基于地鐵列車方位信息的自動弓靴轉換技術研究

孫信賢

(深圳市地鐵運營集團有限公司,廣東 深圳 518040)

城市軌道交通供電制式主要包括架空接觸網和第三軌供電兩種形式[1]。深圳地鐵6號線正線采用第三軌供電,確保運營供電高可靠性,提升高架段視覺美觀度,方便供電設備維護保養[2];車輛基地采用架空接觸網供電,確保車輛維保作業高安全性,并提升收發車效率[3]。在車輛基地出入段線處,同時敷設接觸網和第三軌,作為兩種供電制式的切換過渡區域。為匹配供電制式,深圳地鐵6號線列車采用雙受流制式[4],即正線采用集電靴受流,車輛基地采用受電弓受流。

該供電模式很好地兼顧了架空接觸網和第三軌供電制式的優點,但由于新增了弓靴轉換流程,必須確保列車在弓靴轉換區域安全、高效、正確地完成受流制式切換,否則將造成車輛侵限、帶載拉弧放電、誤入無電區等問題[5]。

傳統的解決方案為列車司機、車廠調度進行互控,即“人防”。本文則提供了一種基于列車方位信息的自動弓靴轉換的“技防”方案,可實現智能提醒、自動觸發、一鍵自動切換、安全防錯等功能,已應用在深圳地鐵6號線列車上,并取得了顯著成效。

1 弓靴轉換工作原理和人工操作方法

深圳地鐵6號線列車初始設計方案僅具備人工弓靴轉換功能,雙受流模式與列車控制系統相結合,高壓DC 1 500 V通過兩路輸入逆變器,兩種模式由列車通信控制系統(TCMS)和無觸點邏輯控制單元(LCU)進行邏輯控制,由高壓模式轉化開關(HVS)執行控制命令,從而實現弓靴轉換(圖1)。

圖1 受電弓與集電靴供電模式

以列車從車輛基地運行至正線為例,列車需由受電弓取電轉換為集電靴取電。首先,列車駛入車輛基地與正線銜接處的弓靴轉換區域,停妥后手動關閉所有負載,包括空調機組、列車照明等;然后手動操作降弓按鈕使受電弓降下,確認降弓完成;再手動按壓集電靴模式完成受電弓模式到集電靴模式的轉換;最后操作集電靴升靴按鈕,使集電靴升起,列車從第三軌受流,并重新開啟列車負載設備,則完成了一次人工手動“弓—靴”轉換,列車將采用集電靴受流模式在正線運行。

同樣,列車從正線運行至車輛段時,則需完成一次“靴—弓”人工轉換操作,列車由集電靴模式轉換到受電弓模式。

兩種模式轉換過程中,均由司機對各步驟進行操作,由車廠調度通過軌旁監控攝像頭對轉換結果進行互控,步驟繁瑣,容易出錯,效率低下,安全保障完全由人工管控。

2 人工手動弓靴轉換風險分析

通過JSA風險分析方法,從人為因素、設備因素分析弓靴轉換每一步驟,梳理得出人工手動弓靴轉換功能上主要存在以下四大風險:

(1) 轉換前,模式按鈕未復位,存在轉換失敗風險;

(2) 轉換時,未關閉負載進行降弓或者降靴操作,存在帶載拉弧放電、損傷高壓部件甚至接地短路風險;

(3) 出庫時,未完成“弓—靴”轉換,列車升弓進入正線區域,存在列車侵限導致刮弓事故風險;

(4) 入庫時,未進行“靴—弓”轉換,列車駛入無電區,存在失電風險。

3 自動弓靴轉換技術方案

為消除人工手動弓靴轉換方案的風險,實現自動轉換功能的設計需求,應從控制層面進行優化,需包含以下6項自動化功能:

(1) 列車到達弓靴轉換位置,弓靴轉換功能自動激活待命,自動觸發語音(PIS)和司機顯示屏(HMI)提醒功能;

(2) 司機一鍵確認轉換,自動切斷全車中壓負載,關閉輔助逆變器;

(3) 自動輸出降弓或降靴指令;

(4) 接收到降到位信號后,自動輸出升靴或升弓指令;

(5) 完成高壓受流后,自動啟動全車負載,完成自動弓靴轉換流程;

(6) 列車出庫未降弓時,自動輸出強制降弓指令,以起到安全防護作用。

實現上述功能的核心條件,一是列車需具備方位識別能力,即準確識別列車是否處于弓靴轉換區域以及運行方向是出庫還是入庫;二是列車需實現對相關控制步驟的自動觸發、運行、結果確認等鏈式邏輯控制功能。本文提出了充分運用深圳地鐵6號線列車防沖撞系統的地面信標識別功能和TCMS、LCU系統邏輯控制功能來滿足上述核心條件的解決方案。

3.1 弓靴轉換區域敷設地面信標

在弓靴轉換區域,敷設1、2、3號共3個地面信標。列車通過此區域時,根據列車獲取信標的先后順序,判斷列車處于入庫或出庫狀態(圖2)。列車獲取信標順序為“1→2→3”時,為出庫狀態,進行降弓升靴;列車獲取信標順序為“3→2→1”時,為入庫狀態,進行降靴升弓。

圖2 弓靴轉換區域地面信標安裝示意圖(以出庫為例)

3.2 優化列車控制電路原理

對受電弓升降、集電靴升降的LCU控制電路原理進行分析后,優化電路如下:在LCU控制電路中接入信號源輸出至列車TCMS系統,由TCMS系統直接控制按鈕、指令等信號,實現自動和人工升降弓或升降靴的功能。

3.2.1 受電弓升降控制

人工升降弓需滿足以下條件:受電弓模式,本端司機室激活,零速信號,所有集電靴降到位,司機操作升弓按鈕或降弓按鈕實現受電弓的升降。自動升降弓則是在上述條件中增加弓靴轉換位置信息作為特定區域的判定,從而自動觸發升弓按鈕或降弓按鈕信號,實現受電弓的自動升降(圖3)。

圖3 受電弓轉集電靴控制邏輯示意圖

3.2.2 集電靴升降控制

人工升降靴需滿足以下條件:集電靴模式,本端司機室激活,零速信號,所有受電弓降到位,司機操作升靴按鈕或降靴按鈕實現集電靴的升降。自動升降靴則是在上述條件中增加弓靴轉換位置信息作為特定區域的判定,從而自動觸發升靴按鈕或降靴按鈕信號,實現集電靴的自動升降(圖4)。

圖4 集電靴轉受電弓控制邏輯示意圖

3.3 優化列車軟件控制邏輯

分析自動弓靴轉換電路,對列車TCMS系統功能進行優化。

3.3.1 出/入庫判斷

當列車進入弓靴轉換區域,越過地面信標1或信標3時,TCMS系統獲得信標信號,根據信標代碼判斷為出庫或入庫狀態。

3.3.2 語音及司機顯示屏提示

自動弓靴轉換模式觸發后,列車通信控制系統觸發司機室蜂鳴器,司機顯示屏出現提示彈框“自動弓靴轉換”,司機室揚聲器播放“列車已進入弓靴轉換區域,請降靴升弓”(列車入庫)或“列車已進入弓靴轉換區域,請降弓升靴”(列車出庫)。以上3類提示可使司機時刻關注轉換過程,提高司機對自動弓靴轉換的敏感性,進一步提高司機安全作業意識。若轉換失敗,可以快速進行應急處置。

3.3.3 不帶載轉換控制

(1) 自動弓靴轉換模式觸發后,列車通信控制系統發出全車負載切除指令,負載完全切除后,才可以發出降弓或降靴指令。

(2) 轉換完成,列車能夠重新獲取DC 1 500 V高壓后,方可自動啟動負載,完成自上電過程。

以上強制順序可避免因帶載轉換導致拉弧接地故障發生。

3.3.4 強制降弓控制

當列車獲取信標順序為“1→2→3”且列車越過信標3時,即列車出庫過程中已越過弓靴轉換區域,但列車受電弓未降下,則TCMS系統強制發出降弓指令,確保受電弓降下,避免升弓出庫導致設備侵限。

4 結束語

深圳地鐵6號線列車采用雙受流高壓取電模式,較傳統列車增加了弓靴轉換安全風險。通過優化電路及控制邏輯,目前已實現了基于地鐵列車方位信息的自動弓靴轉換功能的應用。該技術既避免了帶載轉換導致接地短路的風險,又規避了升弓出庫導致異物刮擦侵限的風險,同時還解決了手動轉換效率低的問題,可為后續雙制式供電軌道交通車輛的設計提供參考。