地铁列车保持制动施加反馈信号检测方法比较分析

塔子献 刘 通 尹砚峰 赵 冉

地铁列车保持制动施加反馈信号检测方法比较分析

塔子献 刘 通 尹砚峰 赵 冉

摘 要：目前，国内地铁列车在车载信号系统控车模式下，列车到站停稳后，信号系统输出允许列车开门的门使能信号的必要前提条件之一是收到车辆反馈的列车保持制动已施加信号。针对不同车辆采用的检测保持制动施加信号的器件不同、在运营中存在的差异进行对比分析，提出合理建议，以提高列车运营的安全性，降低运营晚点率。

关键词：列车制动；保持制动；门使能；压力开关；压力传感器

塔子献：北京地铁车辆装备有限公司，工程师，北京 100079

0　引言

列车的制动系统与车载信号系统作为车辆两大重要系统，其系统的可靠性和稳定性关系到列车的安全运营。作为SIL4级安全等级的车载信号系统，授权列车开门是该系统的安全功能。为确保乘客安全，信号系统控制列车开门指令必须在列车安全停稳后方能被执行，亦即车载信号系统输出允许列车开门的门使能信号的必要条件是：确认列车已安全停稳且牵引已切除，制动已施加。因此，需要车辆向车载信号系统提供稳定、有效的列车保持制动施加反馈信号。

目前，国内地铁车辆采集本车保持制动施加压力信号的器件通常有2种，即：压力开关和压力传感器。具体采用哪种检测器件则取决于该车辆的制动系统供应商。各条地铁线路车辆制造商以及制动系统供应商不尽相同，车辆提供给信号系统的列车保持制动已施加反馈信号的电路形式以及制动系统采用的本车保持制动施加信号的检测器件也不尽相同。即便2条线路车辆的车载信号系统为同一个供应商，信号与车辆接口基本一致，2条线路车辆的制动系统分别采用了压力开关和压力传感器2种不同的制动压力检测器件，通过线路开通后2条线路车辆的实际运营情况反馈信息，可以发现2种不同的压力检测器件提供的保持制动已施加信号对车载信号系统及时准确输出门使能信号存在着明显的差异。本文以北京地铁房山线和北京地铁9号线车辆为例，对2条线路列车保持制动施加反馈信号的检测器件的差异展开对比分析，提出合理建议。

1　保持制动功能描述

为避免列车在坡道上起动时发生倒溜引发安全事故，地铁列车的制动系统除设有常用制动、紧急制动等常规制动功能外，还具有保持制动功能。列车停稳后，制动系统会根据列车网络系统指令或自动施加超员（AW3）载荷、线路最大坡道情况下能确保列车不发生溜滑的保持制动力。当列车起动时，在司机控制器主手柄从制动位推至牵引位时，列车仍具有一定大小的保持制动力，以保证列车在起动牵引力小于该力时能可靠静止而不发生倒溜滑行；只有当起动牵引力大于保持制动力或列车速度大于一定值后，制动系统根据列车网络系统发出的保持制动缓解指令，缓解保持制动或自动缓解保持制动（注：仅在列车硬线控车的应急牵引模式下，制动系统根据牵引/制动硬线指令，结合列车速度自动施加或缓解保持制动）。一般保持制动力的大小在设计之初设定为列车最大常用制动力的70%，通过首列车的型式试验最终确定适合运营线路条件和车辆自身性能的制动压力值。在列车回送和救援时不具有保持制动功能。

为保证乘客上、下车的安全，车载信号自动控制系统（以下简称“ATC系统”）则要求列车在站台停靠后，保持列车的牵引处于禁止或无效状态，同时保证列车处于可靠静止情况下，方能允许列车进行开门动作。为此，ATC系统在停车时会首先向列车发出请求列车制动施加（ZVRD）信号；同时需要列车在收到ZVRD信号后，根据车辆实际状态反馈列车制动已施加（ZVBA）信号；对于ATC系统而言，这是了解列车是否满足授权乘客上、下车条件的唯一方法；只有在收到列车反馈的ZVBA信号后，ATC系统才会输出允许列车开门的门使能信号，可以由ATC系统自动或由人工打开列车车门。图1为北京地铁房山线和北京地铁9号线列车在自动开门模式下上述各指令信号时序图。

ZVBA是ATC系统的一个安全输入信号，因此，要求列车在站台制动停车后，只有当列车编组中的每一辆车均可靠施加了保持制动时方可反馈列车制动已施加信号（ZVBA）；对于6辆编组的列车而言，ATC系统要求如果其中的1辆车因故障无法施加制动，允许列车切除故障车制动系统并旁路本车保持制动已施加反馈信号触点；但如果1个编组中出现2辆车制动系统故障的情况，ATC系统将退出对列车的正常防护工作，降级为人工驾驶列车，以确保列车安全。

为满足该信号接口功能的要求，车辆在设计时普遍采用将编组中各节车的保持制动已施加反馈信号全部串联（与逻辑）后，再驱动列车保持制动已施加继电器，从而反馈满足ATC系统接口功能需求的列车制动已施加（ZVBA）信号。由于站停时间一定（一般为30 s），同时ATC系统控制着列车车门与站台屏蔽门的联动，因此，对于同一编组列车中各节车的保持制动已施加信号采集器件动作的同步性要求相对较高。

北京地铁房山线车辆的保持制动已施加信号的采集器件为各车制动控制单元（BCU）内的压力传感器，北京地铁9号线车辆该信号的采集器件是连接在各车制动管路上的压力开关。以下就这2条线路列车保持制动已施加反馈信号的具体电路进行介绍。

图1　自动开门模式下各指令信号时序

图2　房山线列车保持制动施加反馈信号电路原理图

2　电路原理

2.1北京地铁房山线车辆电路

房山线的列车保持制动施加反馈信号通过图2、图3所示电路原理实现。

从图2、图3可以看出，在司机室激活状态下，列车到站停稳时，房山线列车是通过各车制动控制单元（BCU）内设置的压力传感器对本车制动缸压力进行检测，再通过制动微机控制单元（EBCU）输出本车保持制动已施加信号驱动本车保持制动施加继电器。当各车保持制动施加继电器均得电动作后，各车串联的该继电器常开触点闭合驱动并联于列车2辆头车上的列车保持制动已施加继电器，ATC系统通过采集列车制动已施加继电器触点的电平信号，确认列车保持制动已施加。

2.2北京地铁9号线车辆电路

9号线列车保持制动施加反馈信号通过图4所示电路原理实现。

从图4可以看出，同样是在司机室激活状态下，列车到站停稳时，9号线列车是通过设置在各车制动风管路上的压力开关检测本车保持制动施加的制动压力值，当管路内压力达到开关设定值时，压力开关动作，与其机械联动的电触点闭合，各车压力开关联动的电触点串联形成回路并驱动并联于列车2辆头车上的列车保持制动已施加继电器，ATC系统则通过采集列车制动已施加继电器触点的电平信号，确认列车保持制动已施加。

图3　房山线本车保持制动施加反馈信号电路原理图

图4　9号线列车保持制动施加反馈信号电路原理图

表1　压力开关和压力传感器特性对比

3　检测器件比较

通过上述功能和原理的介绍可以看出，房山线列车和9号线列车保持制动施加反馈信号的检测分别是由压力传感器和压力开关这2种不同性能的检测器件实现的。2种器件的结构组成和工作原理完全不同。

压力传感器是压力-电信号转换器件，其重要组成部分为敏感元件，通过传感技术对信号进行检测。当系统压力发生变化时，作用在传感器的扩散硅膜片会产生一个微信号传导给传感器内部的扩大电路，通过此扩大电路最终生成一个模拟信号。该器件具有响应速度快以及精确度、灵敏度高的特点。

压力开关则是一种通过纯机械形变导致微动开关动作的机械-电信号转换器件，它是由膜片、波纹管、活塞等不同的传感压力元器件组成。系统压力的变化导致开关内波纹管（或膜片、活塞）发生形变，再传导给微动开关，当达到预设值时（通常为一个较大的压力范围），微动开关会发生机械跳动，进而改变所连电路的通或断。

2种检测器件各种特性的具体比较如表1所示。

2种器件的构成、性能和工作原理的区别，决定了这2种器件在地铁车辆上检测列车保持制动施加反馈信号电路设计中的应用效果的不同，主要体现在各车保持制动施加信号的输出同步性存在一定的差异。

通过表1的特性对比可以看出，压力传感器具有精度高、响应快、体积小、稳定性好的特点，其响应速度和信号的稳定性较压力开关相比具有一定的优势。因此，对于采用各车与逻辑实现列车保持制动施加信号反馈的电路来说，压力传感器的应用可以大大提高本车保持制动施加信号输出的及时性、可靠性和同步性，从而保证ATC系统可以及时可靠地接收反馈信号，准时有效地输出允许列车开门的门使能信号，满足列车站停时间要求，对运营车辆的准点率提供了有力的技术保障。

压力开关则因其自身的机械特性决定了器件动作的响应时间长，多个器件动作输出信号的同步性较差，对地铁车辆向ATC系统输出列车保持制动施加反馈信号的时间存在一定的影响，容易发生因列车保持制动反馈信号接收延时或超时，而无法给出列车门使能，导致列车车门不能正常打开的现象，相比压力传感器在此电路中的应用效果则稍显逊色。

4　结束语

地铁车辆的列车保持制动施加反馈信号是ATC系统实现安全控车的重要输入信号之一，通过上述的对比分析可以看出，压力传感器更适用于这一重要安全信号的检测。因此，建议在地铁车辆设计时，制动系统可以优先考虑采用压力传感器检测制动压力的设计方案，提高车辆与信号的接口质量，保证车辆运营的准点率。

压力传感器因其体积小，通常安装于制动控制单元（BCU）箱体内部，相比安装于车下制动管路上的压力开关来说，减少了车辆外部电气连接，也就是减少了电气故障点，同时，大大降低了车辆用户的日常检修维护的工作量。

参考文献

[1] 幸继松，方长征，高殿柱，等．电力机车后备空气制动装置的分析与设计改进[J]．电力机车与城市车辆，2012，35（2）：44-46.

责任编辑 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

中图分类号：U266.291∶U270.35