從車輛段駛入運營線路為例，司機需手動操作降弓按鈕，使列車車頂受電弓降下，并同時手動操作升靴按鈕，使車底集電靴升起，實現列車供電受流方式的轉換，此過程為升靴降弓。列車從運營線路駛回車輛段時的動作則剛好相反，稱為升弓降靴。弓靴轉換點位于車輛段出入段線處，軌旁設置有信號機、應答器等信號定位設備。當列車從車輛段駛入運營線路區域時，若在弓靴轉換點處未降弓升靴，或從運營線路駛回車輛段時未降靴升弓，都將導致受電弓或集電靴受到撞擊損壞或列車失電停車等安全事故。因此，確保列車在弓靴轉換點完成弓靴轉換，是保證安全行車的重要環節之一。

廣州地鐵4號、5號、6號、14號、21號線線路均采用庫內受電弓受流、運營線路集電靴受流方式，且11 個段場共計22條出入場線，共配屬列車233列，年均操作弓靴轉換多達17萬次，存在較高的安全風險。2012年5月，廣州地鐵5號線魚珠車輛段發生1起因司機未操作降弓出段導致列車在出段線洞口撞弓的嚴重安全事件。

為避免在弓靴轉換點未完成弓靴轉換導致撞弓或撞靴的隱患，廣州地鐵主要采用人工模式（安排作業人員至轉換軌處目視監控確認弓靴狀態，以及通過轉換軌處的洞口攝像頭監控，并實時與司機、行車調度進行溝通確認弓靴狀態）以及視頻監控（通過專用攝像頭實時監控列車受電弓狀態，并將畫面實時傳輸給行車調度，再由行車調度確認降弓動作是否完成）的方式進行弓靴狀態的監控，此2種方案增加人為溝通確認環節，降低作業效率，且無法從根本上排除人為疏忽導致的隱患點。文章研究利用列車車載信號系統能夠實時提供位置信息的特性，將弓靴轉換點進行標定，為列車定位，即在弓靴轉換點的位置增加出段時未降弓、回段時未降靴則列車牽引封鎖的方案，開展列車弓靴轉換由“人防”向“技防”轉變的無人監控模式研究。

2 弓靴轉換控制方案設計

2.1 控制基本原理

基于信號和車輛聯控的列車弓靴轉換控制方案基本原理是在列車進出車輛段時，車輛控制和管理系統（TCMS）實時監控列車弓靴狀態，再結合信號系統發送的列車定位信息，對司機操作進行預警提醒以及實施牽引封鎖的功能。

2.2 控制方案設計

基于信號系統能將列車實時位置信息發送至TCMS系統的原理，采用信號定位+車輛軟件控制方式實現無人監控弓靴轉換點，即在弓靴換點前A（暫定40 m）范圍內觸發預警信息提醒司機降弓升靴;在弓靴轉換點前B（暫定20 m）至弓靴轉換點后C（暫定20 m）范圍內未降弓則實施牽引封鎖，列車無法啟動。如圖1所示。

2.2.1 車載信號系統定位

廣州地鐵14號、21號線車載信號系統存儲了線路的數據庫，該數據庫中包括線路的應答器、軌道分區、道岔、線路狀態等信息。車載信號系統通過軸端速度傳感器獲取列車的運行速度、運行方向、運行距離信息，并在發生非預期移動（如空轉、滑行）時通過測速雷達進行位移補償。當列車經過應答器時，列車車載信號系統會收到應答器發送的包含識別編號（ID）的報文，結合信號系統軸端速度傳感器獲取的實時速度進行一系列運算，從而確定列車的位置。列車每檢測到1個有效的應答器報文就會進行1次位置信息校準，以此糾正軸端速度傳感器和測試雷達長時間計算而產生的誤差，從而實現列車精準定位。

2.2.2 車輛系統控制

廣州地鐵14號、21號線TCMS系統為車載分布式列車電子控制系統，是為軌道車輛的控制和通信而設計的一套車載計算機系統。它以列車整車計算機網絡為基礎，廣泛地采用電子控制設備和串行數據通信代替繼電器、接觸器和直接硬連線，并且通過網絡連接各個子系統的控制設備（如牽引控制、摩擦制動控制等），執行列車運行數據信息采集、管理和列車控制的功能，綜合分析信息采集模塊的數據、司機操作指令等信號，按照預先錄制的程序進行縝密運算及邏輯處理，輸出列車各部件的操作控制指令，對列車整車、各子系統以及其他車載系統進行集散控制。

文章提出的方案中TCMS系統實現的功能如下。

（1）當列車進入降弓提醒區域，若未降弓則在司機顯示屏進行提醒“進入弓靴轉換區注意降弓升靴出庫”并持續發出蜂鳴聲報警。

（2）當列車進入牽引封鎖區域停穩，未降弓則在司機顯示屏進行提醒“未降弓出庫導致列車牽引封鎖”， TCMS系統向牽引系統發送牽引封鎖命令，列車無法啟動。

具體控制邏輯如下。

（1）預警信息觸發原理。在同時滿足3個基本條件（即出段工況、列車位于預警觸發區域、受電弓模式為1）時，列車顯示屏會進行提醒“進入弓靴轉換區注意降弓升靴出庫”。

（2）牽引封鎖觸發原理。為確保列車運行安全，TCMS系統需對影響列車運行的所有狀態信號進行實時監視，一旦有實時狀態信號影響列車行車安全時，TCMS系統將封鎖列車牽引指令。在同時滿足4個基本條件（即列車零速、出段工況、列車位于牽引封鎖區域、受電弓模式為1）時，車輛控制屏會進行提醒“未降弓出庫導致列車牽引封鎖”。

3 弓靴轉換控制方案工程驗證

3.1 軌旁設備分布及功能

廣州地鐵21號線鎮龍車輛段出入段線信號軌旁設備主要包括：軌旁無線單元或接入點（AP）、無線天線、計軸磁頭和檢測單元、信標、道岔、信號機等設備，相關設備位置分布簡圖如圖2所示。

車載信號定位系統主要包括：查詢器、射頻模塊（RF）、天線、信標等設備。前3個基本組件安裝在列車上，信標單獨安裝在線路上的關鍵位置，決定列車的位置。RF模塊生成射頻信號，天線將信號傳播到外界。在列車運行過程中，當信標接收到該射頻信號時，信標將包含信標唯一編碼信息的原始信號的變換形式反饋回天線，RF模塊解調該信號，并對其進行預處理，然后將其傳送至查詢器，隨后查詢器處理該信息，并經串行鏈路將其傳送至車載信號控制設備（VOBC），將編碼信息處理成車輛接收的偏移量（列車進入某一個區段，車頭距離下一個區段起始位置的距離），供車輛系統識別列車位置信息。

3.2 降弓提醒及牽引封鎖點區域設置

根據廣州地鐵21號線項目車輛信號接口協議，VOBC將列車所在的區段信息以及偏移區段小里程的偏移距離信息發送給車輛。根據21號線信號設備平面圖，鎮龍車輛段21號線出段線弓靴轉換點所在的區段編號為287，通過對該區段30列次（不同日期、不同車次）進行弓靴轉換點數據采樣，列車弓靴轉換點平均偏移量在136200±50cm范圍內，采樣數據如圖3所示。確定弓靴轉換點平均偏移量為136200cm（50cm忽略不計），設置降弓提醒區域為138200～140200cm;牽引封鎖區域為134200～138200cm。

3.3 TCMS 系統實現降弓提醒及牽引封鎖功能

TCMS系統對列車位置（所在區段號及偏移量信息）以及受電弓狀態進行采集，并對采集數據進行邏輯運算分析，增加車輛顯示屏預警顯示，多次進行功能驗證，結果為：在弓靴轉換點前40 m，車輛顯示屏顯示“進入弓靴轉換區注意降弓升靴出庫”提示信息;分別測試在弓靴轉換點前20 m、弓靴轉換點前10 m、弓靴轉換點處停下，列車產生牽引封鎖，車輛顯示屏彈出“未降弓出庫導致列車牽引封鎖”。如圖4所示。牽引封鎖和預警信息顯示均與設計要求一致。

3.4 運用現狀

廣州地鐵14號、21號線共配屬63列車，每天出入段共進行120余列次弓靴轉換，應用近半年時間，共進行20 000余列次弓靴轉換，現弓靴轉換無人監控設計運用情況良好，取代了以往的人工模式以及視頻監控方式，提高了列車出入段效率及安全性。

4 結束語

基于信號和車輛系統聯控的弓靴轉換控制設計，在國內軌道交通領域屬于首次應用，并已在廣州地鐵14 號、21號線車輛段出入段線弓靴轉換點處實際應用近半年時間，能夠在預警區域范圍內對列車司機進行有效提醒，在牽引封鎖區域范圍內對未降弓列車實施牽引封鎖，取代了傳統的人工模式以及視頻監控方式，實現從“人防”向“技防”方式的轉變，并優化了人力資源配置，從根本上解決了弓靴轉換點的安全風險，同時為后續類似項目應用提供寶貴經驗。

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收稿日期 2020-01-13

責任編輯 司玉林

Design and research of pantograph shoe conversion control based on joint control of signal and vehicle system

Fang Xiangming

Abstract： The operation tracks of Guangzhou metro lines 4， 5， 6， 14 and 21 use the current collection mode of the third rail collector shoe， and the depots use both the current collection mode of the pantograph and overhead contact system. When arriving and departing the depots， it is necessary to lower or raise the pantograph shoe at the transitional point. The traditional Staff Governing monitoring method is manual monitoring and video monitoring. In this paper， signal positioning and vehicle control software for joint control are used to realize the transitional run of train bow shoe from Staff Governing to Technique Governing. The design and research results have been used in the transitional point of pantograph shoe in the arrival and departure section of Guangzhou metro lines 14 and 21. The design and research scheme optimizes the management of train arrival and departure， save human labor resources， and fundamentally eliminate the safety risks caused by the manual operation without following to the requirements of pantograph shoe shift.

Keywords： metro vehicles， pantograph shoe conversion， linkage monitoring

作者簡介：方向明（1986—），女，工程師