一種基于TCMS系統的受電弓升降自動控制策略

林寶鋒，夏益韜

（中車南京浦鎮車輛有限公司，南京 210031）

云南紅河州現代有軌電車1號線全長24.5 km，共設置23個站臺，其中15個站臺設有充電軌（剛性網段，升半弓控制），在部分站臺之間設有接觸網（柔性網段，升全弓控制），以及公共道口和部分無電區間（降弓控制），其中剛性網段和柔性網段的升弓高度不同[1]。在車輛運行過程中，司機需要根據前方路段的具體工況（剛性網段、柔性網段以及無電區），實時、頻繁、準確的進行升全弓、升半弓和降弓操作[2]。為滿足復雜工況下，頻繁、可靠的升、降受電弓，避免因司機操作不當造成的受電弓受損，設計了基于TCMS系統控制的有軌電車自動升降弓控制方法，并借助地面信號系統現有信標數據，實現了復雜工況下，頻繁升、降受電弓的全自動、精準控制[3]。

1 信標數據

根據項目ATC（Automatic Train Control，ATC）系統與TCMS系統的數據接口的定義，ATC系統車載設備實時將讀取的地面信標ID（Identification）發給TCMS系統，信標的數據格式如表1所示，在列車運行線路中，柔性網段和剛性網段的入段位置和出段位置均設有信標，整條線路信標ID的編號是唯一的。

TCMS系統篩選和受電弓控制相關的信標ID信息，與線路中實際的位置做了“標簽”和對應處理，轉化成TCMS系統內部受電弓控制的觸發信號，并結合車輛實時的狀態數據綜合處理，實現了列車行駛過程中不同接觸網工況下的升、降弓的全自動精準控制[4]。并在激活端DDU（Driver Display Uint）控制界面上顯示受電弓的具體狀態，輔助司機進行安全駕駛。

表1 信標數據格式

2 受電弓工作模式及控制原理

2.1 受電弓控制原理圖

受電弓控制原理圖參見圖1所示[5]。

2.2 受電弓自動控制模式

在激活端將受電弓的控制模式切換到自動控制，TCMS系統根據實時信標ID信息，通過系統軟件處理后準確識別列車所處的路段工況：柔性網段、剛性網段或者無接觸網段，以及列車即將進入或者駛離該路段[6]。通過對運行線路及各站點的行駛軌跡的分析，建立以下4種受電弓控制模型，TCMS系統按照以下模式，對受電弓進行自動升、降控制[7]。

2.2.1站前折返站的受電弓控制

剛性網段的站前折返站點的信標布置以及列車運行軌跡示意圖參見圖2所示。

信標的命名定義：

FBxxxxxA和FBxxxxxB代表岔區用信標；

FBxxxxxC代表站臺信標（剛性網段）；

FBxxxxxQ代表柔性網段進網信標；

FBxxxxxZ代表柔性網段出網信標；

FBxxxxxL代表路口出網信標。

（1）升弓控制

圖1 受電弓控制原理圖

圖2 站前折返站信標布置示意圖

ATC通信正常，頭車司機室激活（上行方向CM1車為頭車，下行方向CM7車為頭車），列車上行，TCMS系統識別到頭車ATC系統發送的進網信標（升半弓信標，軟件定義）FB10101C或FB10102C激活（1 s脈沖）；或者，列車下行，TCMS系統識別到頭車ATC系統發送的進網信標（升半弓信標，軟件定義）FB10103C或FB10104C激活（1 s脈沖）時，且受電弓控制在自動模式下，則TCMS軟件進行以下處理：

①VCU開始計算里程（HVS_uiDistanceTAG=v1×T+v2×T+v3×T+v4×T+…，其中v1v2v3v4…為每個時刻的列車速度（DRV_uiTrainSpeed），T為程序周期），當列車行進的里程大于25 m（約為一列車車長，確保受電弓所處的位置在站臺剛性軌區域內，具體數值根據信標位置和車載信標讀取設備安裝位置確定）時。

②或者，上行時，TCMS系統識別到尾車ATC系統發送的進網信標（升半弓信標，軟件定義）FB10101C或FB10102C激活（1 s脈沖）；或者，下行時，TCMS系統識別到尾車ATC系統發送的進網信標（升半弓信標，軟件定義）FB10103C或FB10104C激活（1 s脈沖）時。

以上2個條件任意滿足一個，且此時列車零速激活，且列車向后運行未激活時，則判定受電弓已經入剛性網段可以升半弓，TCMS系統通過RIOM輸出1 s脈沖信號，升半弓列車線（NC）得電，并控制受電弓升半弓。

（2）降弓控制

ATC通信正常，頭車司機室激活，列車按照上行/下行升半弓控制條件完成升弓（受電弓控制器反饋的升半弓到位信號激活）后，且受電弓控制在自動模式下，則TCMS軟件進行以下處理：

①當列車零速信號從激活變化到非激活，且牽引請求激活（PRO_xTracReq=1）時。

②或者，上行時，TCMS系統識別到頭車或尾車ATC系統發送的出網信標（降弓信標，軟件定義）FB10103C或FB10104C激活（1 s脈沖）；或者，下行時，TCMS系統識別到頭車或尾車ATC系統發送的出網信標（降弓信標，軟件定義）FB10101C或者FB10102C激活（1 s脈沖）時。

以上2個條件任意滿足一個時，則判定列車即將駛離站臺剛性網段，TCMS系統通過RIOM輸出2 s（降弓繼電器有1 s延時，所以輸出2 s）脈沖信號，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

2.2.2有柔性網或剛性網區域的受電弓控制

有柔性網或剛性網區域的信標布置以及列車運行軌跡示意圖參見圖3所示。

圖3 有柔性網或剛性網區域的信標布置示意圖

柔性網段升降弓控制：

（1）升弓控制如下

ATC通信正常，頭車司機室激活，TCMS系統識別到頭車ATC系統發送的進網信標（升全弓信標，軟件定義）FB1001Q或FB1004Q激活（1 s脈沖），且受電弓控制在自動模式下，則TCMS軟件進行以下處理：

①VCU開始計算里程，當列車行進的里程大于30 m（約為一列車車長，確保受電弓所處的位置在柔性接觸網區域內，具體數值根據信標位置和車載信標讀取設備安裝位置確定）時。

②或者，TCMS系統識別到尾車ATC系統發送的進網信標（升全弓信標，軟件定義）FB1001Q或FB1004Q激活（1 s脈沖）時。

以上2個條件任意滿足一個，且列車向后運行未激活，則判定受電弓已經入柔性網段可以升全弓，TCMS系統通過RIOM輸出1 s脈沖信號，升全弓列車線（YC）得電，并控制受電弓升全弓。

（2）降弓控制如下

ATC通信正常，且列車向后運行未激活時，且受電弓控制在自動模式下，CMS系統識別到頭車或者車尾ATC系統發送的降弓信標（軟件定義）FB1002Z或FB1003Z激活（1 s脈沖）時，則判定列車即將駛離柔性網段需要降弓，TCMS系統通過RIOM輸出2 s脈沖信號，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

剛性網段升降弓控制：

（1）升弓控制如下

ATC通信正常，頭車司機室激活，TCMS系統識別到頭車ATC系統發送的進網信標（升半弓信標，軟件定義）FB10401C或FB10404C激活（1 s脈沖）時，且受電弓控制在自動模式下，則TCMS軟件進行以下處理：

①VCU開始計算里程，當列車行進的里程大于25 m（確保受電弓所處的位置在站臺剛性軌區域內，具體數值根據信標位置站臺剛性接觸軌實際長度調整）時。

②或者，TCMS系統識別到尾車ATC系統發送的進網信標（升半弓信標，軟件定義）FB10401C或FB10404C激活（1 s脈沖）時；

以上2個條件任意滿足一個，且此時列車零速激活（列車躍站時不會升弓），且列車向后運行未激活時，則判定受電弓已經入剛性網段可以升半弓，TCMS系統通過RIOM輸出1 s脈沖信號，升半弓列車線（NC）得電，并控制受電弓升半弓。

（2）降弓控制如下

ATC通信正常，頭車司機室激活，列車按照上行/下行升半弓控制條件完成升弓（受電弓控制器反饋的升半弓到位信號激活）后，且受電弓控制在自動模式下，則TCMS軟件進行以下處理：

①當列車零速信號從激活變化到非激活，且牽引請求激活（PRO_xTracReq=1）時。

②或者，TCMS系統識別到頭車或尾車ATC系統發送的出網信標（降弓信標，軟件定義）FB10402C或FB10403C激活（1 s脈沖）時。

以上2個條件任意滿足一個時，則判定列車即將駛離站臺剛性網段，TCMS系統通過RIOM輸出2 s脈沖信號，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

2.2.3站后折返站的受電弓控制

站后折返站點的信標布置以及列車運行軌跡示意圖參見圖4所示。

圖4 站后折返站點信標布置示意圖

站后折返站剛性網段的受電弓升弓及降弓控制與上文中的剛性網段的升弓和降弓控制一致。列車換端，TCMS系統軟件中實現“頭車”狀態的切換，并按照上述邏輯實現受電弓自動升、降弓的控制。

2.2.4無接觸網區域降弓控制

在無剛性接觸軌的站臺、公共道口及其他無接觸網的區段，列車保持降弓狀態，利用車載超級電容蓄電運行[2]。

為避免在無接觸網區段舉弓運行，確保列車運行安全。在列車駛離剛性接觸軌站臺區段，TCMS系統有3次降弓指令（參見文中剛性網段降弓控制）；在列車駛離柔性接觸網區段，TCMS系統有2次降弓指令（參見文中柔性網段降弓控制）；在特殊運行環境：高度較低高壓供電線及民用供電線，高架橋等其他空中固定障礙物，TCMS系統選擇這些特殊區域就近的信標，通過軟件做了“標簽”和處理，轉化成降弓控制的觸發信號，強制列車在此特殊路段降弓行駛。

2.3 受電弓手動控制模式

當TCMS系統嚴重故障不能控制列車時，進入降級模式，司機通過激活端DDU的控制界面，將受電弓的控制模式切換到手動控制，操作司控臺上的受電弓控制按鈕，實現升、降弓硬線控制。

3 受電弓的狀態監測及安全策略

TCMS系統結合整車的信號以及受電弓控制器反饋的狀態信號，綜合診斷出受電弓實時狀態及故障報警。司機可通過激活端DDU查看受電弓的狀態：升弓中、降弓中、降弓到位、升全弓到位、升半弓到位和未知狀態，當發生異常時，能夠準確的控制受電弓動作[8]，防止受電弓被刮弓，具體控制如下：

（1）當升弓指令和降弓指令同時激活時，TCMS系統自動控制RIOM輸出2 s脈沖信號，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

（2）當觸發升弓指令，超高位信號激活時，受電弓執行自動降弓，激活端DDU上顯示“受電弓超高位故障”，提醒司機受電弓升弓異常。

（3）當觸發升弓或降弓指令后，在規定時間內RIOM沒有采集到相應的位置傳感器信號：升全弓到位信號、升半弓到位信號和降弓到位信號時，DDU上報受電弓傳感器故障，提醒司機受電弓異常。

（4）當ATC系統與TCMS系統的通信中斷時，激活端DDU上“自動/手動控制”切換軟按鈕顯示為紅色并閃爍，同時伴有1 Hz警示音；提醒司機將受電弓控制切換到手動模式，屏蔽ATC信標觸發的受電弓自動控制，同時，TCMS系統控制RIOM持續輸出降弓指令，直到ATC通信恢復正常或者激活端DDU上“自動/手動控制”按鈕被切換到手動模式，避免在信標信號不可信時，系統對受電弓的不可靠控制。

（5）當TCMS系統檢測到列車休眠信號激活時，延時100 s后，TCMS系統通過RIOM輸出2 s脈沖信號，降弓列車線（LP）得電，并控制受電弓降弓。

4 結束語

現代有軌電車作為一種新型、高效、綠色環保的現代化公共交通系統，既可以作為地方中心城市的骨干交通工具，也可作為大城市的鐵路及地鐵等大運量交通工具的輔助交通工具，其靈活、高效的特點，能夠提供優質、高效的公共交通服務需求。文中提出的現代有軌電車受電弓自動控制策略[9]，有效的解決了車輛在運行過程中充電軌及接觸網方式受流的自動切換及控制[10]，提高了有軌電車的運行效率及車輛的可靠性。