膠輪路軌自動(dòng)旅客運(yùn)輸系統(tǒng)車輛靈活編組設(shè)計(jì)

王 振 許彥強(qiáng) 劉東亮 王 洋

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,241060,蕪湖//第一作者，工程師)

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通一般將列車靈活編組定義為列車的編組擴(kuò)充，即：線路運(yùn)營(yíng)的初期和近期采用4輛編組、遠(yuǎn)期采用6輛編組；或非高峰時(shí)段開行固定4輛編組、高峰時(shí)段開行固定6輛編組。這兩種編組擴(kuò)充方式，前者可以在滿足客流需求前提下節(jié)省工程初期投資，降低日常運(yùn)營(yíng)能耗；后者則是在不降低服務(wù)水平(運(yùn)營(yíng)間隔)的前提下滿足客流的運(yùn)輸需求。

國(guó)外的一些軌道交通項(xiàng)目做到了列車不固定編組和隨時(shí)擴(kuò)編運(yùn)行。在機(jī)場(chǎng)軌道交通項(xiàng)目中，面對(duì)機(jī)群集中到達(dá)、不同機(jī)型到達(dá)、晚點(diǎn)等情況，經(jīng)常性地臨時(shí)實(shí)施靈活編組很有必要。這就要求車輛具備快速、方便的增編和減編功能，以實(shí)現(xiàn)客流與列車運(yùn)輸能力的平衡匹配。

1 車輛靈活編組的總體技術(shù)方案

膠輪路軌制式的自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)是一種先進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)向膠輪車輛系統(tǒng)，其車輛具備經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)行安全可靠、使用維護(hù)方便、乘坐舒適等優(yōu)點(diǎn)。

1. 1 車輛編組

APM車輛具備了真正意義上的靈活編組技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)1～6節(jié)編組的任意編組運(yùn)行。

目前北京首都機(jī)場(chǎng)線、廣州珠江新城APM線、深圳寶安機(jī)場(chǎng)APM線、成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)APM線等項(xiàng)目均采用了靈活編組的APM車輛，用于應(yīng)對(duì)變化多樣的客流組織：非高峰時(shí)段采用1～2節(jié)編組運(yùn)行，高峰時(shí)段采用3～4節(jié)編組運(yùn)行。圖1為APM車輛靈活編組示意圖。

圖1 APM車輛靈活編組示意圖

1. 2 車輛基本參數(shù)

APM車輛采用無人值守全自動(dòng)運(yùn)行模式，最高運(yùn)行速度為80 km/h，能夠適應(yīng)10%的最大坡度及22 m曲線半徑的線路條件。

車輛的全自動(dòng)無人駕駛是基于移動(dòng)閉塞式信號(hào)技術(shù)，即使單節(jié)車也能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，其車輛的技術(shù)參數(shù)如表1所示。每輛車兩端均配置了全自動(dòng)車鉤，可實(shí)現(xiàn)快速聯(lián)掛解編。

表1 APM車輛技術(shù)參數(shù)

1. 3 車輛主要配置

APM車輛每車均設(shè)計(jì)為動(dòng)車，擁有相同的配置，包括車載信號(hào)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、受流系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)及動(dòng)力轉(zhuǎn)向架等。車輛兩端配置全自動(dòng)車鉤，電鉤上設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)觸點(diǎn)、固定觸點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)觸點(diǎn)3種觸點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)車輛的快速聯(lián)掛。

APM系統(tǒng)在車輛配置上與常規(guī)軌道交通的動(dòng)車和拖車的組合配置不同。兩者的車輛主要配置對(duì)比如表2所示。常規(guī)的6節(jié)編組(4動(dòng)2拖)軌道交通列車如圖2所示。

表2 常規(guī)軌道交通列車與APM系統(tǒng)的車輛主要配置對(duì)比表

圖2 常規(guī)6節(jié)編組軌道交通列車示意圖

1. 4 靈活編組的列車系統(tǒng)架構(gòu)

APM車輛未設(shè)計(jì)列車級(jí)的供電系統(tǒng)架構(gòu)，每輛車的供電系統(tǒng)只提供本車的牽引及輔助供電。其牽引性能可實(shí)現(xiàn)在喪失一半動(dòng)力的情況下能維持列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，并可保證多節(jié)編組列車中某輛車發(fā)生供電故障的情況下，仍然能夠運(yùn)行至下一個(gè)車站再退出運(yùn)營(yíng)。圖3為APM 6節(jié)編組列車在滿載(AW2)工況下喪失一半動(dòng)力的牽引仿真，因6節(jié)編組列車共有12個(gè)電機(jī)，圖3為其中6個(gè)電機(jī)失效下的情況。

APM的列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)由列車總線(WTB)和多功能車輛總線(MVB)組成。其中：WTB為雙通道多點(diǎn)串行數(shù)據(jù)總線，提供列車級(jí)車輛間的通信；MVB為多點(diǎn)串行數(shù)據(jù)總線，用于連接每輛車上的設(shè)備。取2節(jié)編組來說明APM列車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

圖3 APM 6節(jié)編組列車故障模式牽引仿真

APM系統(tǒng)的每輛車同時(shí)配置了一套列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(VATC)。組成多編組列車后,只有一輛車的VATC為主控，其余車輛的VATC為熱備。靈活編組對(duì)TCMS和VATC的系統(tǒng)架構(gòu)無影響，由TCMS進(jìn)行組網(wǎng)，TCMS隨VATC進(jìn)行主從切換。APM 2節(jié)車廂間信號(hào)系統(tǒng)互相連接的構(gòu)架如圖5所示,APM 6節(jié)編組列車組網(wǎng)如圖6所示。

圖4 APM列車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

1. 5 靈活編組對(duì)系統(tǒng)仿真及建設(shè)的需求

APM項(xiàng)目在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，列車必須以最大編組數(shù)下的性能和參數(shù)作為系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)建設(shè)的輸入。表3以深圳機(jī)場(chǎng)APM項(xiàng)目(最大編組數(shù)為4節(jié))為例，描述了APM車輛在系統(tǒng)仿真及建設(shè)的主要需求。

2 車輛擴(kuò)編、減編流程

APM車輛可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的車輛在任意方向上的聯(lián)掛編組。如果這些車輛在線路上保持同一方向，后車的一位端聯(lián)掛前車的二位端，則稱之為不換端聯(lián)掛；如果車輛在線路上不是同一方向，后車的二位端聯(lián)掛前車的二位端，則稱之為換端聯(lián)掛。換端聯(lián)掛一般在有不同方向的發(fā)車及回庫(kù)線路情況下使用。

圖5 APM 2節(jié)車輛間信號(hào)系統(tǒng)連接架構(gòu)

圖6 APM 6節(jié)編組的列車組網(wǎng)

項(xiàng)點(diǎn)主要需求車輛與軌旁接口以4節(jié)編組列車規(guī)格提供車輛與站臺(tái)門、車輛與軌道、車輛與車輛段設(shè)備的接口系統(tǒng)仿真提供單車的牽引仿真數(shù)據(jù)及系統(tǒng)仿真參數(shù);系統(tǒng)仿真需要按照最大列車編組(4節(jié))的容量進(jìn)行設(shè)計(jì)列車碰撞以4節(jié)編組列車提供列車的碰撞計(jì)算報(bào)告,用于車檔的選型及緊急制動(dòng)距離的計(jì)算

APM車輛的快速擴(kuò)編、減編工作應(yīng)在車輛段中設(shè)置有信號(hào)系統(tǒng)的安全軌道上進(jìn)行，只需配置2名司機(jī)，即可在20 min內(nèi)完成擴(kuò)編或減編的操作。以2個(gè)單節(jié)車聯(lián)掛為例，具體的操作步驟如下：

1) 行駛至聯(lián)掛區(qū)域。將聯(lián)掛車和被聯(lián)掛車分別在全自動(dòng)模式下運(yùn)行至信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置的人工駕駛轉(zhuǎn)換區(qū)域；將駕駛模式切換為全手動(dòng)駕駛后，再分別由司機(jī)通過手動(dòng)駕駛運(yùn)行至信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置的人工駕駛安全軌道區(qū)域中。

2) 施加制動(dòng)。被聯(lián)掛車輛的司機(jī)操作緊急制動(dòng)按鈕，保證被聯(lián)掛車輛處于緊急制動(dòng)施加狀態(tài)。

3) 2車聯(lián)掛。聯(lián)掛車輛的司機(jī)手動(dòng)駕駛車輛，以聯(lián)掛模式向被聯(lián)掛車移動(dòng)。在確認(rèn)全自動(dòng)車鉤聯(lián)掛到位指示燈顯示已聯(lián)掛成功后，由被聯(lián)掛車輛的司機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位被聯(lián)掛車輛的緊急制動(dòng)，完成列車的聯(lián)掛。

4) 聯(lián)掛完成。位于列車前進(jìn)端的司機(jī)操作列車線復(fù)位按鈕，駕駛聯(lián)掛后的2節(jié)編組列車返回至人工駕駛轉(zhuǎn)換區(qū)域，再將列車切換至全自動(dòng)模式。

5) 恢復(fù)運(yùn)行。司機(jī)確認(rèn)列車安全并離開列車后，控制中心即可控制列車進(jìn)行回庫(kù)或者上線運(yùn)行等操作。

3 車輛編組信息檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

APM車輛擴(kuò)編或減編并完成列車線復(fù)位后， VATC需要知道列車的長(zhǎng)度，確定虛擬占用列車的編組數(shù)。

固定編組車輛的列車長(zhǎng)度固定，只需要知道列車是否完整即可，一般只需進(jìn)行列車完整性檢測(cè)；而對(duì)于一列靈活編組的APM列車，則需要改進(jìn)固定編組列車長(zhǎng)度的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車長(zhǎng)度的檢測(cè)，從而保證軌旁ATP(列車自動(dòng)防護(hù))虛擬占用的準(zhǔn)確性。

如圖7所示，VATC接收到的是電壓信號(hào)。APM列車設(shè)計(jì)了核心的列車長(zhǎng)度檢測(cè)方案，每輛車的端部電路通過全自動(dòng)車鉤自動(dòng)聯(lián)掛，聯(lián)掛的車輛數(shù)量不同，串聯(lián)到電路中的電阻R則不同，VATC檢測(cè)到的電壓值也不同，從而實(shí)現(xiàn)了通過電壓值來確定聯(lián)掛列車的編組數(shù)量。

圖7 APM列車長(zhǎng)度檢測(cè)電路原理圖

圖7中，車輛一位端和二位端均配置了繼電器面板，面板上的繼電器分別命名為KT和K。全自動(dòng)車鉤聯(lián)掛的狀態(tài)信號(hào)發(fā)送至相互聯(lián)掛端的繼電器面板，控制繼電器K和KT自動(dòng)斷開；手動(dòng)操作列車線復(fù)位按鈕，控制列車兩端非聯(lián)掛端的繼電器K和KT閉合，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)電路回路。

為保證檢測(cè)電壓值的準(zhǔn)確性， VATC設(shè)計(jì)為懸浮接地，需要測(cè)量末端電壓值Vc,并作為其參考電壓。

如圖7所示，在車輛聯(lián)掛側(cè)通過全自動(dòng)車鉤聯(lián)掛信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)掛側(cè)的繼電器K和KT斷開，并且在列車中車輛1的一位端K閉合、列車車輛n的一位端KT閉合，即可實(shí)現(xiàn)參考電壓Vc的檢測(cè)。此時(shí)編組數(shù)量判斷依據(jù)為(V-Vc)/R。通過該APM列車的長(zhǎng)度檢測(cè)電路，VATC可以準(zhǔn)確判斷出列車的編組數(shù)，從而在確定列車虛擬占用時(shí)，完全確定其列車長(zhǎng)度。

4 結(jié)語

APM車輛擁有獨(dú)特的靈活編組設(shè)計(jì)理念。在快速擴(kuò)編或減編后，通過列車長(zhǎng)度檢測(cè)電路和全自動(dòng)車鉤聯(lián)掛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了靈活編組APM列車的長(zhǎng)度檢測(cè)，用以確認(rèn)軌旁ATP虛擬占用。這種檢測(cè)方法在車輛換端聯(lián)掛和不換端聯(lián)掛方式下均可適用。

通過快速的擴(kuò)編、減編，以及列車長(zhǎng)度的自動(dòng)檢測(cè)，大大提高了調(diào)整列車編組的工作效率，減少操作失誤，保證了APM系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。