市域列车车内压力保护系统研究与探讨

丁 超，游 进，董 晓

（1. 成都地铁运营有限公司，四川成都 610031；2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

1 引言

由于市域列车运行速度较高，为避免车辆在进出隧道、隧道区间风井运行时因车外压力急剧变化传递到车内引起乘客耳膜胀痛、耳鸣等不适，需设置适应线路情况和隧道条件的车内压力保护系统，保证乘客乘坐的舒适性。本文根据成都市轨道交通18号线车辆内部压力波动控制要求和运行特点，提出1种基于车辆位置信息的新型车内压力保护方法。

2 车辆内部压力保护系统分类

车辆内部压力保护方法分为主动式和被动式。主动式压力保护系统通过高静压风机的运转，抑制车辆外部压力突变向车内传递，保持车内压力稳定，实现车辆内部压力保护功能。被动式压力保护系统则在压力检测装置检测到车外压力突变时，控制新风与废排压力保护风阀瞬时关闭，使列车内部空气与外部环境隔离，当检测到车外压力和车内外压差趋于平稳时，控制新风与废排压力保护风阀开启，实现车辆内部压力保护功能。

主动式压力保护系统的优点是车内可实现持续的新风量供应，车内空气质量得到保证；缺点是对车外压力向车内的传递趋势只可抑制无法阻止，对于 1 s、3 s 时间内压力波动控制效果较好，而对于车内外压差较大的情况，压力波控制效果明显减弱。被动式压力保护系统对车辆内部压力波动控制能力相对稳定，但是工作时需关闭新风阀门，在运行线路为连续长隧道时，车内长时间没有新风供应，影响车内空气质量指标。

3 车辆内部压力控制要求

设有压力波保护系统的市域列车，车内压力变化应满足1 s内的压力变化小于等于500 Pa，3 s内压力变化小于等于800 Pa。高速电动车组，车内压力波动评判标准分为优、良、合格3个等级：当车内压力波动ΔP≤200 Pa/s时，为优级；ΔP≤800 Pa/3 s时，为良级；ΔP≤1 250 Pa/3 s时，为合格。

成都市轨道交通18号线采用速度140 km/h市域列车，客室内1 s内压力变化需满足小于500 Pa的要求，结合成都市轨道交通18号线的实际情况，确定客室车内压力波动舒适度指标要求为ΔP≤415 Pa/s。

4 车辆内部压力控制系统

一般的被动式压力保护系统由压力传感器、压力保护装置控制器、新风/废排压力保护风阀、气缸、电气元件及其附件等组成。该系统元器件复杂，压力保护风阀的启动方式为通过压力传感器检测车内外压差变化而触发启动，需在头车头部设置压力传感器进行压力取样，同时需对车辆进行气缸供气和管路铺设以驱动压力保护风阀动作，整个系统结构复杂、造价高。

由于市域列车运行线路相对固定，车辆在线路运行过程中压力波动明显的区间基本固定，压力波动明显区间可以基于理论判断、仿真分析计算和最终的动态线路试验验证确定。即压力控制风阀的开启直接与列车所处的实时位置相关。

4.1 工作原理

列车运行期间，由列车信号系统向车辆控制和管理系统（TCMS）发送实时位置信息，车辆TCMS通过与压力波动控制区间的位置信息进行比对后向空调控制器发送相关指令，进而控制客室空调机组和机械废排装置的压力波动保护阀门的开启和关闭，实现车内压力有效控制，保证列车舒适度满足要求，该系统的工作原理如图1所示。

4.1.1 实时位置比对

在车载信号系统有定位信息的情况下，列车自动控制 （ATC）系统将向TCMS特定端口发送列车实时位置信息，该实时位置的数据组成如表1所示。

设被测信号为S(t)参考信号为R(t),ω0为被测信号和参考信号的频率,φ为两者相位差,对被测信号进行相敏检测:

表1 车辆实时位置信息组成示例

其中，信号系统将每条线路用不同的Block ID划分，相邻Block的分界点为轨旁计轴点或道岔岔尖，在一条线路上，不会出现重复的Block ID，每个Block长度不同，Block的起始点坐标为0，Block的终点坐标即为Block的长度，Abscisssa为Block内的具体坐标，由信号系统以整数形式发送给车辆TCMS。车辆TCMS通过将列车实时位置信息与预存的压力波动区间位置信息进行数据比对，进而下发相应的压力波动控制指令，触发空调机组新风压力保护阀和机械废排装置排风压力保护阀的开启与关闭。

4.1.2 压力波动控制区间定义

现以成都市轨道交通18号线某站间线路条件（如图2所示），对压力波动控制区间的确定方法举例如下。

该站间仅有1个隧道洞口为需控制的压力波动区间。其中，A、B为站间的起点及终点，CD为隧道压力区间，G为关阀信号下发位置点，I为开阀信号下发位置点。设t1为电动压力保护风阀动作时间，t2为时间余量（通常取3 s），且t=t1+t2，车辆通过G点后的平均速度为v，则CG的长度LCG=t×v。

A、B站间的压力波动控制区间为CD，则空调控制器下发压力保护风阀关信号、开信号的位置与A点距离LGA、LIA，分别为：

式（1）、式（2）中，LC为车辆长度，LCG、LCA、LDA分别为CG、CA、DA的长度。

4.2 系统组成

4.3 系统控制

车内压力控制包括2个方面，一方面为预进入压力波动控制区间的压力保护阀关闭的触发逻辑，另一方面为驶离压力波动控制区间的压力保护阀开启的触发逻辑。车辆TCMS除对列车实时位置进行数据比对外，当列车激活端司机室车头进入压力波动区域时，还将对列车进入压力波动控制区间的速度进行判断。若列车到达压力波动区间起点位置的实时速度大于预设速度则进行压力保护阀的关闭触发，当列车车尾驶离压力波动区域时将进行压力保护阀的开启触发。为避免长时间关闭新风供应导致车内新鲜空气不足，造成司乘人员产生憋闷感，该控制系统对压力保护阀关闭时间进行了限制，一旦达到限制时长将强制开启阀门。

5 试验验证

为验证新型压力波动控制系统的压力保护性能，在成都市轨道交通18号线开通前进行实车正线线路试验。该线路试验可验证测试车辆在正线运行时列车表面及车厢内部空气压力的变化情况，以检验车辆是否满足乘坐舒适性的要求。

5.1 试验工况选取与测试方法

试验中所采用的测试车辆最高运行速度为140 km/h，为保证试验数据的可靠性，列车以列车自动运行（ATO）模式及手动驾驶模式进行上、下行多次往返测试。该试验的主要内容为比对新型压力波动控制系统在正常工作和关闭状态下，所研制车辆车内外气压的变化情况。具体试验工况如下：

（1）压力保护系统不启动，即列车所有空调机组及机械废排装置的压力保护阀门完全开启；

（2）压力保护装置启动，即列车所有空调机组及机械废排装置的压力保护风阀根据信号系统发出的线路信息及预设的压力保护控制策略进行实时关闭及开启。

正线试验时，选取测试列车的第1节头车和第1节中间车作为测试对象。主要的测试设备为实车动态压力测试系统，其主要由动态压力传感器、多通道放大器、A/D转换器、计算机及相应的分析软件组成，系统构成如图4所示。参考高速动车组车内压力控制试验的测点布置要求，在前2节车的车体表面共布置了9个车外压力测点和7个车内压力测点，车内外测点共计16个。

5.2 试验结果与分析

基于正线线路情况和运行条件，分别对测试车辆运行时新型压力保护系统启动与不启动状态下的车体内外压力数据进行处理和运算，得出车外测点压力变化峰值以及车内压力在1 s、3 s时间内变化最大值等试验结果及测试车辆在天府新区至火车南站运行区间内，头车车内压力保护系统在启动与未启动状态下车内外压力变化情况，如表2、图5所示。

对比表2中压力保护系统作用与压力保护系统不作用两种工况下的测试数据：1 s压力变化幅值分别为173 Pa和330 Pa，压力保护不作用时测得数据较压力保护作用时大90%；3 s压力变化幅值分别为291 Pa和505 Pa，压力保护不作用时测得数据较压力保护作用时大74%。由此可见，该区段新型车内压力保护系统作用工况时的车内压力变化率明显小于新型车内压力保护系统不作用工况，并且满足《高速电动车组整车试验规范》中车内压力波动优级的评判标准（ΔP≤200 Pa/s）。由此可见，该新型车内压力保护系统能够明显减低车内压力变化，显著提高列车运行期间的乘坐舒适性。

表2 测试车辆天府新区 — 火车南站运行区间头车车内外压力测试结果

同时，综合全线路重复性测试结果可知，采用该车内压力保护系统时列车在最恶劣区段客室的车内压力波动最大值约为318 Pa/s和476 Pa/3s。该测试车辆在全线路的客室车内压力波动舒适度水平皆控制在ΔP≤415 Pa/s的合同指标要求以内，并且控制效果优于现行车内压力控制规范中良级（ΔP≤800 Pa/3s）评价标准。

6 结语

综上所述，成都市轨道交通18号线列车新型车内压力保护系统与传统被动式压力保护系统相比，避免配置复杂的压力感知测试设备和控制设备，将压力保护系统的控制融合到网络控制系统，通过运用线路和车辆信号适时启动或关闭空调机组和废排装置的电动压力保护风阀，有效抑制车外急剧变化的压力波动传入车内，确保满足乘客舒适性体验的要求。