列車滑行緊制故障分析及應對

廣州地鐵集團有限公司 潘青青

2020年初，廣州地鐵21號線列車在正線運行過程中多次出現ATC緊急制動故障，嚴重影響列車運營安全質量，檢查發現為列車滑行引起信號系統報故障，觸發緊急制動，經過整治成功降低列車滑行緊制故障率。本文主要從信號系統角度分析列車滑行緊制原因，并闡述在應對列車滑行問題中的相關措施及信號系統濕軌模式的應用。

廣州地鐵21號線在2019年12月20日全線開通，作為連通增城與廣州中心城區線路，具有站間距離長、運行速度高、高架線路多等特點。高架露天線路易受氣候等不可抗力的外部環境影響，2020年上半年廣州雨水天氣多發，在下雨天氣，21號線列車在正線運行過程中頻繁發生列車ATC緊急制動故障，查看報警信息故障主要有2類：超速緊制、高速度差異緊制。

1 列車緊制機制

廣州地鐵21號線信號系統采用的是Seltrac?無線CBTC系統，在信號系統防護模式下，信號系統為列車提供速度監督功能，根據列車當前位置土建限速、臨時限速、目標距離、速度曲線等實時計算列車允許速度，并通過信號屏顯示，若列車速度接近允許速度，信號屏將會發出聲音報警，若列車速度超過允許速度，信號系統將命令列車緊急制動。

廣州地鐵21號線信號系統每列車有兩套VOBC（車載控制器）設備，每套VOBC包含兩個速度傳感器，分別安裝于不同的制動非牽引軸上，信號系統通過2個速度傳感器同時輔以加速度計的方式進行測速，最終測速值取兩個速度傳感器測速平均值，若兩個速度傳感器測量值存在偏差，偏差超過4KM/H時，信號系統將判斷列車速度誤差較大，超過系統容限，從而命令列車緊急制動，報高速度差異報警。

2 故障原因分析

2.1 列車緊制原因分析

圖1 列車超速緊制運行曲線圖

對列車數據進行分析，列車超速緊制時運行曲線如圖1所示，ATO模式下，信號系統VOBC輸出牽引/制動指令、牽引/制動模擬量給到車輛牽引及制動系統，控制車輛牽引及制動系統輸出牽引/制動力的大小，從而控制列車運行速度。故障時VOBC輸出制動指令，持續增大制動模擬量，期望車輛響應較大制動力控制列車減速，但VOBC輸出制動模擬量持續增大過程中，列車減速度減小，未跟隨VOBC制動模擬量變化，列車整體制動性能下降，速度下降較慢，導致列車實際運行速度超過允許速度而超速緊制。

列車高速度差異緊制時運行曲線如圖2所示，故障時檢測到兩個輪軸均處于不同程度的打滑狀態，兩個速度傳感器測速差異較大，VOBC檢測到兩個速度傳感器測速差異大于4km/h，列車報高速度差異緊制。

圖2 列車超速緊制運行曲線圖

查看故障時列車空轉/滑行狀態，均檢測處于滑行狀態，且列車緩解緊制后可恢復正常運行，同時檢查列車設備均正常，可排除設備硬件故障，而列車運行過程中若輪軌之間的粘著力小于列車制動力，車輪將發生滑行，甚至抱死，車輪滑行時的有效制動力大大小于車輪與鋼軌處于正常粘著狀態時的制動力，同時由于廣州地鐵21號線信號2個速度傳感器安裝在不同的輪軸上，通過車輪轉動進行測速，當兩個車輪處于不同程度的滑行狀態，2個速度傳感器測速值將不一致，因此判斷為列車滑行導致信號系統觸發緊制。

2.2 列車滑行原因分析

列車空轉/滑行發生的根本原因是輪軌之間的粘著力小于列車牽引/制動時所需的摩擦力，車輛、信號及軌道等各方面因素都與空轉/滑行的發生有關。而通過對廣州地鐵21號線滑行緊制故障情況進行統計分析，故障有以下特點：1）故障均發生在列車制動減速階段；2）故障時列車制動力需求較高；3）故障發生在下雨天氣，軌道無明顯油污但表面濕滑；4）故障發生地點較為集中，在高架露天段或高架與地下交界段，其中朱村站-鳳崗站下行區段最多；5）故障列車不固定，存在普遍性，檢查故障列車各項設備無異常，非下雨天氣滑行區段列車運行正常。根據故障發生特性，分析目前廣州地鐵21號線滑行故障主要受以下因素影響。

2.2.1 下雨天氣導致軌道濕滑

根據對故障情況統計，廣州地鐵21號線列車滑行緊制故障均發生在下雨天氣，且故障發生地點較為集中，均在高架露天段或高架與地下交界段，受天氣影響，軌道均處于濕滑狀態，粘著力變小，難以滿足列車制動減速過程中的制動力需求。

2.2.2 線路特性

對廣州地鐵21號線列車滑行緊制故障高發區域朱村站-鳳崗站下行區段線路排查分析，發現該區段為高架與地下交界段，線路處于一個持續下坡過程，最大坡度達到28‰，受重力加速度作用，列車在進站減速時需要更大的制動力維持制動，同時下雨天氣時，高架段軌道濕滑，而隧道段也會有雨水順著下坡從隧道口進入，同樣造成軌道濕滑，導致列車在該區段極易發生滑行。

3 應對措施

3.1 信號系統設置濕軌模式，降低制動力需求

廣州地鐵21號線信號系統設置有濕軌模式，通過濕軌模式命令，可使ATO模式列車降低加速度/制動率，降低列車加減速過程中的牽引/制動力需求，列車性能更容易滿足，減少列車由于在加減速過程中車輪滑行和抱死造成故障，從而引起緊急制動的可能，有助于阻止由于雨天或軌道濕滑引起的列車緊急制動的施加。

信號系統中有3種不同的加速度/制動率類型，正常運行模式下加速度/制動率類型為正常，濕軌模式下加速度/制動率類型有：類型I、類型II，類型I能將列車的加速度/制動率減少25%，類型II能將列車的加速度/制動率減少50%。

濕軌命令允許中央調度員通過以下兩種操作方式實施：

（1）對車站間區域設置較低的加速度/制動率類型。一旦車站間區域被設置降低加速度/制動率，當列車停靠該區域的前方站臺，ATS將在列車進路觸發時向VOBC發送命令降低加速度/制動率，列車進入設置區域后按照相應設置的類型運行，停靠下一站臺后系統重置為正常加速/制動率類型。

（2）對列車設置較低的加速度和制動率類型。對列車設置較低的加速度和制動率類型，ATS會立刻向VOBC發送命令降低加速度/制動率，但運行中的列車不會立即執行，當列車到達停靠站臺后應用新的加速度/制動率，停靠下一站臺后系統重置為正常加速/制動率類型。

同時信號系統濕軌模式命令允許中央操作員隨時設置或取消，可選擇只在下雨時間、易打滑區段設置，可操作性強。

現場選取廣州地鐵21號線滑行故障率較高的朱村-鳳崗下行區間，列車ATO模式在不同加速度/制動率類型下的加速度/制動率及速度曲線如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 正常加速度/制動率列車運行曲線圖

圖4 類型1加速度/制動率列車運行曲線圖

圖5 類型2加速度/制動率列車運行曲線圖

從列車運行曲線圖可看出，列車采用不同的加速度/制動率類型表現出來的加速度/制動率不同，濕軌模式下的加速度/制動率類型I、類型II，在列車加減速時加速度/制動率可分別降低25%、50%，即對列車運行時的牽引/制動輸出要求下降，列車性能更容易滿足，可有效減少滑行的發生，同時對于區間最大速度保持不變，也可降低對區間運行時間的影響。

廣州地鐵21號線于2020年4月22日開始在下雨天氣對正線高架段軌道濕滑區域實行設置濕軌模式，使用加速度/制動率類型I。

圖6 廣州地鐵21號線2020年滑行故障統計圖

3.2 增大車輛撒砂裝置撒砂量

廣州地鐵21號線列車在設計之初考慮到有高架線路，車輛已配置了撒砂裝置作為輪軌增粘設備，由于考慮到隧道內的軌面不會受到雨水的影響，而撒砂到道岔范圍內會影響道岔的功能正常運轉，所以在道岔區域、折返線及隧道內禁止撒砂。但在現場列車實際運行中發現，在高架轉隧道過渡段，線路往往處于下坡狀態，受列車運行及線路坡度影響，雨水易順著下坡從隧道口進入，該區段軌道同樣處于濕滑狀態。坡道加上軌道濕滑導致該區段極易發生列車滑行，因此計劃增加車輛撒砂裝置撒砂區域，將高架轉隧道過渡段也納入撒砂區域范圍，使列車在該區段發生滑行時能得到改善，該措施計劃在2020年第四季度完成軟件修改。

4 實施效果

廣州地鐵21號線2020年滑行故障情況如圖6所示，2020年2、3、4月份廣州地鐵21號線列車滑行導致信號系統觸發緊制故障較多，4月底通過在下雨天氣對正線高架段軌道濕滑區域實行設置濕軌模式，正線區域未再次出現列車滑行導致信號系統觸發緊制故障，僅6月份在象嶺出廠線未設置濕軌模式區域發生2次故障，故障得到了有效控制，效果顯著。

結語：列車滑行是軌道交通行業列車運行中常見的現象，特別是對于廣州雨水、潮濕天氣較多，同時廣州地鐵21號線有高架線路，受環境影響較大，更易出現列車滑行故障，影響列車安全運營。但通過信號系統設置濕軌模式等措施有效降低了故障率，同時廣州地鐵21號線也是廣州首條信號系統設置濕軌模式的線路，具有設置簡單，效果顯著的特點，對于后續信號系統設計中優化列車打滑問題具有很好的參考價值。