城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)的零速信號和非零速信號方案選用及安全性分析

吳英帥 李 惠 王 鶴

(中車大連機車車輛有限公司城鐵開發(fā)部，116021，大連∥第一作者，正高級工程師)

零速或非零速信號是車輛的重要控制信號，應用于車輛的車門控制、牽引使能、緊急制動環(huán)線建立等多個重要控制回路，也是保證車輛運行安全的重要信號[1]。速度信號主要來源于信號系統(tǒng)和制動系統(tǒng)。當車輛處于信號控車模式時，車輛所有的輸入信號都由信號系統(tǒng)提供，包括零速信號；當信號系統(tǒng)發(fā)生故障，車輛退出信號控車模式后，車輛的速度信息由制動系統(tǒng)提供。本文主要討論制動系統(tǒng)提供的零速信號，具體是車輛應該要求制動系統(tǒng)提供零速信號還是非零速信號用于車輛控制，制動系統(tǒng)提供的該信號應該串聯(lián)使用還是并聯(lián)使用。怎樣的組合和設計對車輛控制來說安全系數(shù)是最高的，能在最大程度上保證車輛運行安全。

1 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以編組形式為+Tc(帶司機室的拖車)-Mp(有受電弓的動車)-M(無受電弓的動車)-M-Mp-Tc+的6節(jié)編組城市軌道交通(以下簡為“城軌”)車輛為例，其制動系統(tǒng)一般分成2個獨立的控制單元。每個控制單元由Tc-Mp-M等3節(jié)車組成。通常在Tc車和M車會各安裝1個制動系統(tǒng)控制主機，用于采集車輛信號，并提供車輛需要的控制信號或者監(jiān)控信號。制動系統(tǒng)采集的車輛信號主要有制動指令、快速制動指令、強迫緩解指令、緊急運行指令等；提供給車輛的信號主要包括零速或非零速信號、制動不緩解信號等[2]。制動系統(tǒng)控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 制動系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)示意圖

每個制動控制單元內(nèi)的2臺控制主機互為冗余。其中，1臺為主控主機，以主控模式工作，負責與TCMS通信；另1臺為備用主機，以從機模式工作。2臺控制主機間可內(nèi)部通信。

2 零速信號與非零速信號的選用

制動系統(tǒng)提供的零速信號或非零速信號，用于控制車輛的零速或非零速繼電器線圈，進而通過繼電器觸點作用于車輛的相關控制回路。相關的控制回路包括：①在車輛靜止時才能進行操作的控制回路，如車輛開關門控制、緊急制動安全環(huán)線建立，車鉤的解鉤控制，信號系統(tǒng)的ATC(列車自動控制)切除模式控制等回路；②在車輛運行時才需要動作的控制回路，如警惕保護、輪緣潤滑等回路。

2.1 制動系統(tǒng)提供零速信號

若制動系統(tǒng)提供零速信號，則一般制動系統(tǒng)2個控制單元的主控主機會在車速小于0.5 km/h時，輸出零速信號高電平信號，并控制車輛的零速繼電器得電[3]。

2.1.1 并聯(lián)使用零速信號

當2個制動控制單元的零速信號并聯(lián)使用時，零速信號的真值表如表1所示。

表1 零速信號并聯(lián)使用時的真值表

從表1可以看出：當并聯(lián)使用制動控制單元提供的零速信號時，只有在2個制動控制單元輸出的零速信號均為低電平時，車輛才會判斷自身處于非零速狀態(tài)(運行狀態(tài))；在其他狀況下，車輛都將判斷自身處于零速狀態(tài)(靜止狀態(tài))。

并聯(lián)使用零速信號存在2個弊端：

1) 弊端一：當車輛靜止、制動系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時，制動控制單元因無電而無法輸出零速的高電平信號，會使車輛誤判斷自身處于非零速(運行)狀態(tài)。這時，制動系統(tǒng)無法發(fā)出反映真實狀態(tài)的零速信號，所發(fā)的低電平零速信號為假信號，應在車輛設計時予以避免。

2) 弊端二：在車輛運行過程中，如果有1個制動控制單元發(fā)生觸點粘連故障，一直輸出高電平零速信號，則車輛將誤判斷自身處于靜止狀態(tài)，允許司機進行打開客室門的操作。此時所發(fā)的零速信號為假信號，對于運行中的車輛而言非常危險，應在車輛設計時極力避免。

2.1.2 串聯(lián)使用零速信號

為了提高零速信號的可靠性，車輛可串聯(lián)使用制動控制單元輸出的2個零速信號，以保證車輛零速信號的可靠性。串聯(lián)使用零速信號時的真值表如表2所示。

表2 串聯(lián)使用零速信號時的信號真值表

由表2可見，只有2個制動控制單元都輸出零速信號高電平時，車輛才會認為自身處于零速狀態(tài)；其他狀況下，都會認為自身處于非零速狀態(tài)。

串聯(lián)使用零速信號提高了零速信號的可靠性。若有1個制動控制單元發(fā)生觸點粘連故障，一直輸出高電平零速信號，則只要另1個制動控制單元正常，車輛得到的零速信號就是真實可靠的。這就避免了危險的假零速信號，提高了列車運行安全性。

然而，當車輛靜止、制動系統(tǒng)斷電時，零速信號串聯(lián)也會為車輛提供非零速的假信號。

此外，零速信號串聯(lián)還存在新的弊端：當1個制動控制單元發(fā)生故障，無法輸出高電平零速信號時，車輛會誤判斷自身處于非零速狀態(tài)，即使車輛到站也不能執(zhí)行打開車門的命令。可見零速信號串聯(lián)雖避免了提供危險的假零速信號，卻也降低了車輛的可用性。

2.2 制動系統(tǒng)提供非零速信號

若制動系統(tǒng)提供非零速信號，則制動系統(tǒng)的2個控制單元會在車速大于1 km/h時輸出非零速信號高電平信號，控制車輛的非零速繼電器得電。

2.2.1 并聯(lián)使用非零速信號

當2個制動控制單元的非零速信號采用并聯(lián)方式時，非零速信號的真值表如表3所示。

表3 并聯(lián)使用非零速信號時的信號真值表

由表3可見：只有2個制動控制單元都輸出低電平非零速信號時，車輛才會判斷自身處于零速狀態(tài)；其他狀況下，車輛都會判斷其處于非零速狀態(tài)。

當車輛靜止、制動系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時，車輛根據(jù)制動系統(tǒng)的零速信號所得判斷與車輛的實際狀態(tài)一致，避免了制動系統(tǒng)提供零速信號的弊端一。

在車輛運行過程中，如有1個制動控制單元發(fā)生觸點粘連故障，一直輸出高電平非零速信號，則車輛就會一直誤判斷自身處于非零速狀態(tài)，即使車輛到站也不能執(zhí)行打開車門的命令[4]。這降低了車輛的可用性，是非零速信號并聯(lián)使用的主要弊端。

2.2.2 串聯(lián)使用非零速信號

當2個制動控制單元的非零速信號采用串聯(lián)方式時，非零速信號的真值表如表4所示。

由表4可見：只有2個制動控制單元都輸出高電平非零速信號時，車輛才會判斷自身處于非零速狀態(tài)；其他狀況下，車輛都會判斷其處于零速狀態(tài)。

表4 串聯(lián)使用非零速信號時的信號真值表

當車輛靜止、制動系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時，車輛根據(jù)制動系統(tǒng)的零速信號所得判斷與車輛的實際狀態(tài)一致，避免了制動系統(tǒng)提供零速信號的弊端一。

在車輛運行過程中，如有1個制動控制單元發(fā)生故障不能輸出高電平非零速信號，則車輛就會一直誤判斷自身處于零速狀態(tài)，允許司機進行打開客室門的操作。這是非常危險的，是串聯(lián)使用非零速信號的主要弊端。

3 零速信號和非零速信號串并聯(lián)使用的安全性分析

零速信號和非零速信號的串、并聯(lián)使用，各有利弊。按制動控制單元提供的信號類型及連接方式組合，可得到不同的制動控制單元信號方案。各方案的安全性分析見表5。

由表5的安全性分析可知：方案三的安全性最高，方案二的安全性次之，方案一的安全性最低；方案三僅在制動控制單元發(fā)生觸點粘連故障時會輸出非零速的假信號，進而影響車輛到站時的開關門操作，降低車輛的可用性，但該方案不會影響車輛的行車安全；方案一會在兩種狀況下出現(xiàn)假信號，其故障率高，因而不可取；方案四會出現(xiàn)影響車輛運行安全的假零速信號的狀況，也不可取。

表5 各制動控制單元信號方案的安全性分析

(續(xù)表5)

由此可見，車輛在電氣原理設計時，應要求制動系統(tǒng)提供非零速信號，采用并聯(lián)的方式控制車輛的非零速繼電器。當制動系統(tǒng)不能提供非零速信號時，可退而求其次，選擇串聯(lián)使用零速信號的方式控制車輛的零速繼電器。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，對車輛設計和功能的要求，特別是對車輛信號的安全性和可靠性要求也越來越高。因此，在車輛電氣原理設計時，應全面考慮車輛信號的安全性和可靠性，并要慎重考慮設備故障給車輛帶來的影響，全面分析各種狀況，權(quán)衡利弊，選擇相對最安全可靠的信號方案來控制車輛，以保證車輛的安全運行。