地铁列车无人自动折返失败的原因分析及改进措施

侯向阳

(西安市地下铁道有限责任公司运营分公司，710016，西安//工程师)

列车的折返能力是制约整条地铁线路(环形线路除外)运营能力的关键。西安地铁3号线列车正线试运行期间，在终点站折返线DTRO(无人自动)折返的过程中，多次出现ATO(列车自动运行)给出牵引指令，但列车无法动车的情况。该情况将导致列车DTRO折返失败，车辆无法从折返轨自动牵出，进而影响自动折返的效率。

1 列车自动折返概述及原理

1.1 列车自动折返概述

西安地铁3号线采用西门子基于无线通信技术的移动闭塞列车控制系统。该系统车地双向通信传输采用开放空间无线方式，且利用计轴系统及欧式应答器作为后备列车占用检测设备。其采用的西门子CBTC(基于通信的列车自动控制)系统主要包含车载子系统(含车载ATO、车载ATP(列车自动保护))、ATS(列车自动监控)子系统、轨旁ATP系统以及DCS(数据通信子系统)无线传输系统等。

列车DTRO折返是采用一定的车辆设备、信号设备、固定设备实现的自动折返方式，它与列车行车组织方法有着密切的关系。而折返站的折返能力是地铁线路通过能力的一个重要环节，其直接影响着全线的通过能力，甚至限制线路运输能力的有效发挥。

1.2 列车自动折返原理

在有自动折返功能的车站，ATP/ATO车载计算机单元具备指示列车自动折返操作准备完毕、利用自动折返按钮启动折返操作以及执行折返运行的功能。当车门关闭、司机主控钥匙处于关闭状态时，ATP/ATO车载计算机单元得到一个移动授权，ATO即会驾驶列车进入折返轨。当列车停稳，ATP/ATO车载计算机单元便会执行交换驾驶室功能。当新的进路设定后，ATP/ATO车载计算机单元从ATP轨旁计算机单元得到移动授权，ATO即会驾驶列车驶入车站相反侧的站台。当列车再次停稳后，司机确认车门/屏蔽门开启后激活司机室。

2 列车DTRO折返失败故障调查

从列车监控系统下载的列车运行记录数据(见表1)可判定，当列车进站后，其在折返轨两端司机室的换端过程中产生紧急制动，此时紧急制动继电器失电导致高速断路器(HSCB)断开；当紧急制动信号得电后HSCB再次自动闭合，且在HSCB闭合之前列车给出牵引指令，导致列车自动折返失败。

表1 列车运行记录数据表

表1列车运行记录数据显示：列车在自动折返的过程中，于14:25:35由自动折返继电器控制的司机室激活信号由Tc 1车激活变为Tc 2车激活，此时列车产生紧急制动(0.2 s后紧急制动自动缓解)；同时列车高速断路器(HSCB)断开(即牵引系统线路接触器(KIC)触点断开)，列车于14:25:39给出ATO牵引指令，此时列车速度无变化，HSCB于14:25:40闭合，然后按照牵引逆变器充电时序，闭合预充电接触器，并对牵引逆变器充电。

3 列车自动折返故障原因分析

3.1 概述

根据车辆设计安全要求，当列车主动施加(人工施加或紧急制动按钮施加)紧急制动时，为避免脱轨、撞车等重大事故，列车应具备以下条件：

(1) 必须断开牵引供电系统。

(2) 电气列车如采用接触网供电，必须降弓以断开接触网；如采用第三轨，供电系统必须断开受电靴。

(3) 禁止使用电气制动系统。

(4) 列车停车静止前禁止缓解制动。

同时根据西安地铁3号线车辆设计，在人工紧急制动按钮施加紧急制动的工况下，列车不具备切断供电导向安全的相关紧急制动联锁。因此，西安地铁3号线紧急制动工况下，切断供电导向安全的设计由牵引系统控制，且牵引系统必须与HSCB分开。

3.2 牵引系统电路原理分析

牵引系统采集紧急制动列车线，且为继电器Q-NEB线圈供电，该系统用以在紧急制动工况下控制高速断路器的断开与闭合。牵引系统紧急制动采集电路如图1所示。

HSCB保持电路如图2所示。由图2可知，继电器Q-NEB的一对常开触点用于控制高速断路器保持电路的电源，且通过切断LO-HOLD的供电断开高速断路器；继电器Q-NEB的另一对常开触点直接送给牵引控制单元，牵引控制单元用以检测牵引系统紧急制动的状态、逆变器控制以及故障诊断。

图1 牵引系统紧急制动采集电路图

图2 HSCB保持电路图

3.3 列车折返失败原因分析

3.3.1 牵引控制单元未检测到紧急制动信号情况

牵引控制单元检测紧急制动信号的周期为100 ms，高速断路器保持失电动作时间为10 ms左右。如果在100 ms范围内紧急制动失电恢复，则高度断路器分开，此时牵引控制单元有一定几率检测不到紧急制动失电再恢复。但同时牵引控制单元收到了高速断路器已断开信号，因为检测到外部指令(紧急制动失电再恢复现象)导致高速断路器断开情况，所以会给出hscb_selftrip故障记录，如果此故障发出，则需要延时30 s才允许闭合高速断路器，这样就有可能使列车在30 s内无法动车。

出现100 ms以内的紧急制动丢失再恢复，就会导致高速断路器在30 s内无法闭合，因此影响折返效率。列车电路必需确保列车在进入折返轨换端的过程中，不施加紧急制动(最优方案)，或者施加紧急制动的时间大于120 ms。

3.3.2 牵引控制单元检测到紧急制动信号情况

牵引逆变器检测到的高速断路器分开的现象是由列车紧急制动环线断开导致。如果紧急制动失电再恢复时间为100 ms以上，则高速断路器分开。此时牵引控制单元检测到紧急制动失电，此情况是由紧急制动工况导致的高速断路器断开而导致的。在延时2 s后，如果检测到紧急制动信号恢复，则高速断路器闭合，此时启动预充电流程，牵引逆变器进入工作准备状态，整个准备过程需要6 s。

当列车紧急制动缓解后，牵引系统执行以下操作：

(1) 第一步：闭合高速断路器且开始预充电，预充电完成后给出预充电完成信号(此时间持续6～8 s)，且在预充电完成且信号收到后给出牵引系统OK信号。

(2) 第二步：预充电完成的同时，在检测到牵引授权信号、预充电完成信号、方向指令信号等存在的情况下，开始检测牵引指令；如果牵引指令由0变为1，则认为牵引指令为真，并施加牵引力。如果在高速断路器闭合及预充电完成之前收到牵引指令，则牵引系统忽略此指令，此时不施加牵引力。仅在牵引系统完成准备的情况下，检测到牵引指令由0变为1，则认为此指令为真，并施加牵引力。

由列车紧急制动环线断开而导致的高速断路器分开是目前自动折返失败的主要原因。当列车进入折返轨后，在两端司机室换端操作的过程中，列车出现紧急制动环线失电再得电的现象，即头车AR(自动折返继电器)断开后，尾车AR未立即吸合。因此牵引系统须随之断开并重新闭合高速断路器。若在高速断路器重新闭合、牵引系统预充电的过程中，ATO子系统给出牵引指令，但鉴于安全导向，牵引系统忽略此牵引信号。在牵引系统完成准备工作后，未检测到牵引指令的变化，无法施加牵引力，导致列车自动折返失败。在牵引系统检测到信号完备的情况下，再收到ATO子系统的牵引指令，才会允许发车。

4 列车自动折返改进措施

列车自动折返失败的原因在于司机室在换端的过程中产生了紧急制动，进而使牵引系统进入紧急制动施加又缓解的操作流程。该情况导致在高度断路器闭合之前ATO子系统给出牵引指令，且系统判断此牵引指令无效而无法施加牵引力。针对此问题，可通过以下两个方面进行整改。

4.1 车辆控制电路

车辆控制电路增加AR常开触点，旁路由于列车换端给牵引系统紧急制动信号。这样当AR得电时，即使司机室未激活，车辆侧也不会施加紧急制动指令，此时牵引系统将不会分开高速断路器；当司机或信号系统在AR模式下主动施加紧急制动后，列车会通过紧急制动继电器切除牵引授权信号和牵引指令，在整个过程中，制动系统不受此旁路的影响，仍会施加紧急制动。

图4 车辆设计电路整改方案

4.2 信号控制

在上述电路自动折返过程中，AR旁路牵引系统紧急制动信号的功能的完成，需要信号本端及远端AR在吸合上有一定的重合时间(建议2 s)。当进行换端操作时，不存在所有AR同时失电的情况，这样牵引系统收到紧急制动信号时不会产生失电的情况，进而确保列车自动折返功能正常使用。

5 结语

地铁使用列车折返能力是制约整条地铁线路运营能力的关键。西安地铁3号线列车在自动折返司机室换端过程中施加了紧急制动，进而牵引系统进入紧急制动施加及缓解的操作流程，使得列车在出折返轨时因无法施加牵引力而导致自动折返失败。鉴于列车自动折返紧急制动并非主动施加，因此可通过电路控制和信号控制等措施对列车紧急制动工况进行改进，经过现场TCMS运行记录数据跟踪,有效解决了自动折返失败的问题,提高列车DTRO自动折返的效率，保证地铁列车正点运营。