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(wǎng)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(shè)備維護保養(yǎng)[2];車輛基地采用架空接觸網(wǎng)供電,確保車輛維保作業(yè)高安全性,并提升收發(fā)車效率[3]。在車輛基地出入段線處,同時敷設(shè)接觸網(wǎng)和第三軌,作為兩種供電制式的切換過渡區(qū)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(wǎng)和第三軌供電制式的優(yōu)點,但由于新增了弓靴轉(zhuǎn)換流程,必須確保列車在弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)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(qū)等問題[5]。

傳統(tǒng)的解決方案為列車司機、車廠調(diào)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(zhuǎn)換的“技防”方案,可實現(xiàn)智能提醒、自動觸發(fā)、一鍵自動切換、安全防錯等功能,已應(yīng)用在深圳地鐵6號線列車上,并取得了顯著成效。

1 弓靴轉(zhuǎn)換工作原理和人工操作方法

深圳地鐵6號線列車初始設(shè)計方案僅具備人工弓靴轉(zhuǎn)換功能,雙受流模式與列車控制系統(tǒng)相結(jié)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(tǒng)(TCMS)和無觸點邏輯控制單元(LCU)進行邏輯控制,由高壓模式轉(zhuǎn)化開關(guān)(HVS)執(zhí)行控制命令,從而實現(xiàn)弓靴轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為集電靴取電。首先,列車駛?cè)胲囕v基地與正線銜接處的弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,停妥后手動關(guān)閉所有負(fù)載,包括空調(diào)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(rèn)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(zhuǎn)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(fù)載設(shè)備,則完成了一次人工手動“弓—靴”轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換操作,列車由集電靴模式轉(zhuǎn)換到受電弓模式。

兩種模式轉(zhuǎn)換過程中,均由司機對各步驟進行操作,由車廠調(diào)度通過軌旁監(jiān)控攝像頭對轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換風(fēng)險分析

通過JSA風(fēng)險分析方法,從人為因素、設(shè)備因素分析弓靴轉(zhuǎn)換每一步驟,梳理得出人工手動弓靴轉(zhuǎn)換功能上主要存在以下四大風(fēng)險:

(1) 轉(zhuǎn)換前,模式按鈕未復(fù)位,存在轉(zhuǎn)換失敗風(fēng)險;

(2) 轉(zhuǎn)換時,未關(guān)閉負(fù)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(fēng)險;

(3) 出庫時,未完成“弓—靴”轉(zhuǎn)換,列車升弓進入正線區(qū)域,存在列車侵限導(dǎo)致刮弓事故風(fēng)險;

(4) 入庫時,未進行“靴—弓”轉(zhuǎn)換,列車駛?cè)霟o電區(qū),存在失電風(fēng)險。

3 自動弓靴轉(zhuǎn)換技術(shù)方案

為消除人工手動弓靴轉(zhuǎn)換方案的風(fēng)險,實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計需求,應(yīng)從控制層面進行優(yōu)化,需包含以下6項自動化功能:

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

(2) 司機一鍵確認(rèn)轉(zhuǎn)換,自動切斷全車中壓負(fù)載,關(guān)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(fù)載,完成自動弓靴轉(zhuǎn)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(xiàn)上述功能的核心條件,一是列車需具備方位識別能力,即準(zhǔn)確識別列車是否處于弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域以及運行方向是出庫還是入庫;二是列車需實現(xiàn)對相關(guān)控制步驟的自動觸發(fā)、運行、結(jié)果確認(rèn)等鏈?zhǔn)竭壿嬁刂乒δ?。本文提出了充分運用深圳地鐵6號線列車防沖撞系統(tǒng)的地面信標(biāo)識別功能和TCMS、LCU系統(tǒng)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(zhuǎn)換區(qū)域敷設(shè)地面信標(biāo)

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

圖2 弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域地面信標(biāo)安裝示意圖(以出庫為例)

3.2 優(yōu)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(yōu)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(tǒng),由TCMS系統(tǒng)直接控制按鈕、指令等信號,實現(xiàn)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(xiàn)受電弓的升降。自動升降弓則是在上述條件中增加弓靴轉(zhuǎn)換位置信息作為特定區(qū)域的判定,從而自動觸發(fā)升弓按鈕或降弓按鈕信號,實現(xiàn)受電弓的自動升降(圖3)。

圖3 受電弓轉(zhuǎn)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(xiàn)集電靴的升降。自動升降靴則是在上述條件中增加弓靴轉(zhuǎn)換位置信息作為特定區(qū)域的判定,從而自動觸發(fā)升靴按鈕或降靴按鈕信號,實現(xiàn)集電靴的自動升降(圖4)。

圖4 集電靴轉(zhuǎn)受電弓控制邏輯示意圖

3.3 優(yōu)化列車軟件控制邏輯

分析自動弓靴轉(zhuǎn)換電路,對列車TCMS系統(tǒng)功能進行優(yōu)化。

3.3.1 出/入庫判斷

當(dāng)列車進入弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,越過地面信標(biāo)1或信標(biāo)3時,TCMS系統(tǒng)獲得信標(biāo)信號,根據(jù)信標(biāo)代碼判斷為出庫或入庫狀態(tài)。

3.3.2 語音及司機顯示屏提示

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

3.3.3 不帶載轉(zhuǎn)換控制

(1) 自動弓靴轉(zhuǎn)換模式觸發(fā)后,列車通信控制系統(tǒng)發(fā)出全車負(fù)載切除指令,負(fù)載完全切除后,才可以發(fā)出降弓或降靴指令。

(2) 轉(zhuǎn)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(fù)載,完成自上電過程。

以上強制順序可避免因帶載轉(zhuǎn)換導(dǎo)致拉弧接地故障發(fā)生。

3.3.4 強制降弓控制

當(dāng)列車獲取信標(biāo)順序為“1→2→3”且列車越過信標(biāo)3時,即列車出庫過程中已越過弓靴轉(zhuǎn)換區(qū)域,但列車受電弓未降下,則TCMS系統(tǒng)強制發(fā)出降弓指令,確保受電弓降下,避免升弓出庫導(dǎo)致設(shè)備侵限。

4 結(jié)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(tǒng)列車增加了弓靴轉(zhuǎn)換安全風(fēng)險。通過優(yōu)化電路及控制邏輯,目前已實現(xiàn)了基于地鐵列車方位信息的自動弓靴轉(zhuǎn)換功能的應(yīng)用。該技術(shù)既避免了帶載轉(zhuǎn)換導(dǎo)致接地短路的風(fēng)險,又規(guī)避了升弓出庫導(dǎo)致異物刮擦侵限的風(fēng)險,同時還解決了手動轉(zhuǎn)換效率低的問題,可為后續(xù)雙制式供電軌道交通車輛的設(shè)計提供參考。