何丹爐，侯小強

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111)

市域鐵路在“四網融合”中處于城際鐵路和城市軌道交通之間，起“承上啟下”、駁接分流作用，服務范圍為50～100 km[1]，設計列車速度為100～160 km/h，滿足1 h通勤圈快速通達出行需求[2]。因此市域動車組最高運行速度高于城軌車輛，載客能力、牽引制動性能與城軌車輛相當，舒適度遠優(yōu)于城軌車輛[3]。市域動車組優(yōu)良的運行性能可有力地為城市中心城區(qū)連接周邊城鎮(zhèn)組團及其城鎮(zhèn)組團之間提供公交化、大運量、快速便捷的通勤服務[2]，并與高速動車組、城際動車組、城軌車輛等一道，構建了我國完整的鋼輪鋼軌車輛型譜，同時實現了市域動車組不同速度等級、不同編組形式的系列化、譜系化，有效促進“四網融合”。

本文在分析城際動車組、城軌車輛運營特點和控制特點的基礎上，提出AC 25 kV供電的市域A、B、C、D型市域動車組[2](以下簡稱“市域動車組”)的控制策略，為系統設計提供頂層技術支撐。

1 運營工況分析

市域動車組的高速段(120～160 km/h，近期也有200 km/h的速度等級需求)與城際動車組的中低速段重合；市域動車組的低速段(100～120 km/h)與城軌車輛的高速段重合，頻繁啟停、大載客量與潮汐客流、救援要求等與城軌車輛相同。因此市域動車組設計需綜合上述特殊需求進行對比分析、統籌設計。

1.1 供電制式及系統配置

市域鐵路線路較長(50～100 km)、最高運行速度達140～160 km/h(甚至達200 km/h)，此時市域動車組需采用AC 25 kV接觸網供電[2]，地面線路、高架橋、車輛段宜采用柔性接觸網，隧道內可采用剛性接觸網(也有部分采用柔性接觸網)，因此受電弓選型需同時滿足柔性、剛性、高低速受流等不同工況要求。

AC 25 kV供電市域動車組需配置受電弓、真空斷路器、避雷器、接地保護開關及牽引變壓器、牽引變流器，動拖比宜采用1∶1、2∶1或3∶1[2]。2∶1或3∶1的動拖比適用于行車密度大、跟蹤時間短的運營線路，此時市域動車組具有與城軌車輛同樣的加減速性能[1]。

1.2 負載補償

市域鐵路以服務通勤客流為主，因此市域動車組不但載客量大、載重大，而且客流呈現潮汐式特征，載荷變化率大，因此牽引系統、制動系統應能根據載荷工況自動調節(jié)性能，滿足不同載客量下的加減速要求。

1.3 頻繁啟停與精準停車

針對市域鐵路站點較多、站間距多樣(平均站間距3 km左右，長的達6～10 km)以及站臺設置屏蔽門等情況，市域動車組既要頻繁啟停，又要實現精準停車。

1.4 應急處理

城際動車組具有運行速度高、站間距較大、運行時間長、車站容量大且人員流動性較小、AC 25 kV供電故障后安全隱患大等特點，途中故障處置原則是就地排查，避免故障擴大化，因此配有專門的機械師，通過人工復位、切除、下車檢查、滾動試驗等手段確保后續(xù)運行安全可靠，對線路積壓的敏感度相對較低。

城軌車輛具有運行速度低、運行距離短、發(fā)車密度大、車站容量小且人員流動大、DC 1 500 V供電安全系數較高等特點，采用單司機值乘且不能隨便離開司機室，途中發(fā)生重大故障的處置原則是列車盡快行駛到下一站清客，避免因線路停運而導致旅客積壓車站。

市域動車組運營模式與城軌車輛一致，包括單司機值乘、公交化運營，但市域動車組運行速度高，發(fā)車密度偏小，運行距離長；高壓系統配置則與城際動車組相同，包括AC 25 kV高壓供電、安全防護措施等。因此，市域動車組的應急處理需滿足2個條件：一是確保故障發(fā)生后能夠可靠切除；二是避免單點故障影響運營秩序。同時需進一步提高智能化水平，通過自復位、趨勢預測預判等保證行車安全，減少人工參與，提高效率，盡量避免影響行車秩序。

2 關鍵系統控制策略

2.1 高壓系統控制

高壓系統控制的基本原則是確保列車AC 25 kV供電安全，并具備故障運行能力。

2.1.1 系統配置

受電弓、真空斷路器、接地保護開關等實施冗余設計(圖1)，這樣如果一條高壓回路上的高壓設備發(fā)生故障，則可以可靠隔離該回路，同時立即啟用另一條供電回路；如果是高壓電纜組件發(fā)生局部故障，則可通過高壓隔離開關及時切除該段線路，保證另一段高壓電纜組件正常輸送AC 25 kV電能，滿足故障運行需要。

2.1.2 故障定位

高壓系統需重點關注接地、短路等導致的過流隱患故障，通過圖1中的電流互感器CT3實時監(jiān)測，實現車頂高壓貫穿母線及電纜終端的故障精準定位，有效避免因高壓系統的單點故障導致全列喪失牽引。

圖1 市域動車組高壓系統拓撲圖

2.2 牽引系統控制

牽引系統控制的基本原則是確保牽引指令及牽引能力按照設定模式可靠實施。

2.2.1 指令冗余

牽引系統相關控制指令包括使能、方向、指令、級位，通過軟硬件同時發(fā)送給牽引變流器。其中，使能、方向信號涉及行車安全，在一個交路的全過程一直有效，因此采用硬線信號控車、軟件校驗報警為宜；指令、級位信號主要目的是調整車速，需根據行車需求頻繁切換，因此可執(zhí)行軟件指令。

2.2.2 牽引封鎖及旁路

在列車運行中發(fā)生異常情況時，應立刻封鎖牽引，以防擦輪、冒進等現象發(fā)生。異常情況主要包括：制動指令有效，單車制動未緩解；超速；門狀態(tài)信號丟失；緊急制動等。需特殊說明的是：考慮到隧道內停車不利于疏散旅客且易引發(fā)恐慌，可結合運營需求適當修改控制策略，例如：“門關閉且鎖閉”信號丟失時，可通過手動或自動降速等措施來降低其危害程度。

旁路的目的是：在發(fā)生某種影響列車運營的故障時(如車門故障、司機警惕裝置故障等)，在保證安全的前提下，通過旁路操作，使列車可以轉為降級模式繼續(xù)運行，或運行至下一站清客。旁路設計不僅應使旁路控制精準有效，還要避免誤操作導致的控制功能喪失、丟失，因此嚴禁隨意旁路，以防導致牽引回路失控。故允許旁路的條件必須清晰、精準，符合場景工況?？紤]到市域動車組沒有配置隨車機械師，司機室允許旁路的條件僅2個：一是指令旁路，僅限于門狀態(tài)信號丟失；二是狀態(tài)旁路，僅限于制動不緩解。在第一條情形下為防止人員跌落，需人工隔離故障門，或者通過視頻等方式查看車門關閉狀態(tài)；在第二條情形下，為避免抱閘行車，要求司機持續(xù)按壓強迫緩解按鈕，或者人工隔離故障車廂截斷塞門。

2.2.3 故障運行和救援能力

市域鐵路站點多、站間距差異大、線路條件不一，對應要求市域動車組啟動頻繁、加速能力強，因此牽引電動機除啟停頻繁、大啟動轉矩外，還應具有長時間運行能力，以及極端工況下短時過載能力和救援能力。

列車在超員載荷工況下的故障運行和救援能力為：(1)當列車損失1/4動力時，能在正線最大坡道上啟動并運行至線路終點站；(2)當列車損失1/2動力時，應能在正線最大坡道上啟動并運行至最近車站；(3)一列空載列車能在正線最大坡道上牽引另一列相同編組、超員載荷的無動力列車運行至下一車站。

綜合考慮速度等級和安裝空間等因素，目前速度等級小于160 km/h的市域動車組多用自通風型牽引電動機，但該型電動機面臨尺寸加大和功率提升受限、安裝困難等不利因素，因此應大力推進永磁同步牽引電動機在市域動車組上的應用。

2.3 制動系統控制

制動系統控制的基本原則是確保制動指令可靠下發(fā)及執(zhí)行，實施故障導向安全設計，允許有條件強制旁路，以便列車能夠在特定條件下維持運行。

2.3.1 指令冗余

制動系統相關控制包括緊急制動、快速制動、常用制動、制動指令及制動級位等。其中，緊急制動安全等級最高，必須由硬線指令直接驅動緊急制動電磁閥，不能通過軟件控制；快速制動可由硬線指令驅動制動控制系統；常用制動指令及制動級位以軟件指令優(yōu)先，這是因為常用制動的施加頻次遠高于緊急制動和快速制動，而且主要用于調速。

與城軌車輛相比，市域動車組運行速度較高、制動距離較長，為了防止檔位切換過程中出現盲區(qū)，所有制動指令宜遵循向下兼容原則，即高級別指令有效時，應同時觸發(fā)低級別的所有制動指令，且制動系統自動執(zhí)行高級別指令。為避免硬件電路異常導致指令失效，宜采取互斥原則，即緊急制動、常用制動指令為失電觸發(fā)，快速制動指令為得電觸發(fā)；當常用制動指令有效但制動級位無效時，應執(zhí)行100%常用制動。另外，當檢測到單車制動不緩解時，為避免擦輪，此時應觸發(fā)全列制動確保列車停車。

2.3.2 旁路條件

制動旁路是在制動系統無法緩解空氣制動壓力情況下的臨時措施。電路上除停放、緊急制動外，不允許提供旁路功能。停放旁路是指單車停放功能失效時，采取人工隔離措施后單車操作隔離開關；緊急旁路是指短時間內無法排查故障原因而強制建立緊急制動環(huán)路以便繼續(xù)運行。需特殊強調的是：在任何情況下，緊急制動按鈕都不允許被旁路，ATP緊急制動指令只能通過ATP隔離開關旁路。

2.3.3 觸發(fā)緊急制動的條件

為兼顧安全和運營秩序，緊急制動環(huán)路采取分級管理，分為禁止自動緩解、允許自動緩解兩類條件。禁止自動緩解的條件為：列車發(fā)生了重大故障，需要人工排查及確認，例如停放制動異常施加、緊急制動和警惕裝置觸發(fā)等。此類條件一旦觸發(fā)，除了必須停車外，還要求必須人工復位才允許緩解。允許自動緩解的條件主要包括總風壓力短時降低、方向手柄零位、ATP緊急制動指令等，此類條件一旦恢復即允許緊急制動環(huán)路自動建立。

2.4 車門系統控制

車門系統控制的基本原則是確保任何情況下客室側門都能按指令可靠打開、關閉。

2.4.1 指令冗余

車門系統相關控制指令主要包括零速防護、開門使能、打開指令、關閉指令、門壓緊等。為確保指令傳輸的可靠性及安全性，采用貫穿指令線驅動所有門控器，此時門控器執(zhí)行硬線指令，軟件指令僅用于校驗及報警提示。另外，貫穿指令線的驅動信號應考慮冗余驅動，避免單點故障導致指令失效；布線路徑應重點考慮火災防護性能，確保極端工況下指令仍能有效傳輸。

2.4.2 安全防護及應急疏散

對于車門系統而言，列車運行時可靠關閉、列車靜止時允許打開是必須滿足的2個基本要求。無論是電氣元件、電路控制，還是機械機構，都需要考慮開門、關門2個方向的失效模式。關門控制應通過冗余設計來確保安全防護要求，例如零速時車門自動關閉(并維持一定的保持力避免被推開)、速度高于10 km/h時自動壓緊，即使其中一個功能失效也能確保車門關閉。開門控制一是需要設置冗余電路確保指令可靠下發(fā)(例如多路斷路器供電、兩路速度信號并聯驅動指令線等)，二是應預設簡單易行的手動操作措施(例如設置緊急解鎖手柄、門控器斷電即可撤銷壓緊等)，確保應急疏散時能夠快速打開車門。

2.5 狀態(tài)監(jiān)測及應急牽引功能

市域動車組運營途中不允許因為排查故障而長時間停車。為降低人工依賴度，提升故障處理水平，提高運行安全性能，今后走行部及關鍵系統/設備應通過實時狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、專家智庫等智能化手段對列車的健康狀態(tài)進行預判，增強列車的可用性和安全性。

2.5.1 故障智能定位及自動處置

實時監(jiān)測各電氣回路狀態(tài)，提供故障發(fā)生位置。然后通過TCMS遠程控制功能對不同的故障采取復位、隔離、切除等相應措施，避免故障擴大化。

2.5.2 狀態(tài)預判、提前整修

采集各電氣回路、電氣設備的實時數據，通過優(yōu)化算法、趨勢判斷等方式逐步完善電氣系統模型，一旦發(fā)現數據異常，立即采取對應措施，減少因行車故障造成的影響。

2.5.3 應急牽引

列車的硬件配置須保證單點故障不會導致列車無法運行，但針對網絡風暴等極端工況，應分級管理。第一，針對網絡、牽引、制動等關鍵系統/設備設置遠程斷電復位功能，通過重啟設備的方式最大限度消除軟件故障；第二，設置備用指令硬線及限速要求，并由各子系統完善自身故障保護機制，從而保障列車安全可靠運行至下一站。

3 結論及展望

本文提出的市域動車組控制策略將有力地保障市域動車組運行安全，有效提高運用效率，與此同時，下一步應大力推進永磁牽引、碳化硅變流器等技術在市域動車組上的研究應用，以期綠色智能型下一代市域動車組早日投入運用。