城軌車輛動態試驗線路防冒進系統設計

胡 勇，黃致青，肖 乾

（1.華東交通大學經濟管理學院，江西 南昌 330013；2.江西中車長客軌道車輛有限公司，江西 南昌 330117；3.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌 330013）

隨著城市軌道交通的發展，軌道車輛的數量逐年增多，列車運行監控記錄裝置的使用極大的提高了列車正線行車的安全性，但是在調車作業以及機車出入庫作業當中，由于受場地和設備的條件限制，時常有列車冒進事故的發生。冒進是指在未獲得授權的情況下，列車前端任何一部分越過地面固定停車信號機。在司機注意力不集中、勞累瞌睡、天氣不良等情況下，容易造成車輛冒進并撞上線路末端，嚴重時還會導致車輛脫軌等重大安全事故。

羅建慧[1]對機車冒進的原因進行分析，并針對人員和設備問題提出加強員工管理，完善檢查制度的措施。王靜環[2]在針對一起列車冒進信號險性事故的分析中發現人為操作失誤是安全生產中最不確定的因素，僅靠完善管理無法徹底杜絕冒進事故的發生。黃仕軍[3]在現有的機車“防撞土擋裝置”基礎上進行改造，開發了一種新型調車信號防冒進裝置，但是該裝置只能接收點式信號而非連續的信息。曾華南等[4]和李小亮等[5]開發了一種基于衛星定位的列車防冒進系統，通過車載控制器設備完成位置信息或運行軌跡精確采樣。當列車存在冒進風險時，可結合車輛當前速度，實時計算末端距離和緊急制動距離。目前，車輛調試冒進防護的方式多為被動防護，通過標識提醒、緩沖擋車器和沙推進行聯合防護，這些措施只能間接減少車輛和人員損失，不能從根本上解決調試線軌道車輛的冒進問題；基于衛星定位的防冒進裝置也存在衛星定位信號不穩定、連線復雜及操作軟件可靠性等問題。

為了解決以上問題，本文設計了一款成本低、安全性能高的新型紅外線防冒進系統，通過在距離試驗線路終端300 m 位置處的線路兩旁安裝2 組二光束太陽能全無線對射裝置，在城軌車輛駕駛室內安裝報警主機，在不增加作業人員任何負擔的情況下，及時、準確實現車輛冒進后的緊急制動，避免因人工操作失誤等原因造成的車輛冒進脫軌、側翻、人員傷亡等事故發生。

1 城軌車輛緊急制動原理

城軌車輛制動系統通常分為常用制動、緊急制動、快速制動和停放制動等。其中，緊急制動優先于常用制動，是一種根據緊急安全環路狀態施加的純空氣制動[6]。緊急制動由列車的緊急制動環路失電觸發，緊急制動列車線信號（得電/失電）傳送給每一個EP2002 閥（網關閥和智能閥），EP2002 閥內部獨立的電磁閥控制緊急制動的施加和緩解。

以鋁合金B 型車的克諾爾制動系統為研究對象。城軌車輛緊急制動電路的建立如圖1 所示，列車上電，閉合控制電源為安全環路控制=26-F05、司機室激活控制=21-F01、制動邏輯輸出=26-F04、列車控制=24-F01、ATC 控制=41-F04，司機室鑰匙激活，司機室激活繼電器=21-K03 得電，常開觸點閉合，緊急制動按鈕=26-S09 未按下、緊急按鈕回路繼電器=26-K04 得電，常開觸點閉合，列車處于靜止狀態，速度低于0.5 km/h，列車零速繼電器=26-K10得電，常閉觸點閉合，方向手柄非0 位，警惕按鈕按下、警惕繼電器=24-K02 得電，總風壓力大于7 bar總風狀態繼電器=26-K05 得電，安全環路繼電器=26-K06 得電，常開觸點閉合，車輛速度未超過80 km/h，列車超速繼電器=26-K12 常閉觸點一直處于常閉狀態，車輛聯掛繼電器=74-K02 未得電，常閉觸點一直處于常閉狀態，ATC 切除=41-S01 選擇切除位，ATC 切除繼電器=41-K12 得電，常開觸點閉合，未激活端司機室激活繼電器21-K03 常閉觸點，兩端緊急環路繼電器=26-K07 得電，緊急制動電路建立完成[7]。

圖1 緊急制動電路的建立Fig.1 Establishment of an emergency braking circuit

2 車輛不同速度下緊急制動距離測試

地鐵車輛的制動距離是指從司機制動手柄置于制動位的瞬間，到某個速度對應的時刻或停車瞬間，車輛所行走的總距離。如圖2 所示，車輛的制動可以分為兩個時間段，即空走時間段和勻減速時間段，其中空走時間包括制動指令傳輸延遲的時間、制動控制裝置計算分配制動力的計算周期時間和空氣制動閥的響應時間等。

圖2 車輛制動過程分析圖Fig.2 Vehicle braking process analysis diagram

本文重點研究車輛冒進安全距離后如何實現車輛自動緊急制動。為確定安全警示距離，進行現場測試，在干燥的平直軌道試驗線上實測80，60，40 km/h 3 種速度下，車輛的緊急制動距離，其中每個速度測試3 次取其平均值[8]，試驗測試結果如表1 所示。

表1 列車不同速度緊急制動距離和加速度值Tab.1 Emergency braking distance and acceleration values for different speeds of trains

城軌車輛不同速度下緊急制動距離和加速度參考值如表2 所示。

表2 緊急制動距離和加速度參考值Tab.2 Emergency braking distance and deceleration reference values

根據表1 中結果可得出結論，本次試驗所測試數據滿足車輛緊急制動環境下的標準要求，且所設置的距離試驗線終端300 m 的安全距離滿足車輛冒進后緊急停車所需安全距離的要求。

3 紅外線防冒進系統的研究和設計

3.1 紅外線報警裝置組成

如圖3 所示，紅外線報警裝置主要由安裝在線路兩旁的紅外線發射、接收部分和安放在駕駛室內的主機報警部分（電源、微控制器、聲光報警顯示）以及信號傳輸激發裝置3 部分構成。

圖3 紅外線報警裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of infrared alarm device

其中紅外線發射、接收部分如圖4 所示，在動態調試試驗線終端前方300 m 距離處的線路兩旁安裝2 組二光束太陽能全無線對射裝置，每組各由一個發射和接收裝置組成。二光束太陽能全無線對射裝置采用非接觸式自動感應技術，車輛進入對射區域后，紅外線接收裝置將信息傳輸給報警主機[9]。

圖4 紅外線發射、接收部分設置圖Fig.4 Infrared emission and reception part of the setting diagram

主機裝置選用市場上型號為HB-5050 的網絡報警裝置，該裝置主要由電源、中央信息處理裝置、聲光報警顯示等部分組成，其接口示意圖如圖5 所示。報警主機在失去二光束太陽能全無線對射裝置的紅外線信號時將觸發其聲光報警裝置，并通過警號接口輸出電流信息[10]。

圖5 主機裝置接口示意圖Fig.5 Schematic diagram of the host appliance interface

信號傳輸激發部分的主要作用為將主機輸出的電流信息通過一個常開觸點繼電器傳輸給動調車輛，其結構簡單便捷，可直接安裝在主機裝置內部，通過兩根線纜將常開觸點繼電器和車輛連接起來，實現信號的傳輸和轉換，具體結構如圖6 所示。

圖6 信號傳輸激發裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of signal transmission excitation device

3.2 紅外線防冒進裝置結構設計

選用紅外線報警裝置作為車輛冒進后緊急制動信號的誘發裝置，通過增加一個常開觸點繼電器將紅外線報警裝置的報警信號轉換輸入給城軌車輛。如圖7 所示，將帶有常開觸點繼電器的正負極接在報警主機的警號接口處，將兩根長4 m 的1.0 mm2線纜接在繼電器的常開觸點，線纜的另一端接在車輛駕駛室里的電器柜線號26C01 和26J08 的端子排上。

圖7 紅外線防冒進裝置結構Fig.7 Structure of infrared anti-aggressive device

3.3 紅外線防冒進裝置工作原理

緊急制動對于車輛仿冒進至關重要，如圖8 所示，當試驗車輛冒進軌道兩側的紅外線發射、接收裝置的對射區域時，防冒進主機發出報警信號，其中主機內有常開觸點繼電器，其正負極接在主機的報警信號輸出端，此時繼電器得電使其常開觸點閉合，電流從DC110V 正線通過外接的1.0 mm2線纜直接短接在超速繼電器26-K12 的輸入端，使超速繼電器得電，因其串聯在緊急制動環路里的常閉觸點斷開，使緊急制動繼電器26-K07 失電，車輛施加緊急制動[7-8]。

圖8 紅外線防冒進裝置工作原理Fig.8 The working principle of the infrared antiaggressive device

3.4 紅外線防冒進裝置性能測試

利用南昌軌道交通集團的10 組列車在2018年1 月至7 月進行測試，用于檢測該紅外線防冒進裝置的性能。列車冒進時間和該裝置報警時間的誤差如表3 所示。

表3 具體試驗數據Tab.3 Specific test data

以上試驗數據證明該紅外線防冒進裝置具有較高的準確性，誤報率低，滿足軌道車輛試車線動態調試時防冒進需求。目前該紅外線防冒進裝置已在南昌地鐵2 號線、南昌地鐵3 號線等多個項目上投入使用，已完成50 多列城軌車輛的動態調試防冒進監控，功能狀態一直保持穩定有效，報警及時準確。

4 結論

城軌車輛在動態試驗過程當中存在著冒進的風險，為避免車輛冒進導致列車相撞、脫軌等事故發生，本文設計了一種新型軌道車輛防冒進裝置，通過一系列試驗，得出以下結論。

1）試驗測得各速度等級情況下，車輛緊急制動的平均加速度最小為1.28 m/s2，滿足本項目所研究的克諾爾系統緊急制動的加速度不小于1.2 m/s2的要求。

2）本文所設計的紅外線防冒進裝置結構簡單、安裝便利，投入成本低，后期維護頻率低，具備長期使用的條件；可提供可靠的冒進報警并實現冒進車輛緊急制動。