基于地铁列车方位信息的自动弓靴转换技术研究

孙信贤

(深圳市地铁运营集团有限公司,广东 深圳 518040)

城市轨道交通供电制式主要包括架空接触网和第三轨供电两种形式[1]。深圳地铁6号线正线采用第三轨供电,确保运营供电高可靠性,提升高架段视觉美观度,方便供电设备维护保养[2];车辆基地采用架空接触网供电,确保车辆维保作业高安全性,并提升收发车效率[3]。在车辆基地出入段线处,同时敷设接触网和第三轨,作为两种供电制式的切换过渡区域。为匹配供电制式,深圳地铁6号线列车采用双受流制式[4],即正线采用集电靴受流,车辆基地采用受电弓受流。

该供电模式很好地兼顾了架空接触网和第三轨供电制式的优点,但由于新增了弓靴转换流程,必须确保列车在弓靴转换区域安全、高效、正确地完成受流制式切换,否则将造成车辆侵限、带载拉弧放电、误入无电区等问题[5]。

传统的解决方案为列车司机、车厂调度进行互控,即“人防”。本文则提供了一种基于列车方位信息的自动弓靴转换的“技防”方案,可实现智能提醒、自动触发、一键自动切换、安全防错等功能,已应用在深圳地铁6号线列车上,并取得了显著成效。

1 弓靴转换工作原理和人工操作方法

深圳地铁6号线列车初始设计方案仅具备人工弓靴转换功能,双受流模式与列车控制系统相结合,高压DC 1 500 V通过两路输入逆变器,两种模式由列车通信控制系统(TCMS)和无触点逻辑控制单元(LCU)进行逻辑控制,由高压模式转化开关(HVS)执行控制命令,从而实现弓靴转换(图1)。

图1 受电弓与集电靴供电模式

以列车从车辆基地运行至正线为例,列车需由受电弓取电转换为集电靴取电。首先,列车驶入车辆基地与正线衔接处的弓靴转换区域,停妥后手动关闭所有负载,包括空调机组、列车照明等;然后手动操作降弓按钮使受电弓降下,确认降弓完成;再手动按压集电靴模式完成受电弓模式到集电靴模式的转换;最后操作集电靴升靴按钮,使集电靴升起,列车从第三轨受流,并重新开启列车负载设备,则完成了一次人工手动“弓—靴”转换,列车将采用集电靴受流模式在正线运行。

同样,列车从正线运行至车辆段时,则需完成一次“靴—弓”人工转换操作,列车由集电靴模式转换到受电弓模式。

两种模式转换过程中,均由司机对各步骤进行操作,由车厂调度通过轨旁监控摄像头对转换结果进行互控,步骤繁琐,容易出错,效率低下,安全保障完全由人工管控。

2 人工手动弓靴转换风险分析

通过JSA风险分析方法,从人为因素、设备因素分析弓靴转换每一步骤,梳理得出人工手动弓靴转换功能上主要存在以下四大风险:

(1) 转换前,模式按钮未复位,存在转换失败风险;

(2) 转换时,未关闭负载进行降弓或者降靴操作,存在带载拉弧放电、损伤高压部件甚至接地短路风险;

(3) 出库时,未完成“弓—靴”转换,列车升弓进入正线区域,存在列车侵限导致刮弓事故风险;

(4) 入库时,未进行“靴—弓”转换,列车驶入无电区,存在失电风险。

3 自动弓靴转换技术方案

为消除人工手动弓靴转换方案的风险,实现自动转换功能的设计需求,应从控制层面进行优化,需包含以下6项自动化功能:

(1) 列车到达弓靴转换位置,弓靴转换功能自动激活待命,自动触发语音(PIS)和司机显示屏(HMI)提醒功能;

(2) 司机一键确认转换,自动切断全车中压负载,关闭辅助逆变器;

(3) 自动输出降弓或降靴指令;

(4) 接收到降到位信号后,自动输出升靴或升弓指令;

(5) 完成高压受流后,自动启动全车负载,完成自动弓靴转换流程;

(6) 列车出库未降弓时,自动输出强制降弓指令,以起到安全防护作用。

实现上述功能的核心条件,一是列车需具备方位识别能力,即准确识别列车是否处于弓靴转换区域以及运行方向是出库还是入库;二是列车需实现对相关控制步骤的自动触发、运行、结果确认等链式逻辑控制功能。本文提出了充分运用深圳地铁6号线列车防冲撞系统的地面信标识别功能和TCMS、LCU系统逻辑控制功能来满足上述核心条件的解决方案。

3.1 弓靴转换区域敷设地面信标

在弓靴转换区域,敷设1、2、3号共3个地面信标。列车通过此区域时,根据列车获取信标的先后顺序,判断列车处于入库或出库状态(图2)。列车获取信标顺序为“1→2→3”时,为出库状态,进行降弓升靴;列车获取信标顺序为“3→2→1”时,为入库状态,进行降靴升弓。

图2 弓靴转换区域地面信标安装示意图(以出库为例)

3.2 优化列车控制电路原理

对受电弓升降、集电靴升降的LCU控制电路原理进行分析后,优化电路如下:在LCU控制电路中接入信号源输出至列车TCMS系统,由TCMS系统直接控制按钮、指令等信号,实现自动和人工升降弓或升降靴的功能。

3.2.1 受电弓升降控制

人工升降弓需满足以下条件:受电弓模式,本端司机室激活,零速信号,所有集电靴降到位,司机操作升弓按钮或降弓按钮实现受电弓的升降。自动升降弓则是在上述条件中增加弓靴转换位置信息作为特定区域的判定,从而自动触发升弓按钮或降弓按钮信号,实现受电弓的自动升降(图3)。

图3 受电弓转集电靴控制逻辑示意图

3.2.2 集电靴升降控制

人工升降靴需满足以下条件:集电靴模式,本端司机室激活,零速信号,所有受电弓降到位,司机操作升靴按钮或降靴按钮实现集电靴的升降。自动升降靴则是在上述条件中增加弓靴转换位置信息作为特定区域的判定,从而自动触发升靴按钮或降靴按钮信号,实现集电靴的自动升降(图4)。

图4 集电靴转受电弓控制逻辑示意图

3.3 优化列车软件控制逻辑

分析自动弓靴转换电路,对列车TCMS系统功能进行优化。

3.3.1 出/入库判断

当列车进入弓靴转换区域,越过地面信标1或信标3时,TCMS系统获得信标信号,根据信标代码判断为出库或入库状态。

3.3.2 语音及司机显示屏提示

自动弓靴转换模式触发后,列车通信控制系统触发司机室蜂鸣器,司机显示屏出现提示弹框“自动弓靴转换”,司机室扬声器播放“列车已进入弓靴转换区域,请降靴升弓”(列车入库)或“列车已进入弓靴转换区域,请降弓升靴”(列车出库)。以上3类提示可使司机时刻关注转换过程,提高司机对自动弓靴转换的敏感性,进一步提高司机安全作业意识。若转换失败,可以快速进行应急处置。

3.3.3 不带载转换控制

(1) 自动弓靴转换模式触发后,列车通信控制系统发出全车负载切除指令,负载完全切除后,才可以发出降弓或降靴指令。

(2) 转换完成,列车能够重新获取DC 1 500 V高压后,方可自动启动负载,完成自上电过程。

以上强制顺序可避免因带载转换导致拉弧接地故障发生。

3.3.4 强制降弓控制

当列车获取信标顺序为“1→2→3”且列车越过信标3时,即列车出库过程中已越过弓靴转换区域,但列车受电弓未降下,则TCMS系统强制发出降弓指令,确保受电弓降下,避免升弓出库导致设备侵限。

4 结束语

深圳地铁6号线列车采用双受流高压取电模式,较传统列车增加了弓靴转换安全风险。通过优化电路及控制逻辑,目前已实现了基于地铁列车方位信息的自动弓靴转换功能的应用。该技术既避免了带载转换导致接地短路的风险,又规避了升弓出库导致异物刮擦侵限的风险,同时还解决了手动转换效率低的问题,可为后续双制式供电轨道交通车辆的设计提供参考。