摘 要：廣州地鐵 4 號、5 號、6 號、14 號、21 號線運(yùn)營線路采用第三軌集電靴受流方式，車輛段采用接觸網(wǎng)受電弓受流方式，列車在進(jìn)出車輛段時(shí)，需在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處進(jìn)行降弓升靴或降靴升弓的操作，傳統(tǒng)“人防”監(jiān)控方法是人工監(jiān)控與視頻監(jiān)控。文章研究利用信號定位、車輛控制軟件聯(lián)控的方式，實(shí)現(xiàn)列車弓靴轉(zhuǎn)換由“人防”向“技防”的轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)研究成果已在廣州地鐵 14 號、21 號線車輛段出入段線弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處成熟應(yīng)用。該設(shè)計(jì)研究方案能優(yōu)化列車出入場管理、節(jié)約人力資源，并從根本上解決人工未按要求進(jìn)行弓靴轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;弓靴轉(zhuǎn)換;聯(lián)動監(jiān)控

中圖分類號：U231

1 研究背景

城市軌道交通車輛通過受流器與接觸導(dǎo)線（接觸網(wǎng)或第三軌）滑動接觸，從供電電網(wǎng)吸收電能，常用的取流方式包括受電弓受流以及集電靴受流2種。廣州地鐵14號、21號線采用6節(jié)編組、120 km/h的B型列車，采用受電弓或集電靴受流的方式，即車輛段為1 500 V接觸網(wǎng)供電，運(yùn)營線路為1 500 V直流接觸軌供電。

當(dāng)列車從車輛段駛?cè)脒\(yùn)營線路或從運(yùn)營線路駛回車輛段時(shí)需轉(zhuǎn)換受流模式。以從車輛段駛?cè)脒\(yùn)營線路為例，司機(jī)需手動操作降弓按鈕，使列車車頂受電弓降下，并同時(shí)手動操作升靴按鈕，使車底集電靴升起，實(shí)現(xiàn)列車供電受流方式的轉(zhuǎn)換，此過程為升靴降弓。列車從運(yùn)營線路駛回車輛段時(shí)的動作則剛好相反，稱為升弓降靴。弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)位于車輛段出入段線處，軌旁設(shè)置有信號機(jī)、應(yīng)答器等信號定位設(shè)備。當(dāng)列車從車輛段駛?cè)脒\(yùn)營線路區(qū)域時(shí)，若在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處未降弓升靴，或從運(yùn)營線路駛回車輛段時(shí)未降靴升弓，都將導(dǎo)致受電弓或集電靴受到撞擊損壞或列車失電停車等安全事故。因此，確保列車在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)完成弓靴轉(zhuǎn)換，是保證安全行車的重要環(huán)節(jié)之一。

廣州地鐵4號、5號、6號、14號、21號線線路均采用庫內(nèi)受電弓受流、運(yùn)營線路集電靴受流方式，且11 個(gè)段場共計(jì)22條出入場線，共配屬列車233列，年均操作弓靴轉(zhuǎn)換多達(dá)17萬次，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。2012年5月，廣州地鐵5號線魚珠車輛段發(fā)生1起因司機(jī)未操作降弓出段導(dǎo)致列車在出段線洞口撞弓的嚴(yán)重安全事件。

為避免在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)未完成弓靴轉(zhuǎn)換導(dǎo)致撞弓或撞靴的隱患，廣州地鐵主要采用人工模式（安排作業(yè)人員至轉(zhuǎn)換軌處目視監(jiān)控確認(rèn)弓靴狀態(tài)，以及通過轉(zhuǎn)換軌處的洞口攝像頭監(jiān)控，并實(shí)時(shí)與司機(jī)、行車調(diào)度進(jìn)行溝通確認(rèn)弓靴狀態(tài)）以及視頻監(jiān)控（通過專用攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控列車受電弓狀態(tài)，并將畫面實(shí)時(shí)傳輸給行車調(diào)度，再由行車調(diào)度確認(rèn)降弓動作是否完成）的方式進(jìn)行弓靴狀態(tài)的監(jiān)控，此2種方案增加人為溝通確認(rèn)環(huán)節(jié)，降低作業(yè)效率，且無法從根本上排除人為疏忽導(dǎo)致的隱患點(diǎn)。文章研究利用列車車載信號系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供位置信息的特性，將弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，為列車定位，即在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置增加出段時(shí)未降弓、回段時(shí)未降靴則列車牽引封鎖的方案，開展列車弓靴轉(zhuǎn)換由“人防”向“技防”轉(zhuǎn)變的無人監(jiān)控模式研究。

2 弓靴轉(zhuǎn)換控制方案設(shè)計(jì)

2.1 控制基本原理

基于信號和車輛聯(lián)控的列車弓靴轉(zhuǎn)換控制方案基本原理是在列車進(jìn)出車輛段時(shí)，車輛控制和管理系統(tǒng)（TCMS）實(shí)時(shí)監(jiān)控列車弓靴狀態(tài)，再結(jié)合信號系統(tǒng)發(fā)送的列車定位信息，對司機(jī)操作進(jìn)行預(yù)警提醒以及實(shí)施牽引封鎖的功能。

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

基于信號系統(tǒng)能將列車實(shí)時(shí)位置信息發(fā)送至TCMS系統(tǒng)的原理，采用信號定位+車輛軟件控制方式實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)控弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)，即在弓靴換點(diǎn)前A（暫定40 m）范圍內(nèi)觸發(fā)預(yù)警信息提醒司機(jī)降弓升靴;在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前B（暫定20 m）至弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)后C（暫定20 m）范圍內(nèi)未降弓則實(shí)施牽引封鎖，列車無法啟動。如圖1所示。

2.2.1 車載信號系統(tǒng)定位

廣州地鐵14號、21號線車載信號系統(tǒng)存儲了線路的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中包括線路的應(yīng)答器、軌道分區(qū)、道岔、線路狀態(tài)等信息。車載信號系統(tǒng)通過軸端速度傳感器獲取列車的運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、運(yùn)行距離信息，并在發(fā)生非預(yù)期移動（如空轉(zhuǎn)、滑行）時(shí)通過測速雷達(dá)進(jìn)行位移補(bǔ)償。當(dāng)列車經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)，列車車載信號系統(tǒng)會收到應(yīng)答器發(fā)送的包含識別編號（ID）的報(bào)文，結(jié)合信號系統(tǒng)軸端速度傳感器獲取的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行一系列運(yùn)算，從而確定列車的位置。列車每檢測到1個(gè)有效的應(yīng)答器報(bào)文就會進(jìn)行1次位置信息校準(zhǔn)，以此糾正軸端速度傳感器和測試?yán)走_(dá)長時(shí)間計(jì)算而產(chǎn)生的誤差，從而實(shí)現(xiàn)列車精準(zhǔn)定位。

2.2.2 車輛系統(tǒng)控制

廣州地鐵14號、21號線TCMS系統(tǒng)為車載分布式列車電子控制系統(tǒng)，是為軌道車輛的控制和通信而設(shè)計(jì)的一套車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它以列車整車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，廣泛地采用電子控制設(shè)備和串行數(shù)據(jù)通信代替繼電器、接觸器和直接硬連線，并且通過網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)子系統(tǒng)的控制設(shè)備（如牽引控制、摩擦制動控制等），執(zhí)行列車運(yùn)行數(shù)據(jù)信息采集、管理和列車控制的功能，綜合分析信息采集模塊的數(shù)據(jù)、司機(jī)操作指令等信號，按照預(yù)先錄制的程序進(jìn)行縝密運(yùn)算及邏輯處理，輸出列車各部件的操作控制指令，對列車整車、各子系統(tǒng)以及其他車載系統(tǒng)進(jìn)行集散控制。

文章提出的方案中TCMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下。

（1）當(dāng)列車進(jìn)入降弓提醒區(qū)域，若未降弓則在司機(jī)顯示屏進(jìn)行提醒“進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)注意降弓升靴出庫”并持續(xù)發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。

（2）當(dāng)列車進(jìn)入牽引封鎖區(qū)域停穩(wěn)，未降弓則在司機(jī)顯示屏進(jìn)行提醒“未降弓出庫導(dǎo)致列車牽引封鎖”， TCMS系統(tǒng)向牽引系統(tǒng)發(fā)送牽引封鎖命令，列車無法啟動。

具體控制邏輯如下。

（1）預(yù)警信息觸發(fā)原理。在同時(shí)滿足3個(gè)基本條件（即出段工況、列車位于預(yù)警觸發(fā)區(qū)域、受電弓模式為1）時(shí)，列車顯示屏?xí)M(jìn)行提醒“進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)注意降弓升靴出庫”。

（2）牽引封鎖觸發(fā)原理。為確保列車運(yùn)行安全，TCMS系統(tǒng)需對影響列車運(yùn)行的所有狀態(tài)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，一旦有實(shí)時(shí)狀態(tài)信號影響列車行車安全時(shí)，TCMS系統(tǒng)將封鎖列車牽引指令。在同時(shí)滿足4個(gè)基本條件（即列車零速、出段工況、列車位于牽引封鎖區(qū)域、受電弓模式為1）時(shí)，車輛控制屏?xí)M(jìn)行提醒“未降弓出庫導(dǎo)致列車牽引封鎖”。

3 弓靴轉(zhuǎn)換控制方案工程驗(yàn)證

3.1 軌旁設(shè)備分布及功能

廣州地鐵21號線鎮(zhèn)龍車輛段出入段線信號軌旁設(shè)備主要包括：軌旁無線單元或接入點(diǎn)（AP）、無線天線、計(jì)軸磁頭和檢測單元、信標(biāo)、道岔、信號機(jī)等設(shè)備，相關(guān)設(shè)備位置分布簡圖如圖2所示。

車載信號定位系統(tǒng)主要包括：查詢器、射頻模塊（RF）、天線、信標(biāo)等設(shè)備。前3個(gè)基本組件安裝在列車上，信標(biāo)單獨(dú)安裝在線路上的關(guān)鍵位置，決定列車的位置。RF模塊生成射頻信號，天線將信號傳播到外界。在列車運(yùn)行過程中，當(dāng)信標(biāo)接收到該射頻信號時(shí)，信標(biāo)將包含信標(biāo)唯一編碼信息的原始信號的變換形式反饋回天線，RF模塊解調(diào)該信號，并對其進(jìn)行預(yù)處理，然后將其傳送至查詢器，隨后查詢器處理該信息，并經(jīng)串行鏈路將其傳送至車載信號控制設(shè)備（VOBC），將編碼信息處理成車輛接收的偏移量（列車進(jìn)入某一個(gè)區(qū)段，車頭距離下一個(gè)區(qū)段起始位置的距離），供車輛系統(tǒng)識別列車位置信息。

3.2 降弓提醒及牽引封鎖點(diǎn)區(qū)域設(shè)置

根據(jù)廣州地鐵21號線項(xiàng)目車輛信號接口協(xié)議，VOBC將列車所在的區(qū)段信息以及偏移區(qū)段小里程的偏移距離信息發(fā)送給車輛。根據(jù)21號線信號設(shè)備平面圖，鎮(zhèn)龍車輛段21號線出段線弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)所在的區(qū)段編號為287，通過對該區(qū)段30列次（不同日期、不同車次）進(jìn)行弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣，列車弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)平均偏移量在136200±50cm范圍內(nèi)，采樣數(shù)據(jù)如圖3所示。確定弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)平均偏移量為136200cm（50cm忽略不計(jì)），設(shè)置降弓提醒區(qū)域?yàn)?38200～140200cm;牽引封鎖區(qū)域?yàn)?34200～138200cm。

3.3 TCMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降弓提醒及牽引封鎖功能

TCMS系統(tǒng)對列車位置（所在區(qū)段號及偏移量信息）以及受電弓狀態(tài)進(jìn)行采集，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算分析，增加車輛顯示屏預(yù)警顯示，多次進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果為：在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前40 m，車輛顯示屏顯示“進(jìn)入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)注意降弓升靴出庫”提示信息;分別測試在弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前20 m、弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)前10 m、弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處停下，列車產(chǎn)生牽引封鎖，車輛顯示屏彈出“未降弓出庫導(dǎo)致列車牽引封鎖”。如圖4所示。牽引封鎖和預(yù)警信息顯示均與設(shè)計(jì)要求一致。

3.4 運(yùn)用現(xiàn)狀

廣州地鐵14號、21號線共配屬63列車，每天出入段共進(jìn)行120余列次弓靴轉(zhuǎn)換，應(yīng)用近半年時(shí)間，共進(jìn)行20 000余列次弓靴轉(zhuǎn)換，現(xiàn)弓靴轉(zhuǎn)換無人監(jiān)控設(shè)計(jì)運(yùn)用情況良好，取代了以往的人工模式以及視頻監(jiān)控方式，提高了列車出入段效率及安全性。

4 結(jié)束語

基于信號和車輛系統(tǒng)聯(lián)控的弓靴轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)，在國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域?qū)儆谑状螒?yīng)用，并已在廣州地鐵14 號、21號線車輛段出入段線弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)處實(shí)際應(yīng)用近半年時(shí)間，能夠在預(yù)警區(qū)域范圍內(nèi)對列車司機(jī)進(jìn)行有效提醒，在牽引封鎖區(qū)域范圍內(nèi)對未降弓列車實(shí)施牽引封鎖，取代了傳統(tǒng)的人工模式以及視頻監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)從“人防”向“技防”方式的轉(zhuǎn)變，并優(yōu)化了人力資源配置，從根本上解決了弓靴轉(zhuǎn)換點(diǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為后續(xù)類似項(xiàng)目應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]魏瑞新. 廣州地鐵4號、5號線列車降弓視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介[J].中國新通信，2014（10）：112-113.

[3]萬連錄， 吳積欽， 韓峰. 受電弓-受流靴受流方式轉(zhuǎn)換的研究[J].都市快軌交通，2006（8）：87-89.

[4]陳微， 魏剛， 鐘敏富. MTC-I型CBTC系統(tǒng)列車定位及追蹤分析[J].地鐵科技，2017（2）：48-52.

[5]陳國清，鄭玄. 廣州軌道交通21號線車輛研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2016，39（6）：31-34.

[6]張海豐，陳恒謙，郭彥每.第三軌受流器研制[J].機(jī)車電傳動，2013（6）：46-47.

[7]羅斌. 廣州地鐵4號線列車雙制式受流方式分析[J]. 鐵道機(jī)車車輛工人，2011（5）：17-21.

[8]孫放心. 廣州地鐵4號線直線電機(jī)車輛集電靴系統(tǒng)分析[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32（1）：46-49.

[9]劉春花.基于城市軌道交通CBTC系統(tǒng)中通信延遲對列車追蹤間隔的影響分析與研究[J].數(shù)字通信世界，2019（1）：55-56.

[10] 白廣爭.城市軌道交通 CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通運(yùn)營測試平臺研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2019（4）：113-117.

[11] 金華.城市軌道交通全自動無人駕駛信號系統(tǒng)功能分析[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014（1）：61-64.

[12] 劉長遠(yuǎn)，劉霄，李紹博.列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全性研究[J].城市軌道交通研究，2013，16（4）：1-4.

[13] GB/T 28029.1-2011牽引電氣設(shè)備列車總線第1部分：列車通信網(wǎng)絡(luò)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[14] 趙強(qiáng)，常振臣，李礫工，等.國產(chǎn)化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)安全完整性等級評估與認(rèn)證[J].機(jī)車電傳動，2011（6）：1-5.

[15] 聶曉波.軌道車輛MVB 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能分析與優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2011（9）：40-44.

收稿日期 2020-01-13

責(zé)任編輯 司玉林

Design and research of pantograph shoe conversion control based on joint control of signal and vehicle system

Fang Xiangming

Abstract： The operation tracks of Guangzhou metro lines 4， 5， 6， 14 and 21 use the current collection mode of the third rail collector shoe， and the depots use both the current collection mode of the pantograph and overhead contact system. When arriving and departing the depots， it is necessary to lower or raise the pantograph shoe at the transitional point. The traditional Staff Governing monitoring method is manual monitoring and video monitoring. In this paper， signal positioning and vehicle control software for joint control are used to realize the transitional run of train bow shoe from Staff Governing to Technique Governing. The design and research results have been used in the transitional point of pantograph shoe in the arrival and departure section of Guangzhou metro lines 14 and 21. The design and research scheme optimizes the management of train arrival and departure， save human labor resources， and fundamentally eliminate the safety risks caused by the manual operation without following to the requirements of pantograph shoe shift.

Keywords： metro vehicles， pantograph shoe conversion， linkage monitoring

作者簡介：方向明（1986—），女，工程師