CBTC在跨座式单轨交通系统制式中的应用

2013-06-19徐鼎

都市快轨交通 2013年3期

徐鼎

(北京城建设计研究总院有限责任公司北京 100055)

1 跨座式单轨交通系统概述

重庆轨道交通3号线(以下简称“3号线”)采用跨座式单轨交通制式，该单轨系统起源于日本，在国内首次应用于重庆轨道交通2号线(以下简称“2号线”)。日本国内及日本之外的单轨线路(包括重庆2号线)信号系统均采用基于TD(train detect)环线的列车控制系统，而重庆3号线信号系统采用了目前在钢轮钢轨制式中广泛采用的基于通信的列车控制系统(CBTC)。

跨座式单轨交通系统，以高强度混凝土梁作为车辆运行的轨道，采用跨座式单轨车辆，车辆的走行轮、导向轮和稳定轮均采用充气橡胶轮胎;单轨交通制式占地面积少、爬坡能力强、转弯半径小，非常适合山城山高坡陡、弯多路窄的地形条件;由于取消了传统的钢轨和钢轮，大大减小了车轮与钢轨间的噪声，改善了城市公共环境和居住条件。

2 CBTC在单轨交通制式中的应用

CBTC在单轨交通制式中的应用原理与钢轮钢轨的控制原理完全一致，功能需求也基本相同。但单轨交通制式与钢轮钢轨制式的车辆及轨旁环境完全不同，大多数在钢轮钢轨制式中广泛应用的信号设备在单轨制式中都不能直接应用，或者根本不能应用，比如轨道电路。因此，CBTC在单轨应用中主要面对的是车载、轨旁设备选型及安装等工程应用方面的问题。以下从几个方面进行分析，包括轨旁设备综合安装平台、计轴设备在单轨制式中的应用、应答器在单轨制式中的应用、单轨车辆测速装置的选择、防止车辆误出发功能的实现。

2.1 轨旁设备综合安装平台

CBTC在轨旁有计轴、应答器、信号机、AP天线等设备，图1为重庆轨道交通2号线高架线路状况。

图1 重庆轨道交通2号线

2号线信号机安装平台是一个预先浇注并与盖梁为一体的混凝土平台，虽然牢固但需预先浇注，这要求在土建施工阶段就必须确定轨旁设备的位置。由于AP天线、应答器必须在轨通后经过定测才能确定实际位置，因此该方案实施难度很大。

3号线轨旁综合设备安装平台需要有以下特点:牢固、灵活，安装使用方便。具体方案如下:在每个桥墩的盖梁端部预埋4根钢质套筒，4根套筒与1块钢板焊接，以增加强度。与套筒配套的是M20的8.8级螺栓，每个螺栓可承受10 t的拉力。经过抗拔实验，证明预埋套筒是牢固可靠的。

2.2 计轴设备在单轨制式中的应用

2.2.1 计轴设备的使用情况

目前，国内所有CBTC系统均配备列车辅助位置检测设备，钢轮钢轨一般采用计轴作为列车辅助位置检测设备。但是，所有计轴设备只适用于钢轮钢轨，并无适用于单轨制式的产品。

在研究了红外线检测、激光对射检测等方式后，经过比选得出结论:对计轴设备进行再开发改造，最适合于单轨制式。

要在单轨上使用计轴需解决3个问题:一是在单轨车上找到一个合适的可以切割磁力线的物体，普通列车及工程车均需有这样的物体，而且相对轨道应在同一位置上;二是在轨旁相应位置，要有安装发送及接受磁头的条件;三是在新的使用环境下，验证计轴仍可以安全可靠地使用。

2.2.2 检测物体的选择确定

由于跨座式单轨车辆的走行轮、导向轮和稳定轮均采用充气橡胶轮胎等非金属材料，所以无法使用车辆的走行轮、导向轮和稳定轮来影响电磁场的磁力线分布。单轨车辆的车轮位置如图2所示。

图2 单轨车辆的车轮位置

通过对运行车体的研究分析，最后确定采用检测跨座式单轨车辆侧面稳定轮的应急钢轮的办法来判断车辆。应急钢轮比稳定轮直径略小，平时与轨道梁有一段距离，当稳定轮气压不足或故障时，可作为车辆应急之用。此钢轮在车体上的数量和物理位置是固定的，在车辆运行过程中其位置和轨道梁侧面的相对距离变化极小，非常适合于电磁传感器检测。

2.2.3 计轴设备的安装方式

采用固定支架将发送磁头安装于轨道梁下部，利用预埋固定套筒将接收磁头安装于轨道梁中部凹面的斜面上，跨座式单轨车辆的稳定轮的应急钢轮在此间运行来切割磁力线，使磁场的相位发生改变。图3表示钢轮、电磁传感器、轨道梁之间的关系，图4为3号线车辆段计轴实际安装现场。

图3 计轴的安装位置

图4 单轨计轴的实际安装现场

2.2.4 计轴设备的应用试验

在单轨中使用计轴设备，其环境相比钢轮钢轨有以下变化:一是发送与接收磁头间的距离由270 mm左右增加到450 mm左右;二是计轴周边环境有变化，如无钢轨、背面为钢筋混凝土结构等。

为了验证计轴在单轨制式使用时是否安全可靠，在2号线试车线安装了两个计轴设备进行长期试验。在试验中，对整个调节范围内的接收电压进行有模、无模状态的电压值测试，测试结果均符合相应的技术要求，见表1～表2。

表1 室外检测点的指标测试

表2 室内主机的主要技术指标测试

虽然使用环境和安装方式发生了变化，但是计轴的基本检测原理并未变化，接收信号由55～300 mV减小到55～100 mV，仍在指标范围内，故其安全性和可靠性并未改变。接收信号的减弱是由于磁头间距离变大及磁头背后有大量钢筋，导致磁通量减少。

2.3 应答器在单轨制式中的应用

3号线采用的是欧标应答器。钢轮钢轨应答器一般安装在轨道中间，而单轨制式应答器只能安装在轨道梁侧面。

图5所示为盖梁的安装方式，应答器水平安装在盖梁或支架上，这类似于钢轮钢轨，应答器与BTM(应答器传输单元)天线作用方向垂直于地面。

经过比较分析，盖梁安装方式摆脱了轨道梁，不需要在轨道梁上预埋任何装置，有利于工程的顺利实施。另外，安装空间较大，受车辆限界和其他限界影响小。因此，最终3号线选择了盖梁安装方式。

图5 桥墩盖梁的安装方式

右线应答器安装在线路内侧盖梁上，左线应答器通过支架安装在前面提到的轨旁设备综合安装平台上。BTM天线安装于单轨车辆腹板底部，腹板与单轨车辆通过铰链连接，维修时腹板将向上打开。

由于单轨车辆采用胶轮制式，它的上下、侧倾幅度都比钢轮车辆的大，就是说其应答器与BTM天线在垂直及水平作用的范围内均比钢轮钢轨发生了很大变化。欧标应答器应用于钢轮钢轨的一般作用范围为:垂直范围195～463 mm，水平范围0～±180 mm。为了满足单轨制式的需求，对应答器和BTM天线的参数均做了相应调整，使之在更大的作用范围内正常工作。表3为调整完成后的测试结果。

表3 单轨应答器的测试结果

测试数据表明，欧标应答器在3号线的安装环境下，应答器的参数变化较小，不影响现场应用。

2.4 单轨车辆测速装置的选择

2.4.1 列车测速装置

列车测速装置主要有以下3种:测速电机、多普勒雷达及加速度计。

日式单轨车辆也采用测速电机。测速电机安装于齿轮箱侧面，通过检测齿轮的齿运动达到测速目的。重庆2号线采用的测速电机型号为SMG-135-D(见图6)，车轮每旋转一圈产生49个脉冲信号。由于其测速精度依赖于齿轮的齿数，7 km/h以下的测速精度基本不可靠，且不能检测列车倒退，因此存在较大的安全隐患。

图6 SMG-135-D型测速电机

2.4.2 单轨车辆测速装置

为了提高测速精度，3号线采用AG20型测速电机，依然安装在齿轮箱侧面。车轮每旋转一圈，AG20会产生180个脉冲信号。测速精度的提高有赖于车轮每转所产生的脉冲信号数量，因此AG20通过皮带，由齿轮中心轴带动其轴承旋转，这样所产生的脉冲信号数量就不依赖于齿轮齿数，可达到较高的测速精度，从而基本与钢轮钢轨相当。