新型軌道車輛警惕裝置的功能及實現(xiàn)方法

■ 李慧娟 車聰聰 姜付杰 王淼

隨著軌道車輛的高速發(fā)展，保證運行安全的設(shè)計成為車輛性能設(shè)計的重中之重。目前，無論是國內(nèi)外的城市軌道車輛，還是高速行駛的動車組列車，均配備了不同類型的警惕裝置，該裝置組成了一種基于車輛在操作異常情況下而發(fā)揮作用的基本安全保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷出車輛在行駛過程中司機(jī)是否處于清醒狀態(tài)，進(jìn)而對司機(jī)進(jìn)行聲音（蜂鳴器）和光（警惕指示燈）的自動報警，以保證司機(jī)在列車行駛中保持警覺和警惕，直至列車緊急制動停車，從而實現(xiàn)車輛的安全運行。

1 警惕裝置

國內(nèi)城軌車輛的警惕裝置與司機(jī)控制器設(shè)計集成一體化，一般置于手柄的下方。司機(jī)在非高制動檔位（4級制動以上）行車時，一旦松開手柄，取消了持續(xù)的機(jī)械施壓，列車配備的警惕蜂鳴器會立刻鳴響，提醒司機(jī)目前列車處于危險運行的工況，5 s內(nèi)若司機(jī)沒有再次觸發(fā)警惕裝置，車輛將實施緊急制動，直至停車。因該裝置要求司機(jī)操作的連續(xù)性，被稱為“死人按鈕”。目前國內(nèi)高鐵列車同樣配備了警惕裝置，分別設(shè)置在操縱臺上和操縱臺下，司機(jī)可以選擇觸發(fā)操縱臺上的按鈕或操縱臺下的腳蹬，30 s內(nèi)若無任一觸發(fā)動作，操縱臺上的蜂鳴器將會自動發(fā)出報警聲音；10 s后若司機(jī)依然未觸發(fā)警惕裝置，列車將會實施緊急制動，直至停車。由于其非連續(xù)的操作特性，因此又被稱作“活人按鈕”。無論是“死人按鈕”還是“活人按鈕”，警惕裝置已成為保障列車安全運行的一個有效措施。

2 新型警惕裝置功能

目前“死人按鈕”和“活人按鈕”警惕裝置的設(shè)計都有一定的局限性。“死人按鈕”裝置通過持續(xù)施壓實現(xiàn)對車輛的保護(hù)功能是不可靠的，任何因放置不當(dāng)而恰巧置于警惕裝置上的物品由于其自身的質(zhì)量原因，都可以取代司機(jī)的持續(xù)施壓操作，進(jìn)而使警惕裝置自身保護(hù)功能失效；其次，對于站間距在2～3 km的情況下，由于站間距較長，長時間的握緊手柄對司機(jī)來說是件勞動強(qiáng)度較大的工作，而一旦松開，就會立刻報警。“活人按鈕”相對“死人按鈕”裝置，以循環(huán)周期性動態(tài)操作取代固定的靜態(tài)操作，可行性增強(qiáng)，但當(dāng)車輛運行在一種高加速、站間距離相對較小的工況，完全借用該警惕裝置也是不可取的。因為車輛處于高速運行過程中，觸發(fā)周期過長將不能保證列車的安全制動距離。

因此，結(jié)合高鐵上用到的傳統(tǒng)“活人按鈕”警惕裝置進(jìn)行了重新設(shè)計的一種新型警惕裝置，充分利用列車控制系統(tǒng)，結(jié)合列車各種運行工況，以實現(xiàn)根據(jù)列車運行速度對警惕裝置觸發(fā)周期進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整的目標(biāo)。

2.1 方案設(shè)計

新型警惕裝置設(shè)計方案主要針對警惕裝置觸發(fā)的時間間隔進(jìn)行重新設(shè)計，由原來的定周期觸發(fā)，變?yōu)橐环N周期可調(diào)的觸發(fā)方式。列車不同運行工況下，警惕裝置觸發(fā)方式設(shè)計如下：

（1）列車處于正常運行（4級制動以上）的工況時，制動力很大，可以保證列車運行安全，忽略警惕裝置的保護(hù)功能，即不觸發(fā)；

（2）列車處于低速正常運行的工況時，考慮到列車制動能力能有效保證列車的安全運行，同時為了降低司機(jī)的勞動強(qiáng)度，因此在列車速度低于6.4 km/h的工況下，也可忽略警惕裝置的保護(hù)功能，即不觸發(fā)；

（3）列車處于中速正常運行的工況時，沿用國內(nèi)高鐵的定周期觸發(fā)警惕裝置的方式，采用最長警惕觸發(fā)周期為30 s，若30 s內(nèi)司機(jī)沒有任何觸發(fā)操作，列車將對司機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的提醒直至停車；

（4）列車處于高速正常運行的工況時，由于列車運行速度高，因此考慮到高速帶來的制動距離的增加，選用一種根據(jù)不同列車速度自動調(diào)節(jié)觸發(fā)周期的方式來實現(xiàn)動態(tài)警惕觸發(fā)功能，觸發(fā)周期在16～30 s內(nèi)自動調(diào)整，若司機(jī)在規(guī)定時間段內(nèi)未完成對警惕裝置的觸發(fā)操作，列車將會發(fā)出聲光報警，采取緊急制動直至列車停車。

警惕裝置觸發(fā)周期設(shè)計見表1。

2.2 硬件組成

新型警惕裝置功能設(shè)計的硬件組成分為三部分：列車運行工況、列車控制系統(tǒng)和列車動作。

（1）列車運行工況包括列車制動狀態(tài)操作、制動控制單元和警惕裝置觸發(fā)狀態(tài)，其中制動控制單元提供本單元內(nèi)車輛的軸速度，列車運行工況信息反饋至列車控制系統(tǒng)。

（2）列車控制系統(tǒng)包括數(shù)字量輸入模塊、中央控制單元及數(shù)字量輸出模塊三部分，列車控制系統(tǒng)依據(jù)接收到的本單元內(nèi)制動控制單元傳輸?shù)挠行Я熊囕S速度計算出整列車輛的實際運行速度，同時采集列車制動狀態(tài)及警惕裝置觸發(fā)狀態(tài)，以此三要素確定警惕裝置的觸發(fā)周期。其中警惕裝置選用自復(fù)位的按鈕，列車控制系統(tǒng)檢測按鈕的邊沿脈沖信號作為判斷條件。

（3）列車動作包括報警燈、蜂鳴器及緊急制動繼電器動作。列車控制系統(tǒng)根據(jù)列車運行工況信息反饋控制列車動作，以保證車輛運行安全。

新型警惕裝置功能實現(xiàn)原理框架見圖1。

2.3 軟件實現(xiàn)

2.3.1 軟件設(shè)計

列車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個警惕裝置設(shè)計的核心部分，軟件設(shè)計流程見圖2。

（1）列車控制系統(tǒng)采集列車運行工況，采集到表1中的工況1和工況2時，警惕許可不執(zhí)行，反饋命令為“N”，程序循環(huán)運行；采集到表1中的工況3和工況4時，執(zhí)行警惕許可，反饋命令為“Y”，程序繼續(xù)運行。

（2）列車控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的列車運行工況制定警惕裝置觸發(fā)周期，若在觸發(fā)周期內(nèi)司機(jī)進(jìn)行了警惕裝置觸發(fā)，反饋命令為“Y”，程序循環(huán)運行；若司機(jī)超時未觸發(fā)警惕裝置，反饋命令為“N”，首先列車控制系統(tǒng)對報警指示燈輸出高頻啟動脈沖指令，通過報警指示燈的高頻閃爍對司機(jī)進(jìn)行提示，程序繼續(xù)運行。

圖1 新型警惕裝置功能實現(xiàn)原理框架

表1 警惕裝置觸發(fā)周期設(shè)計表

圖2 新型警惕裝置軟件設(shè)計流程

（3）若報警指示燈高頻閃爍動作2.5 s內(nèi)司機(jī)進(jìn)行了觸發(fā)警惕裝置操作，則列車控制系統(tǒng)終止對報警指示燈的高頻輸出，反饋命令為“Y”，程序循環(huán)運行；若該時間段內(nèi)司機(jī)不做任何操作，反饋命令為“N”，列車控制系統(tǒng)在對報警指示燈輸出高頻啟動命令的同時，對蜂鳴器也輸出同頻率的啟動脈沖，從而增加報警聲音的提示，程序繼續(xù)運行。

（4）若蜂鳴器和報警指示燈高頻閃爍同步動作2.5 s內(nèi)司機(jī)進(jìn)行了觸發(fā)警惕裝置操作，則列車控制系統(tǒng)終止對報警指示燈及蜂鳴器的高頻輸出，反饋命令為“Y”，程序循環(huán)運行；若該時間段內(nèi)司機(jī)不做任何操作，反饋命令為“N”，則可以判斷目前司機(jī)處于無意識狀態(tài)，失去了對列車運行狀態(tài)的監(jiān)控和操縱能力，出于對車輛的安全運行考慮，列車控制系統(tǒng)會輸出緊急制動的指令，觸發(fā)緊急制動繼電器動作，將列車安全停穩(wěn)。

2.3.2 軟件程序

根據(jù)軟件設(shè)計思路，基于isagraf軟件采用流程圖（FC）語言進(jìn)行軟件程序的編寫。該軟件程序能完全實現(xiàn)軟件設(shè)計的功能，已在具體的出口城軌車輛中得到應(yīng)用。

3 結(jié)束語

國內(nèi)軌道車輛安裝的警惕裝置使用較多的是靜態(tài)操作和固定周期的動態(tài)操作觸發(fā)方式。在分析了靜態(tài)和固定周期動態(tài)觸發(fā)警惕裝置不足之處的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合車輛的運行工況，重新設(shè)計實現(xiàn)了一種在安全制動距離下，警惕觸發(fā)周期隨車速變化而自動調(diào)整的動態(tài)觸發(fā)方式。該設(shè)計利用列車控制系統(tǒng)強(qiáng)大的處理能力，結(jié)合列車運行狀態(tài)等綜合條件，控制車輛邏輯的輸出，盡可能減少硬件設(shè)備或觸點故障帶來的影響，同時最大程度降低了司機(jī)的工作強(qiáng)度，提高了車輛運行的安全性能。該設(shè)計方式對于站間距較長的軌道車輛警惕裝置控制原理設(shè)計有很好的參考價值及指導(dǎo)意義。

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