肖曉 彭敏

摘要：城軌列車(chē)在試車(chē)線上的調(diào)試安全目前仍然通過(guò)司機(jī)操作規(guī)范性來(lái)保證，在接近線路末端，若發(fā)生司機(jī)注意力不集中的情況，列車(chē)可能來(lái)不及減速停車(chē)并沖撞車(chē)檔，甚至沖出軌道，造成嚴(yán)重的人員和設(shè)備損害。基于此，本文提出了一種自動(dòng)化的防護(hù)方案，避免該危害的產(chǎn)生。方案詳細(xì)闡述了防護(hù)方案的原理，并對(duì)防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，和防護(hù)系統(tǒng)在車(chē)輛上的應(yīng)用方法進(jìn)行了詳細(xì)描述。

關(guān)鍵詞：城軌列車(chē);試車(chē)線;防護(hù)

0? 引言

城市軌道交通系統(tǒng)目前已經(jīng)成為人民出行最重要的交通方式之一。城軌列車(chē)在制造完畢或架大修完畢后，開(kāi)始正線載客運(yùn)營(yíng)之前，均要在試車(chē)線上進(jìn)行多次動(dòng)態(tài)調(diào)試。但是，在試車(chē)線調(diào)試時(shí)，信號(hào)的ATP防護(hù)系統(tǒng)處于未開(kāi)啟狀態(tài)，且試車(chē)線的長(zhǎng)度較短（一般不超過(guò)3km），所以一旦司機(jī)沒(méi)有集中精力駕駛，則列車(chē)很可能發(fā)生行駛到線路終點(diǎn)前沒(méi)有及時(shí)減速停車(chē)，并發(fā)生沖撞線路末端車(chē)擋的事故。甚至，列車(chē)有可能沖壞車(chē)擋，沖出試車(chē)線軌道，造車(chē)列車(chē)脫軌，并導(dǎo)致設(shè)備損害或人員受傷等情況。因此，有必要對(duì)試車(chē)線上列車(chē)運(yùn)行安全開(kāi)展研究，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上確保列車(chē)在試車(chē)線上調(diào)試的安全。

1? 系統(tǒng)方案研究

鑒于傳統(tǒng)列車(chē)在試車(chē)線上調(diào)試存在的安全隱患，本文特提出一種主動(dòng)式的線路末端防護(hù)系統(tǒng)方案，通過(guò)對(duì)列車(chē)前端與線路末端的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警以及緊急制動(dòng)指令輸出，從根本上避免列車(chē)與車(chē)擋的碰撞，從而避免后續(xù)設(shè)備損害或人員傷亡問(wèn)題的發(fā)生。

系統(tǒng)由一套專(zhuān)用的試車(chē)線防護(hù)裝置，和相應(yīng)的接口電路構(gòu)成，從功能上區(qū)分，主要包含測(cè)距系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其測(cè)距系統(tǒng)主要包含一臺(tái)便攜式的測(cè)距主機(jī)、一個(gè)測(cè)距雷達(dá)和一個(gè)便于固定的應(yīng)答器構(gòu)成，如圖1所示。

其中，便攜式測(cè)距主機(jī)放置于列車(chē)上，測(cè)距雷達(dá)放置于列車(chē)前端，使其雷達(dá)波發(fā)射方向面向列車(chē)前端即可，且雷達(dá)不易隨著車(chē)輛的運(yùn)行發(fā)生晃動(dòng)即可。應(yīng)答器安裝于試車(chē)線的末端，車(chē)擋前方的位置。

1.1 測(cè)距原理

防護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量列車(chē)距離車(chē)擋的距離，具體步驟如下：

第一步：列車(chē)行進(jìn)端司機(jī)室內(nèi)測(cè)距雷達(dá)向前發(fā)送主動(dòng)測(cè)距信號(hào)。

第二步：試車(chē)線軌道末端的應(yīng)答器設(shè)備收到主動(dòng)測(cè)距信號(hào)后，則向來(lái)車(chē)的測(cè)距雷達(dá)發(fā)送被動(dòng)應(yīng)答信號(hào)。

第三步：測(cè)距雷達(dá)接收應(yīng)答器發(fā)射的被動(dòng)應(yīng)答信號(hào)，并進(jìn)行距離解算。

最終，列車(chē)車(chē)頭到軌道末端的距離：

實(shí)際運(yùn)用時(shí)，由于一個(gè)車(chē)場(chǎng)可能存在多條并列試車(chē)線的情況下，為了避免兩條試車(chē)線上的防護(hù)設(shè)備產(chǎn)生干擾，測(cè)距雷達(dá)和應(yīng)答器發(fā)出的射頻信號(hào)內(nèi)包含設(shè)備識(shí)別信息。應(yīng)答器和雷達(dá)對(duì)該信息進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)，僅對(duì)處于同一試車(chē)線內(nèi)配對(duì)的設(shè)備發(fā)來(lái)的信號(hào)才進(jìn)行應(yīng)答，從而避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的反饋信息。

1.2 停車(chē)距離計(jì)算原理

防護(hù)系統(tǒng)實(shí)施計(jì)算列車(chē)的制動(dòng)距離，具體方法如下：

式中，n表示將列車(chē)制動(dòng)特性曲線均等分的份數(shù)，vi表示該段曲線起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的列車(chē)速度，vi-1表示該段曲線終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的列車(chē)速度。

1.3 防護(hù)控制方法

防護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)比較列車(chē)到終點(diǎn)距離L，和列車(chē)的停車(chē)距離Slimit，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行防護(hù)控制。防護(hù)控制可采用兩級(jí)方式，一級(jí)為聲光報(bào)警，二級(jí)為緊急制動(dòng)指令輸出。具體邏輯如下：

式中：

La指考慮防護(hù)系統(tǒng)本身響應(yīng)時(shí)間段內(nèi)列車(chē)的前進(jìn)距離，具體值在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行整定;

Lb指緊急制動(dòng)停車(chē)后列車(chē)距離車(chē)檔的預(yù)留距離，該值主要是考慮列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)施加制動(dòng)力存在一定偏差而設(shè)定的安全裕量，典型偏差為3%，防護(hù)系統(tǒng)在計(jì)算列車(chē)停車(chē)距離時(shí)需考慮該偏差;

Lc指系統(tǒng)設(shè)定的聲光報(bào)警時(shí)間段內(nèi)列車(chē)前進(jìn)的距離，該時(shí)間段可設(shè)定為5s，具體可以通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)整。

2? 設(shè)備方案研究

根據(jù)前文所述，對(duì)滿(mǎn)足該防護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)備方案進(jìn)行規(guī)劃如下：

2.1 測(cè)距主機(jī)

測(cè)距主機(jī)除了進(jìn)行實(shí)施距離計(jì)算、比較外，還需要能夠提供聲光報(bào)警信號(hào)，提供緊急制動(dòng)輸出信號(hào)，并由列車(chē)的方便插座提供的AC220V控制電源供電?；诖诵枨螅瑢?duì)主機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃如圖2。

機(jī)箱內(nèi)主要包含如下模塊：測(cè)距模塊、主控模塊MCU、電源模塊、聲光報(bào)警模塊等，其中，電源模塊用于將AC220V轉(zhuǎn)換為內(nèi)部各部件所需的控制電源，主控模塊主要用于進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、聲光模塊控制、緊急制動(dòng)控制等，測(cè)距模塊用于處理測(cè)距雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)。

緊急制動(dòng)輸出被設(shè)計(jì)為干接點(diǎn)輸出，以跟系統(tǒng)進(jìn)行隔離后接入列車(chē)緊急制動(dòng)環(huán)路，確保安全。

2.2 測(cè)距雷達(dá)和應(yīng)答器

測(cè)距雷達(dá)和應(yīng)答器均選擇2.4G射頻RF雷達(dá)，以避免接近列車(chē)其他車(chē)載子系統(tǒng)工作頻段而產(chǎn)生干擾。

2.3 緊急制動(dòng)控制方法

測(cè)距主機(jī)內(nèi)部包含一個(gè)“緊急制動(dòng)”繼電器，該繼電器受MCU控制器直接輸出控制。在防護(hù)系統(tǒng)被啟用時(shí)，“緊急制動(dòng)”繼電器的觸點(diǎn)將被接入列車(chē)的緊急制動(dòng)環(huán)路。如圖3所示，一旦測(cè)距主機(jī)發(fā)出緊急制動(dòng)指令，將使得主機(jī)內(nèi)的“緊急制動(dòng)”繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而使得“列車(chē)緊急制動(dòng)”繼電器失電，一旦該失電，會(huì)導(dǎo)致列車(chē)產(chǎn)生緊急制動(dòng)并停車(chē)。

相應(yīng)的，車(chē)輛的緊急制動(dòng)回路在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮預(yù)留一對(duì)靠近的端子，防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)該端子接入回路。在防護(hù)系統(tǒng)未接入時(shí)，采用短接片進(jìn)行短接。如圖4所示。

2.4 設(shè)備方案小結(jié)

本方案中，防護(hù)系統(tǒng)相關(guān)部件被設(shè)計(jì)為便攜和便于安裝的，可以適用于不同線路不同車(chē)輛，僅在試車(chē)線調(diào)試時(shí)才加裝和使用，一旦調(diào)試完畢可以拆下和存放。防護(hù)系統(tǒng)不作為車(chē)輛的固定配件進(jìn)行安裝，一條試車(chē)線僅配置有限的1到2臺(tái)，不會(huì)額外增加車(chē)輛的采購(gòu)成本，也不會(huì)因?yàn)樽鳛殚L(zhǎng)期配件，額外增加車(chē)輛的故障點(diǎn)。且系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)的距離計(jì)算方法，根據(jù)車(chē)速和減速度不同，實(shí)時(shí)更新距離閾值，不會(huì)縮短試車(chē)線的可使用區(qū)段，可確保試車(chē)線的使用效率。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文基于城軌列車(chē)試車(chē)線的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了針對(duì)性的防護(hù)系統(tǒng)方案，并對(duì)其原理，涉及到的硬件和系統(tǒng)應(yīng)用方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目具有參考意義。特別是在現(xiàn)階段乃至未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間范圍內(nèi)，城市軌道交通線路日益增長(zhǎng)的情況下，解決其應(yīng)用過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)也具有現(xiàn)實(shí)意義和需求。本方案還對(duì)提高動(dòng)車(chē)、機(jī)車(chē)試車(chē)線防護(hù)安全有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王寧.南京地鐵4號(hào)線車(chē)輛段試車(chē)線方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（6）.

[2]葉云龍.工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（1）.

[3]張雄，李劍虹.論地鐵車(chē)輛段試車(chē)線的功能即設(shè)計(jì)要求[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（6）.

[4]鄭策.列車(chē)防撞輔助預(yù)警系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[5]周巧蓮.城市軌道交通列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)方案研究[J].城市軌道交通研究，2014（1）.

[6]馬艷彬.地鐵列車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[7]莫磊.計(jì)數(shù)型位屏蔽射頻識(shí)別防碰撞算法設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2010（9）.

[8]薄海青.地鐵車(chē)輛段試車(chē)線長(zhǎng)度精確計(jì)算[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012（12）.

[9]滕一陛.上海地鐵11號(hào)線高速試車(chē)方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010（3）.