全自動無人駕駛列車受電弓控制電路設計

江巧逢，王 崢，夏 峰

（中車南京浦鎮車輛有限公司，南京 210031）

0 引言

隨著科學技術的發展以及城市軌道交通自動化水平的不斷提高，全自動無人駕駛系統已在世界很多城市的軌道交通中得到了廣泛實踐和應用。目前，國內外如哥本哈根、巴黎、溫哥華、香港、上海、北京、深圳等城市的全自動無人駕駛列車已正式投入運行，縱觀世界，全自動無人駕駛（unattended train operation，UTO）系統正引領著城市軌道交通未來的發展趨勢[1-2]。為了提高城市軌道交通網絡化建設的先進性，同時提高城市軌道交通系統的運營效率和自動化水平，與世界先進城市軌道交通系統接軌，各地的軌道交通系統建設紛紛選擇了全自動無人駕駛系統。受電弓作為從接觸網吸取電流供動車使用的核心部件之一，對實現全自動控制至關重要。

目前地鐵車輛受電弓主要采用電動弓或氣動弓，無論是電動弓還是氣動弓均需要司機通過操作升降弓4擋控制開關或者升降按鈕進行受電弓控制[3-5]，同時，應急狀況下操作輔助壓縮機啟動按鈕進行應急升弓[6]，但全自動無人駕駛列車無司機值守，無法執行上述操作。為了解決這一問題，本文提出了網絡系統正常、網絡系統故障以及總風氣壓過低時通過輔助壓縮機應急升弓3種不同工況下的受電弓控制電路，整個受電弓升降控制可在無司機值守情況下自動實現，從根本上實現了受電弓全自動升降弓控制，而且該控制方案采用冗余的列車網絡系統控制代替傳統的硬線控制[7]，節省了成本，提高了系統的可靠性，將在我國城市軌道交通中得到廣泛應用。

1 系統

目前地鐵車輛受電弓主要采用氣動弓或電動弓，無論是氣動弓還是電動弓都應配備應急升弓裝置輔助壓縮機，當車輛總風氣壓過低時仍可以將受電弓升起。在有人駕駛地鐵車輛中，通常配備升、降弓四擋控制開關或升、降弓按鈕通過硬線控制受電弓升弓或降弓，但全自動無人駕駛列車中無司機值守，無法操作開關或者按鈕，更多地采用自動升降弓控制和自動應急升弓，硬線只是作為一種備用模式，本文基于全自動無人駕駛列車，對受電弓在不同工況下的升弓和降弓控制電路進行分析，同時當車輛總風氣壓過低時使用輔助壓縮機升弓。

2 受電弓控制電路

2.1 網絡正常時受電弓控制電路

圖1所示為網絡正常時受電弓升降弓控制原理[8]，其中，PTLOCB為受電弓邏輯輸出斷路器；LPTCB為降弓回路斷路器；PTCB為受電弓回路斷路器；RCMCB為救援模式斷路器；RCMR為救援模式繼電器；LPTR為降弓繼電器；RPTR為升弓繼電器；LPPR為升降弓到位繼電器；PANMV為升弓電磁閥；LPPS為降弓到位開關。

在網絡系統TCMS通信正常工作且氣壓充足情況下，受電弓升弓和降弓控制信號均通過TCMS的雙冗余RIOM模塊輸出[9-10]。全自動列車無司機值守時，列車網絡系統根據信號系統ATC的命令輸出升雙弓或降雙弓命令。當發出升雙弓命令時，降弓繼電器LPTR不得電，對應升弓控制回路上的常閉觸點保持閉合狀態，實現升降弓互鎖，升弓繼電器RPTR得電，對應的常開觸點閉合，升弓電磁閥PANMV得電，受電弓在氣壓充足情況下升起，同時為了避免運行過程中意外降弓，使用升弓繼電器RPTR輔助觸點進行升弓保持；當發出降雙弓命令時，LPTR得電，升弓控制回路上的LPTR常閉觸點斷開，RPTR延時1 s失電，升弓電磁閥PANMV失電，受電弓通過自身重量降下，延時降弓目的讓車輛輔助逆變器停機工作，避免帶載降弓產生拉弧，對受電弓和接觸網產生損傷。為了方便觀察受電弓升弓或降弓狀態，設置降弓到位壓力開關，當受電弓降弓到位時，降弓到位開關LPPS閉合發出降弓到位信號給TCMS，可通過TCMS觀察受電弓狀態；受電弓升弓時可結合壓力開關和高壓存在信號綜合判斷升弓到位。與傳統電路相比，此設計電路采用雙冗余RIOM模塊輸出升雙弓或降雙弓命令，替代了有司機值守的按鈕或者開關，節約了成本，并且減少了人工操作的失誤，提供車輛運營的可靠性。

2.2 網絡故障時受電弓控制電路

當網絡系統TCMS故障且氣壓充足時，無法通過RIOM模塊輸出升弓、降弓指令，但是為了不影響正線運營，減少救援概率，提供列車的可靠性，本文提出了網絡故障時受電弓控制電路，如圖2所示[8-9]。圖中，PANTCB為受電弓控制電路斷路器；EMPB為蘑菇按鈕；RMS為救援模式開關；CRPR為蠕動模式繼電器；WOSR1為車間電源繼電器1；WOSR2為車間電源繼電器2。當蘑菇按鈕沒有被按下，蘑菇按鈕EMPB不得電；或高壓隔離開關不在車間電源位，車間電源繼電器WOSR1和WOSR2不得電情況下，降弓列車線“LOWBRPANTO LINE”也不得電，在全自動駕駛模式下，ATC自動進入降級蠕動模式，蠕動模式繼電器CRPR得電，救援模式開關RMS在全自動駕駛模式下處于“OFF”位，即RMS的3和4點位常閉；當進入蠕動模式后，升弓列車線“RESCUE LINE”列車線得電，升弓繼電器RPTR得電，受電弓保持升弓狀態。如有司機值守的列車，司機可操作RMS開關至“RCM”位，受電弓也可保持升弓狀態。如需降弓，可將RMS開關至“LP”位，降弓列車線得電，受電弓降下，同時輔助逆變器停機避免載降弓產生拉弧。

圖1 網絡正常時受電弓升降弓控制原理

圖2 網絡故障時受電弓升降弓控制原理

2.3 總風氣壓過低時輔助壓縮機應急升弓控制

對于氣動弓需要供電正常且氣壓充足時才能正常升弓，但是正線運營總風氣壓過低的情況也常有發生。為了減少這一故障，本文又提出了總風氣壓過低情況下通過輔助壓縮機全自動應急升弓控制電當車輛總風氣壓過低時，受電弓無法正常升起，此時網絡檢測壓力開關ACMPS的狀態，若輔助壓縮機氣壓低于0.7 MPa，ACMPS壓力開關閉合，同時繼電器ACMSR得電，對應常開觸點閉合，TCMS路，如圖3所示。圖中，ACMCB為輔助壓縮機斷路器；ACMPB為輔助壓縮機啟動按鈕；ACMPS為壓力開關；ACMK為接觸器；ACMSR為繼電器；M為輔助壓縮機電機。

檢測到壓力開關狀態為高電平，發出啟動輔助壓縮機指令，接觸器ACMK得電，對應主觸點閉合；輔助壓縮機電機供電正常，啟動工作，直至壓力大于0.9 MPa，壓力開關ACMPS斷開，ACMSR失電，網絡收到低電平信號，ACMK失電，輔助壓縮機電機停止工作。

為了防止壓力開關ACMPS粘接等故障發生，TCMS啟動輔助壓縮機工作4 min后還未收到壓力開關斷開信號，TCMS自動發出斷開信號，ACMK失電，輔助壓縮機也可停止工作。如有人值守列車時，也可按下電氣柜內ACMPB按鈕，啟動輔助壓縮機，控制原理同TCMS控制，只是在全自動駕駛列車中網絡替代了壓縮機啟動按鈕ACMPB，可減少啟動按鈕，從而節省成本。

圖3 輔助壓縮機應急升弓控制原理

當車輛總風氣壓充足時，受電弓由總風供氣，但當總風氣壓不足或過低無法升弓時，需通過輔助壓縮機氣壓進行升弓，輔助壓縮機壓力開關控制動作風量校核如下。

已知：受電弓升弓壓力為0.45 MPa；輔助升弓風缸容積為10 L；受電弓氣缸容積為4.46 L；升弓電磁閥至受電弓管路長度約5 m。

受電弓管路容積：5×1 000×3.142×(12-3)2/4=318 127.5 mm3≈0.318 L。

不考慮受電弓泄漏，根據P1×V1=P2×V2，假設當總風沒氣，升弓風缸的壓力為P時可升弓：

10×P=(10+0.318+4.46)×4.5，得出P=0.665 MPa

考慮管路泄漏量為10 kPa/min，因此，當輔助升弓風缸的壓力大于0.665 MPa時，可進行升弓，考慮一定的余量，選擇壓力開關閉合壓力為0.7 MPa。

2.4 無人駕駛列車升弓自檢流程

在全自動無人駕駛列車中，列車喚醒后，只有通過自檢流程完成才能正常發車，如圖4所示。

當列車喚醒后，TCMS檢測車輛主風缸壓力，當總風壓力大于或等于0.55 MPa時，發出升雙弓指令，并檢測受電弓狀態，若2臺受電弓（以一列車2臺受電弓為例）均升起，輔助逆變器自動啟動，進入下一步自檢流程；若檢測到任一臺受電弓未升起，則認為存在故障，自檢結束檢查故障。

當總風壓力小于0.55 MPa時，TCMS檢測輔助壓力開關狀態，當檢測到兩臺輔助壓縮機的ACMPS均處于打開狀態，就可判定此時輔助壓力大于0.7 MPa，可發出升弓指令，自檢流程同上。當檢測到任一臺輔助壓縮機的ACMPS處于閉合狀態，TCMS啟動輔助壓縮機，當檢測到兩臺輔助壓縮機的ACMPS均處于打開狀態時，輔助壓縮機停止工作，發出升弓指令，自檢流程同上。如經過4 min檢測到任一臺輔助壓縮機的ACMPS仍處于閉合狀態，則TCMS發出停止輔助壓縮機指令，輔助壓縮機停止工作，TCMS發出升雙弓指令，檢測受電弓升弓狀態，如兩臺受電弓均升起，則啟動輔助壓縮機，判定該輔助壓縮機的ACMPS狀態故障，進入下一步自檢流程；若一臺受電弓升起，輔助逆變器自動啟動，空氣機啟動工作，TCMS檢測總風壓力大于或等于0.55 MPa時，自動升起另外一臺受電弓；若另外一臺受電弓升起，則判定另外一臺受電弓所在車輔助壓縮機故障，進入下一步自檢；若另外一臺受電弓未升起，則自檢結束，檢查故障。如經過4 min后TCMS發出升雙弓指令，2臺受電弓均未升起，則判定輔助壓縮機故障，自檢流程結束。

圖4 無人駕駛列車升弓自檢時序

3 結束語

全自動無人駕駛列車是高集成化、高自動化、高密度、大客流的運營需求的車輛，避免了人為操作造成的不利因素，降低了安全風險[1]。本文提出基于網絡系統正常時對受電弓自動升弓或降弓控制；網絡故障時由信號系統控制自動進入降級運行模式受電弓控制；制動空壓機故障情況下使用輔助壓縮機應急升弓控制，應用于3種不同工況下的受電弓全自動控制電路，同時該電路替代傳統有司機值守開關和按鈕操作，節省成本，減少誤操作風險，極大提高了城市軌道交通運營安全性、可靠性和運營效率。