塔子獻(xiàn) 劉 通 尹硯峰 趙 冉

地鐵列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)檢測(cè)方法比較分析

塔子獻(xiàn) 劉 通 尹硯峰 趙 冉

摘 要：目前，國(guó)內(nèi)地鐵列車在車載信號(hào)系統(tǒng)控車模式下，列車到站停穩(wěn)后，信號(hào)系統(tǒng)輸出允許列車開門的門使能信號(hào)的必要前提條件之一是收到車輛反饋的列車保持制動(dòng)已施加信號(hào)。針對(duì)不同車輛采用的檢測(cè)保持制動(dòng)施加信號(hào)的器件不同、在運(yùn)營(yíng)中存在的差異進(jìn)行對(duì)比分析，提出合理建議，以提高列車運(yùn)營(yíng)的安全性，降低運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)率。

關(guān)鍵詞：列車制動(dòng)；保持制動(dòng)；門使能；壓力開關(guān)；壓力傳感器

塔子獻(xiàn)：北京地鐵車輛裝備有限公司，工程師，北京 100079

0　引言

列車的制動(dòng)系統(tǒng)與車載信號(hào)系統(tǒng)作為車輛兩大重要系統(tǒng)，其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性關(guān)系到列車的安全運(yùn)營(yíng)。作為SIL4級(jí)安全等級(jí)的車載信號(hào)系統(tǒng)，授權(quán)列車開門是該系統(tǒng)的安全功能。為確保乘客安全，信號(hào)系統(tǒng)控制列車開門指令必須在列車安全停穩(wěn)后方能被執(zhí)行，亦即車載信號(hào)系統(tǒng)輸出允許列車開門的門使能信號(hào)的必要條件是：確認(rèn)列車已安全停穩(wěn)且牽引已切除，制動(dòng)已施加。因此，需要車輛向車載信號(hào)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、有效的列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)。

目前，國(guó)內(nèi)地鐵車輛采集本車保持制動(dòng)施加壓力信號(hào)的器件通常有2種，即：壓力開關(guān)和壓力傳感器。具體采用哪種檢測(cè)器件則取決于該車輛的制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商。各條地鐵線路車輛制造商以及制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商不盡相同，車輛提供給信號(hào)系統(tǒng)的列車保持制動(dòng)已施加反饋信號(hào)的電路形式以及制動(dòng)系統(tǒng)采用的本車保持制動(dòng)施加信號(hào)的檢測(cè)器件也不盡相同。即便2條線路車輛的車載信號(hào)系統(tǒng)為同一個(gè)供應(yīng)商，信號(hào)與車輛接口基本一致，2條線路車輛的制動(dòng)系統(tǒng)分別采用了壓力開關(guān)和壓力傳感器2種不同的制動(dòng)壓力檢測(cè)器件，通過線路開通后2條線路車輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況反饋信息，可以發(fā)現(xiàn)2種不同的壓力檢測(cè)器件提供的保持制動(dòng)已施加信號(hào)對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確輸出門使能信號(hào)存在著明顯的差異。本文以北京地鐵房山線和北京地鐵9號(hào)線車輛為例，對(duì)2條線路列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)的檢測(cè)器件的差異展開對(duì)比分析，提出合理建議。

1　保持制動(dòng)功能描述

為避免列車在坡道上起動(dòng)時(shí)發(fā)生倒溜引發(fā)安全事故，地鐵列車的制動(dòng)系統(tǒng)除設(shè)有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)等常規(guī)制動(dòng)功能外，還具有保持制動(dòng)功能。列車停穩(wěn)后，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指令或自動(dòng)施加超員（AW3）載荷、線路最大坡道情況下能確保列車不發(fā)生溜滑的保持制動(dòng)力。當(dāng)列車起動(dòng)時(shí)，在司機(jī)控制器主手柄從制動(dòng)位推至牽引位時(shí)，列車仍具有一定大小的保持制動(dòng)力，以保證列車在起動(dòng)牽引力小于該力時(shí)能可靠靜止而不發(fā)生倒溜滑行；只有當(dāng)起動(dòng)牽引力大于保持制動(dòng)力或列車速度大于一定值后，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)出的保持制動(dòng)緩解指令，緩解保持制動(dòng)或自動(dòng)緩解保持制動(dòng)（注：僅在列車硬線控車的應(yīng)急牽引模式下，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)牽引/制動(dòng)硬線指令，結(jié)合列車速度自動(dòng)施加或緩解保持制動(dòng)）。一般保持制動(dòng)力的大小在設(shè)計(jì)之初設(shè)定為列車最大常用制動(dòng)力的70%，通過首列車的型式試驗(yàn)最終確定適合運(yùn)營(yíng)線路條件和車輛自身性能的制動(dòng)壓力值。在列車回送和救援時(shí)不具有保持制動(dòng)功能。

為保證乘客上、下車的安全，車載信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“ATC系統(tǒng)”）則要求列車在站臺(tái)?？亢?，保持列車的牽引處于禁止或無效狀態(tài)，同時(shí)保證列車處于可靠靜止情況下，方能允許列車進(jìn)行開門動(dòng)作。為此，ATC系統(tǒng)在停車時(shí)會(huì)首先向列車發(fā)出請(qǐng)求列車制動(dòng)施加（ZVRD）信號(hào)；同時(shí)需要列車在收到ZVRD信號(hào)后，根據(jù)車輛實(shí)際狀態(tài)反饋列車制動(dòng)已施加（ZVBA）信號(hào)；對(duì)于ATC系統(tǒng)而言，這是了解列車是否滿足授權(quán)乘客上、下車條件的唯一方法；只有在收到列車反饋的ZVBA信號(hào)后，ATC系統(tǒng)才會(huì)輸出允許列車開門的門使能信號(hào)，可以由ATC系統(tǒng)自動(dòng)或由人工打開列車車門。圖1為北京地鐵房山線和北京地鐵9號(hào)線列車在自動(dòng)開門模式下上述各指令信號(hào)時(shí)序圖。

ZVBA是ATC系統(tǒng)的一個(gè)安全輸入信號(hào)，因此，要求列車在站臺(tái)制動(dòng)停車后，只有當(dāng)列車編組中的每一輛車均可靠施加了保持制動(dòng)時(shí)方可反饋列車制動(dòng)已施加信號(hào)（ZVBA）；對(duì)于6輛編組的列車而言，ATC系統(tǒng)要求如果其中的1輛車因故障無法施加制動(dòng)，允許列車切除故障車制動(dòng)系統(tǒng)并旁路本車保持制動(dòng)已施加反饋信號(hào)觸點(diǎn)；但如果1個(gè)編組中出現(xiàn)2輛車制動(dòng)系統(tǒng)故障的情況，ATC系統(tǒng)將退出對(duì)列車的正常防護(hù)工作，降級(jí)為人工駕駛列車，以確保列車安全。

為滿足該信號(hào)接口功能的要求，車輛在設(shè)計(jì)時(shí)普遍采用將編組中各節(jié)車的保持制動(dòng)已施加反饋信號(hào)全部串聯(lián)（與邏輯）后，再驅(qū)動(dòng)列車保持制動(dòng)已施加繼電器，從而反饋滿足ATC系統(tǒng)接口功能需求的列車制動(dòng)已施加（ZVBA）信號(hào)。由于站停時(shí)間一定（一般為30 s），同時(shí)ATC系統(tǒng)控制著列車車門與站臺(tái)屏蔽門的聯(lián)動(dòng)，因此，對(duì)于同一編組列車中各節(jié)車的保持制動(dòng)已施加信號(hào)采集器件動(dòng)作的同步性要求相對(duì)較高。

北京地鐵房山線車輛的保持制動(dòng)已施加信號(hào)的采集器件為各車制動(dòng)控制單元（BCU）內(nèi)的壓力傳感器，北京地鐵9號(hào)線車輛該信號(hào)的采集器件是連接在各車制動(dòng)管路上的壓力開關(guān)。以下就這2條線路列車保持制動(dòng)已施加反饋信號(hào)的具體電路進(jìn)行介紹。

圖1　自動(dòng)開門模式下各指令信號(hào)時(shí)序

圖2　房山線列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)電路原理圖

2　電路原理

2.1北京地鐵房山線車輛電路

房山線的列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)通過圖2、圖3所示電路原理實(shí)現(xiàn)。

從圖2、圖3可以看出，在司機(jī)室激活狀態(tài)下，列車到站停穩(wěn)時(shí)，房山線列車是通過各車制動(dòng)控制單元（BCU）內(nèi)設(shè)置的壓力傳感器對(duì)本車制動(dòng)缸壓力進(jìn)行檢測(cè)，再通過制動(dòng)微機(jī)控制單元（EBCU）輸出本車保持制動(dòng)已施加信號(hào)驅(qū)動(dòng)本車保持制動(dòng)施加繼電器。當(dāng)各車保持制動(dòng)施加繼電器均得電動(dòng)作后，各車串聯(lián)的該繼電器常開觸點(diǎn)閉合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)于列車2輛頭車上的列車保持制動(dòng)已施加繼電器，ATC系統(tǒng)通過采集列車制動(dòng)已施加繼電器觸點(diǎn)的電平信號(hào)，確認(rèn)列車保持制動(dòng)已施加。

2.2北京地鐵9號(hào)線車輛電路

9號(hào)線列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)通過圖4所示電路原理實(shí)現(xiàn)。

從圖4可以看出，同樣是在司機(jī)室激活狀態(tài)下，列車到站停穩(wěn)時(shí)，9號(hào)線列車是通過設(shè)置在各車制動(dòng)風(fēng)管路上的壓力開關(guān)檢測(cè)本車保持制動(dòng)施加的制動(dòng)壓力值，當(dāng)管路內(nèi)壓力達(dá)到開關(guān)設(shè)定值時(shí)，壓力開關(guān)動(dòng)作，與其機(jī)械聯(lián)動(dòng)的電觸點(diǎn)閉合，各車壓力開關(guān)聯(lián)動(dòng)的電觸點(diǎn)串聯(lián)形成回路并驅(qū)動(dòng)并聯(lián)于列車2輛頭車上的列車保持制動(dòng)已施加繼電器，ATC系統(tǒng)則通過采集列車制動(dòng)已施加繼電器觸點(diǎn)的電平信號(hào)，確認(rèn)列車保持制動(dòng)已施加。

圖3　房山線本車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)電路原理圖

圖4　9號(hào)線列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)電路原理圖

表1　壓力開關(guān)和壓力傳感器特性對(duì)比

3　檢測(cè)器件比較

通過上述功能和原理的介紹可以看出，房山線列車和9號(hào)線列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)的檢測(cè)分別是由壓力傳感器和壓力開關(guān)這2種不同性能的檢測(cè)器件實(shí)現(xiàn)的。2種器件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理完全不同。

壓力傳感器是壓力-電信號(hào)轉(zhuǎn)換器件，其重要組成部分為敏感元件，通過傳感技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)壓力發(fā)生變化時(shí)，作用在傳感器的擴(kuò)散硅膜片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微信號(hào)傳導(dǎo)給傳感器內(nèi)部的擴(kuò)大電路，通過此擴(kuò)大電路最終生成一個(gè)模擬信號(hào)。該器件具有響應(yīng)速度快以及精確度、靈敏度高的特點(diǎn)。

壓力開關(guān)則是一種通過純機(jī)械形變導(dǎo)致微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作的機(jī)械-電信號(hào)轉(zhuǎn)換器件，它是由膜片、波紋管、活塞等不同的傳感壓力元器件組成。系統(tǒng)壓力的變化導(dǎo)致開關(guān)內(nèi)波紋管（或膜片、活塞）發(fā)生形變，再傳導(dǎo)給微動(dòng)開關(guān)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)（通常為一個(gè)較大的壓力范圍），微動(dòng)開關(guān)會(huì)發(fā)生機(jī)械跳動(dòng)，進(jìn)而改變所連電路的通或斷。

2種檢測(cè)器件各種特性的具體比較如表1所示。

2種器件的構(gòu)成、性能和工作原理的區(qū)別，決定了這2種器件在地鐵車輛上檢測(cè)列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果的不同，主要體現(xiàn)在各車保持制動(dòng)施加信號(hào)的輸出同步性存在一定的差異。

通過表1的特性對(duì)比可以看出，壓力傳感器具有精度高、響應(yīng)快、體積小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，其響應(yīng)速度和信號(hào)的穩(wěn)定性較壓力開關(guān)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于采用各車與邏輯實(shí)現(xiàn)列車保持制動(dòng)施加信號(hào)反饋的電路來說，壓力傳感器的應(yīng)用可以大大提高本車保持制動(dòng)施加信號(hào)輸出的及時(shí)性、可靠性和同步性，從而保證ATC系統(tǒng)可以及時(shí)可靠地接收反饋信號(hào)，準(zhǔn)時(shí)有效地輸出允許列車開門的門使能信號(hào)，滿足列車站停時(shí)間要求，對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛的準(zhǔn)點(diǎn)率提供了有力的技術(shù)保障。

壓力開關(guān)則因其自身的機(jī)械特性決定了器件動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，多個(gè)器件動(dòng)作輸出信號(hào)的同步性較差，對(duì)地鐵車輛向ATC系統(tǒng)輸出列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)的時(shí)間存在一定的影響，容易發(fā)生因列車保持制動(dòng)反饋信號(hào)接收延時(shí)或超時(shí)，而無法給出列車門使能，導(dǎo)致列車車門不能正常打開的現(xiàn)象，相比壓力傳感器在此電路中的應(yīng)用效果則稍顯遜色。

4　結(jié)束語

地鐵車輛的列車保持制動(dòng)施加反饋信號(hào)是ATC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全控車的重要輸入信號(hào)之一，通過上述的對(duì)比分析可以看出，壓力傳感器更適用于這一重要安全信號(hào)的檢測(cè)。因此，建議在地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)可以優(yōu)先考慮采用壓力傳感器檢測(cè)制動(dòng)壓力的設(shè)計(jì)方案，提高車輛與信號(hào)的接口質(zhì)量，保證車輛運(yùn)營(yíng)的準(zhǔn)點(diǎn)率。

壓力傳感器因其體積小，通常安裝于制動(dòng)控制單元（BCU）箱體內(nèi)部，相比安裝于車下制動(dòng)管路上的壓力開關(guān)來說，減少了車輛外部電氣連接，也就是減少了電氣故障點(diǎn)，同時(shí)，大大降低了車輛用戶的日常檢修維護(hù)的工作量。

參考文獻(xiàn)

[1] 幸繼松，方長(zhǎng)征，高殿柱，等．電力機(jī)車后備空氣制動(dòng)裝置的分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)[J]．電力機(jī)車與城市車輛，2012，35（2）：44-46.

責(zé)任編輯 冒一平

Comparative Analysis on Feedback Signal Detection Methods of Holding Brake of Metro Trains

Ta Zixian, Liu Tong, Yin Yanfeng, et al.

Abstract:At present in the on-board signal control system mode of the domestic metro train, the output from signal system generating the door enabling signal to allow opening doors is one of the necessary preconditions after train stops in station and feedback signal that the train has received holding brake. Aiming to the different holding brake signals applied for detection by different vehicles, making comparison and analysis on the difference in operation, the paper puts forward proper suggestions so as to improve the safety of train operation, and operation punctuality.

Keywords:train braking, holding brake, door enabling, pressure switch, pressure sensor

收稿日期2015-02-09

中圖分類號(hào)：U266.291∶U270.35