賀皓東

(成都地鐵運營有限公司， 成都 610015)

成都3號線車輛TCMS系統(tǒng)按照IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的列車通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，列車總線與車輛總線均采用MVB總線，此結(jié)構(gòu)嚴(yán)格意義上說是一級總線的單層網(wǎng)絡(luò)，只是通過增加兩組帶冗余的中繼器實現(xiàn)3個網(wǎng)段，在形式上可以分為干線網(wǎng)絡(luò)和支路網(wǎng)絡(luò)?？偩€采用冗余傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。MVB總線的傳輸速率為1.5 Mb/s。MVB總線可以傳輸過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)。多功能車輛總線(MVB)的電氣接口為EMD介質(zhì)。

1 3號線TCMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及冗余功能介紹

TCMS系統(tǒng)設(shè)備留有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，具有成熟可靠的接口通訊規(guī)范，子系統(tǒng)通過MVB通訊接口的可靠接入。車輛總線(MVB)上子系統(tǒng)的控制單元主要包括：車載ATC裝置、牽引控制單元、制動控制單元、輔助電源控制單元、空調(diào)控制單元、車門主控制單元、列車乘客信息顯示系統(tǒng)控制單元等。成都3號線列車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1、表1所示。

TCMS系統(tǒng)作為列車運行的“大腦”，對運行可靠性(是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力)的要求很高。3號線TCMS系統(tǒng)在設(shè)計之初充分考慮，將設(shè)備故障的影響盡可能降到最低，在硬件設(shè)備的冗余性及監(jiān)控信息的判斷上進行互為冗余的配置，具體如下：

(1) MVB總線冗余：MVB總線采用兩對互為冗余的雙絞線，采用DB9連接器，MVB線路A和線路B同步發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，該冗余設(shè)計可以防止傳輸線、引腳接點以及收發(fā)器的錯誤引起的MVB傳輸故障。車輛間MVB總線采用MVB分線盒把一路MVB總線分成二路傳輸(A路B路分開傳輸)，一路故障不影響車輛的MVB通信。示意圖如圖2、圖3所示。

表1 3號線車輛設(shè)備簡稱表

圖3 MVB分線盒冗余示意圖

(2) CCU冗余：中央控制單元CCU在配置上為Tc1、Tc2兩端冗余，完成列車控制、監(jiān)視和故障診斷功能，一般情況Tc1為主機，Tc2為從機，Tc1故障時將進行冗余切換，切換時間3 s以內(nèi)。

(3) 中繼器冗余：在列車的2車和5車分別安裝互為冗余的中繼器(RPT)模塊，當(dāng)一個中繼器模塊故障時，另一個中繼器模塊對信號進行中繼傳輸不影響列車的正常運行。

(4) Tc車RIOM模塊冗余：Tc1車和Tc2車各設(shè)置兩個冗余的RIOM模塊，對主控信號、司控器牽引制動指令信號、方向手柄信號等重要信號進行冗余采集。

2 TCMS設(shè)計功能分析

TCMS通過MVB總線和I/O接口與各子系統(tǒng)連接，傳遞控制、診斷和監(jiān)視數(shù)據(jù)，完成各系統(tǒng)相應(yīng)的控制、診斷和監(jiān)視功能。

2.1 列車運行管理

2.1.1TCMS生命信號的傳輸

TCMS在周期為64 ms的時鐘控制下，循環(huán)累加生成0～255范圍內(nèi)的數(shù)值，賦值給生命信號固定變量，發(fā)送給每個與TCMS有MVB接口設(shè)備。如果每個設(shè)備在定義的時間段內(nèi)，收到的變量沒有發(fā)生變化，則認(rèn)為與TCMS通信中斷。

TCMS在HMI上顯示各個設(shè)備的生命信號信息，可直觀的判斷各設(shè)備與TCMS通信是否正常。

2.1.2列車參考速度

在信號CBTC-AM下，列車速度采用信號系統(tǒng)發(fā)送的速度，HMI顯示速度值由信號發(fā)送。非信號模式下，列車速度來自于制動系統(tǒng)，6個車的每個BCU將給出4個軸的轉(zhuǎn)速及每個車的參考轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速有效信號發(fā)給CCU。相應(yīng)的邏輯如下：

(1) 優(yōu)先采用兩個Tc車的參考轉(zhuǎn)速。在同時有效情況下采用較大值；

(2) 如果兩個Tc車都無效，取4個動車中，有效的最大值；

(3) 通過式(1)，把選出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成車輛速度km/h。

v車輛=3.6πv轉(zhuǎn)速D/Nc

(1)

其中：D為所選中車輛的輪徑值；Nc為輪上齒數(shù)。

(4) 把計算結(jié)果賦值給變量進行傳輸，用于HMI上顯示和發(fā)給車輛其他系統(tǒng)。

速度的計算要求輪徑值和制動的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，若該數(shù)據(jù)存在問題將直接影響速度是否正常，所以對數(shù)據(jù)的可靠性要求很高。

2.1.3牽引制動百分比信號傳輸

(1) 人工駕駛模式

TCMS通過兩個RIOM冗余采集司控器的輸出的電壓信號，轉(zhuǎn)化成牽引、制動級位指令，傳遞給牽引、制動系統(tǒng)，執(zhí)行相關(guān)的牽引、制動控制。RIOM模塊AI 采集司控器輸出有效判斷條件為：

①RIOM在線且 RIOM及AI模塊均工作正常；

②司控器參考電壓有效范圍：(9.1±0.25) V；

③輸出電壓與參考電壓比值有效范圍：0.01～0.99，超過該范圍將報“牽引制動百分比采集無效”故障；

司控器采用雙電位計冗余輸出，每個電位計有兩路電壓信號輸出，TCMS分別計算兩路輸出電壓與參考電壓的比值，并通過圖4中的對應(yīng)關(guān)系及邏輯判斷，得出牽引制動級位的百分比信號：

圖4 輸出電壓/參考電壓 與牽引制動級位對應(yīng)圖

當(dāng)冗余RIOM的AI模塊采集的|電壓比率之差|≤0.06 時，認(rèn)為兩個RIOM 采集級位信號均有效，此時，牽引級位TCMS取兩個級位信號的最小值；制動級位，TCMS取兩個級位信號的最大值，即：牽引時采用最小牽引級位，制動時采用最大制動級位。

當(dāng)冗余RIOM的AI模塊采集的電壓信號都有效，但|電壓比率之差|>0.06時，判斷邏輯：①判斷RIOM1和RIOM2兩路司控器輸出是否有效；②如果兩路司控器輸出均有效，出于安全考慮，牽引工況下取牽引力較小值，制動工況下取制動力較大值；③如果一路無效則取另一路有效信號；④如果兩路都無效，牽引工況下不輸出牽引力，制動工況下輸出最大常用制動。

(2) CBTC-AM自動駕駛模式

TCMS通過RIOM采集車載ATC輸出的電流模擬信號，轉(zhuǎn)化成牽引制動的百分比信號。傳遞給牽引、制動系統(tǒng)，執(zhí)行相關(guān)的牽引、制動控制。

信號系統(tǒng)輸出電流模擬量信號的范圍為0～20 mA，當(dāng)司機室激活時，且ATP沒有切除時，TCMS按照圖5的對應(yīng)關(guān)系把模擬量的電流信號轉(zhuǎn)換成牽引制動級位的百分比信號。

圖5 ATC輸出電流信號與牽引制動級位對比圖

RIOM采集值與ATO輸出模擬量信號換算關(guān)系如下：

ATO輸出模擬量信號電流值=[(20/1023)×RIOM采集值]

TCMS系統(tǒng)接收車載ATC發(fā)送的牽引制動指令后，將指令量反饋給信號，如果輸出與反饋誤差大于5%，在MMI上提示司機退出ATO模式運行。如果司機5 s鐘內(nèi)不退出ATO模式，車載信號ATC會施加緊急制動。

對牽引制動百分比有效信號的判斷，不僅考慮了正常和故障情況的有效范圍，而且從列車運行安全導(dǎo)向方面采用牽引最小制動最大的合理方式。此種判斷對外部輸入電源的穩(wěn)定性要求較高，如果外部輸入與其他負(fù)載串聯(lián)一路將會導(dǎo)致線路的不穩(wěn)定，進而影響司控器的輸出電壓。3號線雨刮器與司控器負(fù)載未分開就存在這樣的問題，已開始相關(guān)整改解決該問題。

2.1.4備用模式

為保證TCMS故障情況下，列車能夠緊急牽引運行，列車設(shè)置了備用模式按鈕，司機可以通過操作備用模式按鈕來進入備用模式，備用模式下BCU、TCU通過接收牽引、制動命令硬線指令和級位編碼硬線指令，實現(xiàn)牽引和制動的控制，并忽略TCMS的網(wǎng)絡(luò)信號。

當(dāng)滿足下列條件之一時，位于司機臺的TCMS系統(tǒng)正常指示燈熄滅，并且HMI提示司機應(yīng)進入備用模式。

(1) 司機室激活端HMI通信故障；

(2) MVB通信中斷；

(3) 激活端兩個RIOM模塊通訊故障；

(4) 非激活端兩個RIOM模塊通訊故障；

(5) 兩端RIOM1模塊通訊故障。

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即使司機臺的TCMS系統(tǒng)正常指示燈沒有熄滅，也建議司機主動進入備用模式。

(1) 激活端司機室HMI黑屏；

(2) 列車無法正常牽引。

現(xiàn)在1號線的設(shè)置方式為：只有TCMS網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時候才可以啟用該模式，若有其他故障需操作該模式時必須人為設(shè)置TCMS故障后，該模式才可用。與1、2號線不同的是，3號線在無TCMS故障時按下“備用模式”按鈕，列車將進入別用模式，牽引制動不接受來自網(wǎng)絡(luò)的指令只接受來自硬線的信號。3號線備用模式將不會受限，應(yīng)急處置效率將會提升。

2.2 牽引系統(tǒng)

2.2.1限速管理

TCMS通過RIOM采集DI信號，來自顯示屏的按鈕信號，把相關(guān)的限速信息發(fā)給牽引系統(tǒng)，按照定義好的速度等級由牽引系統(tǒng)判斷相關(guān)條件完成限速。并在HMI上顯示相關(guān)的限速模式。

(1) 洗車模式

司機通過按壓"洗車模式"按鈕輸出洗車模式命令，TCMS通過RIOM采集該指令后，轉(zhuǎn)發(fā)給TCU執(zhí)行。

(2) 自動限速

TCMS通過判斷整車制動隔離、轉(zhuǎn)向架切除的情況，把相應(yīng)的自動限速模式給TCU，由TCU完成相應(yīng)的限速控制。

切除2～3個轉(zhuǎn)向架 限速60 km/h

切除4～5個轉(zhuǎn)向架 限速50 km/h

切除6個轉(zhuǎn)向架 限速40 km/h

(3) 人工限速

HMI“限速”界面，可以通過按鈕實現(xiàn)兩級人工限速，限速25 km/h和60 km/h。

制動切除后的限速管理是對列車運行的一項安全保障，3號線故障限速管理經(jīng)過試驗論證，安全性和可靠性均可保證。

2.2.2牽引系統(tǒng)測試

牽引系統(tǒng)測試包括低壓測試和小功率測試，牽引系統(tǒng)判斷測試條件成立后給出提示，在HMI上通過按鈕觸發(fā)測試，牽引系統(tǒng)自動進行測試，把測試結(jié)果反饋給TCMS，TCMS在顯示屏上進行顯示。

低壓測試的目的是在列車靜止，無高壓，低壓存在等測試條件成立的前提下，實現(xiàn)HSCB、充電接觸器和線路接觸器閉合和斷開時序的檢測。

小功率測試的目的是在列車靜止，高低壓存在等測試條件成立的前提下，實現(xiàn)HSCB、充電接觸器、線路接觸器、逆變器和制動電阻等相關(guān)牽引系統(tǒng)主要的部件是否正常工作。

2.3 制動系統(tǒng)

2.3.1保持制動施加、緩解

在人工駕駛模式下，有制動系統(tǒng)通過檢測車輛速度及牽引制動指令線的狀態(tài)自己判斷進行施加，在ATO模式下，通過DI采集信號輸出的保持制動施加指令線的狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)給制動系統(tǒng)，由制動系統(tǒng)施加保持制動。

保持制動的緩解由TCMS控制。在洗車模式下，TCMS檢測到車輛處于牽引狀態(tài)一段時間時，緩解保持制動；當(dāng)在非洗車模式下，TCMS檢測到牽引力達到40 kN或者速度大于3 km/h時，緩解保持制動。

2.3.2空壓機起停

TCMS根據(jù)主風(fēng)管壓力進行空壓機啟動控制，當(dāng)兩臺空壓機都能正常工作，且網(wǎng)絡(luò)正常通信的情況下，控制原則如下：

(1) 總風(fēng)壓力的傳感器位于兩個Mp車上，用于檢測總風(fēng)壓力，TCMS可以通過MVB網(wǎng)絡(luò)在Mp1車和Mp2車通信端口獲取BCU發(fā)送的總風(fēng)壓力數(shù)據(jù)。

(2) 空壓機管理按照Tc1先啟動，5 s后Tc2啟動，同時停的原則控制。(空壓機啟動信號為持續(xù)的電平信號，高電平有效。)當(dāng)總風(fēng)壓力小于800 kPa時，向兩臺空壓機發(fā)送啟動命令。當(dāng)總風(fēng)達到900 kPa 時，TCMS停止向空壓機發(fā)送啟動信號。

(3) 當(dāng)其中一個主風(fēng)管壓力不可用時，采用另一個的主風(fēng)管壓力值，當(dāng)兩個主風(fēng)管壓力值都不可用時，TCMS不對空壓機的啟動進行控制。啟動命令置0。

2.3.3制動測試

(1) 制動自檢

在HMI顯示屏“檢修-制動測試”界面上，觸發(fā)制動自檢命令。自檢準(zhǔn)備好的條件有BCU判斷，判斷的相關(guān)的條件如下：

①停放制動緩解

②列車處于非緊急制動狀態(tài)

③列車處于最大常用制動狀態(tài)(要求司控手柄處于最大常用制動狀態(tài))

④車輛處于零速

⑤制動塞門未隔離

(2) 制動級位試驗

施加停放制動后，在HMI的制動測試界面，觸發(fā)制動級位測試開始請求給BCU，BCU切除保持制動，操作手柄進行逐級的制動。在每一級制動完成后，BCU將“BC實測值”和“BC計算值”發(fā)送給TCMS，由TCMS判斷是否在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。(常用制動的壓力標(biāo)準(zhǔn)為±20 kPa，緊急制動為±30 kPa)

TCMS系統(tǒng)還包含能耗里程數(shù)據(jù)累積、擴展供電、空調(diào)控制、自動報站、視頻聯(lián)動等等功能，在此就不詳細(xì)介紹。

3 典型故障案例分析

3.1 案例1

2016年4月某日10306列太平園上行1車HMI花屏；司機重啟HMI空開后故障未消除，跟車人員在紅牌樓上車后回復(fù)：TCMS燈常亮，蜂鳴器未報警，HMI全屏花屏不能查看HMI信息，初步判斷為HMI屏顯示問題，不影響網(wǎng)絡(luò)正常運行，隨后列車限速60 km/h回段。故障現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 HMI花屏

該故障為典型的顯示屏屏顯問題，HMI屏內(nèi)核CPU正常運行、通信正常。通過TCMS狀態(tài)指示燈正常顯示可以清晰的判斷整個TCMS網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)無異常，牽引制動等子系統(tǒng)的狀態(tài)均正常。故障原因鎖定在屏幕或屏幕與CPU主板之間的連接線上，后查出故障顯示屏的線排接觸不良導(dǎo)致。該故障在成都4號線曾出現(xiàn)2次，判斷為批量問題，廠家批次屏全部返廠整改。

正線運營時出現(xiàn)該故障，可通過復(fù)位HMI顯示屏斷路器進行處置，若無法恢復(fù)，建議列車退出運營，司機操作備用模式后動車。

3.2 案例2

2016年5月某日，310列設(shè)備檢查時發(fā)現(xiàn)Tc1車、Tc2車顯示屏B路“報紅”，2、5 車中繼器指示燈狀態(tài)異常。由于MVB網(wǎng)絡(luò)為A、B兩路互為冗余，故整車網(wǎng)絡(luò)功能正常，不影響車輛正常運營。如圖7所示。

圖7 MVB網(wǎng)絡(luò)B通道顯紅

3.2.1故障排查

(1) 2016 年5月某日上車進行故障排查，發(fā)現(xiàn)兩頭司機室顯示屏 B 通道“報紅”，且故障狀態(tài)穩(wěn)定，表明顯示屏檢測到MVB總線B路異常。

(2) 2車和5車中繼器狀態(tài)異常。中繼器指示燈G2(G2不亮表示MVB總線2幀錯誤) 熄滅，表明B通道有錯誤幀或幀碰撞。

(3) 將整車MVB分為3個網(wǎng)段(即中繼器RPT設(shè)置前后區(qū)域Tc1MP1-M1-M2-MP2Tc2)進行檢查，將故障定位到Tc2車，然后將Tc2尺設(shè)備依次接入網(wǎng)絡(luò)，在接入VOBC設(shè)備時B通道顯紅，將其旁路后故障消除。

(4) 根據(jù)故障現(xiàn)象更換Tc2車VOBC的MVB板卡，更換后，B路狀態(tài)恢復(fù)正常。

(5) 第2天列檢時又發(fā)現(xiàn)B路狀態(tài)異常，現(xiàn)象是B路“閃紅”，觀察中繼器狀態(tài)指示燈，狀態(tài)正常。中繼器指示燈通?？梢苑从炒蟛糠志W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障狀態(tài)。對于中繼器狀態(tài)正常，但仍有網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定現(xiàn)象的情況，需再進行深入排查。

(6) 用線纜分析儀對整車線路進行校對，未見異常。

(7) 通過軟件對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口進行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)：位于 2 車門控器前后 的設(shè)備(BCU、EDCU、GW)有丟包現(xiàn)象，通過逐個設(shè)備排查，最后旁路2車1號門控器后，所有設(shè)備通信恢復(fù)正常，B路狀態(tài)恢復(fù)正常。因此，將2車1號門控器預(yù)防性更換。

3.2.2故障分析

(1) 經(jīng)過兩次故障排查，最終更換6車VOBC的MVB板卡和2車1號門控器設(shè)備后，B路狀態(tài)恢復(fù)正常。

(2) 6車VOBC的MVB板卡存在問題導(dǎo)致B路異常，需信號廠家分析。

用線纜分析儀對更換下來的2車1號門控器進行阻抗測試，發(fā)現(xiàn)A、B路阻抗存在明顯差異，A路阻抗為111歐姆，B路阻抗為126歐姆。

MVB線纜采用EMD介質(zhì)，IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定EMD介質(zhì)的特性組抗為(120±10%)Ω，阻抗有效范圍是108～132 Ω，該門控器A、B路的阻抗值也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但正常情況下，A路和B路的阻抗值應(yīng)該是比較接近的。

MVB 信號在線路傳輸?shù)倪^程中如果遇到阻抗不連續(xù)或不匹配的點，會形成反射，反射后可能會對其他信號產(chǎn)生干擾，與正常信號疊加或產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包。此類單個通道通訊異常的故障，對列車的正常運用無影響。

4 結(jié)束語

成都3號線列車TCMS系統(tǒng)采用了國內(nèi)城軌列車普遍使用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，功能實現(xiàn)以“設(shè)備導(dǎo)向安全”的理念進行設(shè)計，在調(diào)試及試運行過程中進行不斷的完善修正，目前運行相對穩(wěn)定可靠。