城市軌道交通車輛制動系統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和制動系統。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提供，包括零速信號；當信號系統發生故障，車輛退出信號控車模式后，車輛的速度信息由制動系統提供。本文主要討論制動系統提供的零速信號，具體是車輛應該要求制動系統提供零速信號還是非零速信號用于車輛控制，制動系統提供的該信號應該串聯使用還是并聯使用。怎樣的組合和設計對車輛控制來說安全系數是最高的，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結構

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節編組城市軌道交通(以下簡為“城軌”)車輛為例，其制動系統一般分成2個獨立的控制單元。每個控制單元由Tc-Mp-M等3節車組成。通常在Tc車和M車會各安裝1個制動系統控制主機，用于采集車輛信號，并提供車輛需要的控制信號或者監控信號。制動系統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]。制動系統控制單元的結構示意圖如圖1所示。

圖1 制動系統控制單元結構示意圖

每個制動控制單元內的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臺控制主機間可內部通信。

2 零速信號與非零速信號的選用

制動系統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、緊急制動安全環線建立，車鉤的解鉤控制，信號系統的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 制動系統提供零速信號

若制動系統提供零速信號，則一般制動系統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 并聯使用零速信號

當2個制動控制單元的零速信號并聯使用時，零速信號的真值表如表1所示。

表1 零速信號并聯使用時的真值表

從表1可以看出：當并聯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(運行狀態)；在其他狀況下，車輛都將判斷自身處于零速狀態(靜止狀態)。

并聯使用零速信號存在2個弊端：

1) 弊端一：當車輛靜止、制動系統處于斷電狀態時，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。這時，制動系統無法發出反映真實狀態的零速信號，所發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，允許司機進行打開客室門的操作。此時所發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 串聯使用零速信號

為了提高零速信號的可靠性，車輛可串聯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。串聯使用零速信號時的真值表如表2所示。

表2 串聯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；其他狀況下，都會認為自身處于非零速狀態。

串聯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、制動系統斷電時，零速信號串聯也會為車輛提供非零速的假信號。

此外，零速信號串聯還存在新的弊端：當1個制動控制單元發生故障，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，即使車輛到站也不能執行打開車門的命令。可見零速信號串聯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 制動系統提供非零速信號

若制動系統提供非零速信號，則制動系統的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方式時，非零速信號的真值表如表3所示。

表3 并聯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；其他狀況下，車輛都會判斷其處于非零速狀態。

當車輛靜止、制動系統處于斷電狀態時，車輛根據制動系統的零速信號所得判斷與車輛的實際狀態一致，避免了制動系統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，即使車輛到站也不能執行打開車門的命令[4]。這降低了車輛的可用性，是非零速信號并聯使用的主要弊端。

2.2.2 串聯使用非零速信號

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；其他狀況下，車輛都會判斷其處于零速狀態。

表4 串聯使用非零速信號時的信號真值表

當車輛靜止、制動系統處于斷電狀態時，車輛根據制動系統的零速信號所得判斷與車輛的實際狀態一致，避免了制動系統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，允許司機進行打開客室門的操作。這是非常危險的，是串聯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使用的安全性分析

零速信號和非零速信號的串、并聯使用，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假信號，其故障率高，因而不可取；方案四會出現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

(續表5)

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

4 結語

隨著城市軌道交通的迅速發展，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。