地鐵客室車門電氣控制方案分析

易 玲

（新譽(yù)龐巴迪牽引系統(tǒng)有限公司，江蘇 常州 213011）

近些年隨著城市交通擁擠堵塞、空氣污染的日益嚴(yán)重，地鐵成為解決城市交通問題的重要捷徑，越來越多的城市已經(jīng)邁入地鐵時(shí)代，地鐵車輛也以其快捷、環(huán)保、便利等諸多優(yōu)勢成為多數(shù)人出行的首選交通工具。而車門系統(tǒng)作為地鐵車輛的一個(gè)重要組成部分，是直接與乘客接觸的高頻次使用裝置，它影響著乘客的乘坐體驗(yàn)及人身安全，是列車安全、可靠運(yùn)行的重要保障。

1 軌道交通自動(dòng)化等級(jí)

依照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62290軌道交通線路自動(dòng)化程度定義了5層自動(dòng)化等級(jí)（GoA），自動(dòng)化程度從低至高為GoA0至GoA4。而國內(nèi)根據(jù)目前自身建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備系統(tǒng)配置水平，在IEC 62290標(biāo)準(zhǔn)上調(diào)整了自動(dòng)化等級(jí)的功能要求，如表1所示。

表1 國內(nèi)自動(dòng)化等級(jí)功能要求

GoA0：人工駕駛，由司機(jī)全權(quán)負(fù)責(zé)，無系統(tǒng)防護(hù)功能。客室車門由司機(jī)負(fù)責(zé)控制。

GoA1：人工駕駛，具備ATP列車自動(dòng)防護(hù)功能。客室車門由司機(jī)負(fù)責(zé)控制。

GoA2：半自動(dòng)駕駛，有司機(jī)監(jiān)督的ATO列車自動(dòng)運(yùn)行模式。客室車門仍由司機(jī)負(fù)責(zé)控制。

GoA3：有人值守的全自動(dòng)駕駛，原本由司機(jī)操作的列車控制功能全都交由列車運(yùn)營控制中心來完成；在列車緊急情況下，由車上人員處理故障；客室車門由列車運(yùn)營控制中心負(fù)責(zé)控制。

GoA4：無人值守的全自動(dòng)駕駛，在列車正常運(yùn)行情況下，與GoA3基本一樣，區(qū)別在于GoA4列車不再設(shè)置司機(jī)，緊急事件的檢測和處理由系統(tǒng)和控制中心共同實(shí)施，進(jìn)而調(diào)度指揮地面人員上車處理；客室車門由列車運(yùn)營控制中心負(fù)責(zé)控制。

2 客室車門電氣控制

客室車門系統(tǒng)是由電子門控單元EDCU接收和發(fā)送與車輛控制的各信號(hào)及指令，控制電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)客室車門的開啟和關(guān)閉動(dòng)作，其電氣接口框圖如圖2所示。左側(cè)為EDCU接收的車輛控制指令，右側(cè)為EDCU給出的各狀態(tài)信號(hào)。

圖2 客室車門電氣控制框圖

由上述自動(dòng)化等級(jí)分類可知，客室車門控制分為司機(jī)手動(dòng)控制和列車運(yùn)營中心自動(dòng)控制。手動(dòng)控制時(shí)，控制指令由司機(jī)手動(dòng)給出。自動(dòng)控制時(shí)，由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)ATC發(fā)出控制指令。

2.1 開/關(guān)門控制

當(dāng)列車采用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)，車門開/關(guān)控制一般由ATC自動(dòng)控制和手動(dòng)控制并聯(lián)控制，操作車門模式開關(guān)可在車門自動(dòng)開/自動(dòng)關(guān)、自動(dòng)開/手動(dòng)關(guān)、手動(dòng)開/手動(dòng)關(guān)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除采用上述硬線控制以外，大多地鐵同時(shí)也采用網(wǎng)絡(luò)控制互為冗余。當(dāng)車門控制切換為網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)，可由TCMS通過網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)出開關(guān)門指令給EDCU進(jìn)行開關(guān)門控制。

（1）開門。隨著客室車門控制的不斷優(yōu)化，為提高系統(tǒng)可靠性、安全性，車門的開啟，除開門指令以外，逐步增加了零速、門使能信號(hào)作為開門的連鎖信號(hào)。零速信號(hào)的連鎖，是用于保證僅當(dāng)列車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)才允許開啟車門。為防止零速列車線故障、信號(hào)丟失導(dǎo)致所有左、右側(cè)車門都無法開啟，車輛電路一般設(shè)置兩條零速列車線，并采用交叉連接的方式連接到各個(gè)EDCU。當(dāng)一條零速列車線信號(hào)丟失而另一條零速列車線信號(hào)正常時(shí)，仍有一半數(shù)量且包含左右兩側(cè)的車門能正常開啟，這可極大地提高線路的可靠性和冗余性。門使能信號(hào)的設(shè)置，用于防止輸出錯(cuò)誤開門指令導(dǎo)致錯(cuò)開門狀況的發(fā)生。當(dāng)客室車門為自動(dòng)控制時(shí)，門使能信號(hào)由ATC給出，只有當(dāng)列車停車且停在正確的站臺(tái)位置時(shí)，ATC才可給出相應(yīng)側(cè)門使能信號(hào)，允許開門。當(dāng)ATC切除或列車切換為手動(dòng)駕駛時(shí)，司機(jī)確認(rèn)各方面情況后，可手動(dòng)控制門使能旁路開關(guān)人為給出門使能信號(hào)，從而開啟車門。為防止開啟錯(cuò)誤側(cè)車門，目前部分全自動(dòng)無人駕駛列車甚至還設(shè)置了左、右側(cè)門保持關(guān)閉防護(hù)列車線。該信號(hào)由ATC發(fā)出，EDCU在收到開門指令、零速、門使能等各種開門條件信號(hào)后，且開門側(cè)的門保持關(guān)閉信號(hào)為低電平時(shí)，才可正常開門。

（2）關(guān)門。車門的關(guān)閉控制，除正常由ATC或開關(guān)發(fā)出關(guān)門指令以外，部分列車還可通過零速列車線信號(hào)、門保持關(guān)閉防護(hù)列車線信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。“丟失零速列車線”關(guān)門：當(dāng)列車運(yùn)行速度高于5km/h時(shí)，零速列車線失電，利用零速繼電器的常閉觸頭直接接通關(guān)門繼電器，發(fā)出關(guān)門指令，以避免列車運(yùn)行時(shí)車門意外開啟。“門保持關(guān)閉防護(hù)列車線”關(guān)門：一般用于全自動(dòng)無人駕駛列車，在沒有操作任何緊急或切除裝置的正常工況下，當(dāng)ATC輸出的門保持關(guān)閉防護(hù)列車線信號(hào)為高電平時(shí)，車門將進(jìn)行關(guān)門動(dòng)作或保持關(guān)門狀態(tài)。

2.2 車門安全聯(lián)鎖電路

為保證列車運(yùn)行安全，列車啟動(dòng)前必須確保所有車門都處于關(guān)好并鎖好的狀態(tài)。車輛電路一般將所有車門鎖好、關(guān)好行程開關(guān)分別串聯(lián)連接，形成車門鎖閉、車門關(guān)閉列車線信號(hào)，將其串聯(lián)在牽引安全回路中進(jìn)行連鎖，同時(shí)也發(fā)送給TCMS、ATC等進(jìn)行監(jiān)控。

當(dāng)某個(gè)車門關(guān)閉/鎖閉行程開關(guān)斷開或故障時(shí)，車門關(guān)閉/鎖閉列車線信號(hào)將丟失，牽引安全回路將被斷開，列車將不能繼續(xù)正常運(yùn)行。根據(jù)列車駕駛要求的不同，列車控制系統(tǒng)會(huì)作出不同保護(hù)措施。例如，部分列車要求車門鎖閉列車線信號(hào)若在有效區(qū)域丟失，運(yùn)行列車實(shí)施緊急制動(dòng)，同時(shí)車門施加關(guān)門方向的力，使車門處于關(guān)閉趨勢；若在無效區(qū)域丟失，運(yùn)行列車將保持正常運(yùn)行。而車門關(guān)閉列車線信號(hào)丟失時(shí)，無論在任何區(qū)域，運(yùn)行列車將實(shí)施緊急制動(dòng)。

2.3 車內(nèi)緊急解鎖功能

為了在緊急情況下手動(dòng)開門，車廂內(nèi)部每扇門都設(shè)有緊急解鎖裝置，用于解鎖車門鎖閉裝置。當(dāng)緊急解鎖請(qǐng)求有效時(shí)，車門將解鎖，可手動(dòng)移動(dòng)車門至開、關(guān)位置。當(dāng)列車速度高于1km/h或其它必要條件不滿足時(shí)，緊急解鎖請(qǐng)求則視為無效，EDCU將施加一定的關(guān)門力保持車門關(guān)閉狀態(tài)。

對(duì)于全自動(dòng)駕駛列車來說，緊急解鎖請(qǐng)求裝置會(huì)與CCTV聯(lián)動(dòng)，通過車廂內(nèi)攝像頭將車廂內(nèi)實(shí)時(shí)情況傳輸至OCC和ATC系統(tǒng)，并在車外設(shè)置緊急解鎖釋放指示燈進(jìn)行狀態(tài)指示，提供系統(tǒng)安全性。

2.4 車外緊急解鎖功能

為滿足列車單扇門的開、關(guān)控制，每輛車一般有兩扇車門設(shè)有乘務(wù)員鑰匙開關(guān)作為車外緊急解鎖裝置。當(dāng)列車靜止，乘務(wù)員鑰匙開關(guān)有效操作時(shí)，乘務(wù)員可從外部打開該單扇門，并可在斷電情況下操作。

2.5 車門故障切除功能

當(dāng)單個(gè)車門出現(xiàn)故障時(shí)，為了保證列車的正常運(yùn)行，可操作對(duì)應(yīng)隔離開關(guān)對(duì)故障車門進(jìn)行切除。操作隔離開關(guān)后，該車門關(guān)到位、鎖到位狀態(tài)將由隔離開關(guān)代替連通，以保證車門關(guān)閉、車門鎖閉、牽引安全列車線的完整性，同時(shí)該隔離車門不再受開、關(guān)門指令控制，對(duì)應(yīng)指示燈也將進(jìn)行常亮顯示。

3 電氣可靠性提高器件選型

多數(shù)車輛在運(yùn)行多年后會(huì)出現(xiàn)繼電器觸頭卡滯、燒熔等現(xiàn)象，且故障率較高。為降低此類故障率，在器件選型時(shí)，需充分考慮負(fù)載對(duì)象的運(yùn)用環(huán)境、特性、操作頻率。例如在車輛控制電路中，用繼電器觸頭控制多個(gè)并聯(lián)繼電器線圈的情況隨處可見。此時(shí)在考慮此類繼電器觸頭選型時(shí)，需注意繼電器線圈在通斷瞬間屬于感性負(fù)載這一特性，而觸頭在帶感性負(fù)載時(shí)的載流量只有純阻性負(fù)載的1/5左右。同時(shí)結(jié)合元器件的操作頻率，對(duì)照其觸頭壽命分?jǐn)嗲€，選擇合適的繼電器型號(hào)及觸頭數(shù)量。

3.1 關(guān)鍵安全回路設(shè)計(jì)

元器件故障在所難免，為保證單個(gè)元器件的故障不影響整車運(yùn)行，除注重元器件選型以外，在車輛電路設(shè)計(jì)中對(duì)于影響列車運(yùn)行的關(guān)鍵安全回路可采用元器件兩并兩串或三并兩串的設(shè)計(jì)方式，提高整體回路的可靠性，避免單點(diǎn)故障。例如，所有門關(guān)閉/鎖閉信號(hào)與牽引安全回路的連鎖采用該設(shè)計(jì)方式，可實(shí)現(xiàn)其中任一單個(gè)繼電器故障不會(huì)斷開整條牽引安全回路列車線而導(dǎo)致列車停運(yùn)。

3.2 冗余設(shè)計(jì)

為保證電路連接的可靠性，可對(duì)于重要控制設(shè)備進(jìn)行備份冗余，例如列車控制系統(tǒng)TCMS、ATC控制設(shè)備等，當(dāng)主控制設(shè)備故障時(shí)，可切換至另一設(shè)備進(jìn)行接管控制。

對(duì)于安全信號(hào)接口，可從硬件電路上進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)以確保其單一電路故障不會(huì)被誤認(rèn)為另一種狀態(tài)，例如，車輛電路中所有門關(guān)閉、鎖閉信號(hào)，可采用兩個(gè)獨(dú)立回路或兩個(gè)信號(hào)源輸入至ATC設(shè)備，ATC的開門、關(guān)門命令可由獨(dú)立的雙觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)互為冗余的繼電器輸出至車輛電路。

4 結(jié)束語

隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展及城市的快速發(fā)展，對(duì)其車門控制系統(tǒng)的快捷性、安全性、可靠性也提出了更高的要求。目前，在國外已成熟應(yīng)用的全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通高自動(dòng)化、高密度、高速度運(yùn)行的有力方式，而在國內(nèi)也有多條無人駕駛線路及在建線路，結(jié)合線路的運(yùn)用情況，正在不斷改進(jìn)，旨在提高各子系統(tǒng)的可靠性、安全性，確保列車穩(wěn)定運(yùn)行。