趙 虹 黃海霞 梁汝軍

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 210031， 南京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

地鐵車輛信號(hào)系統(tǒng)故障導(dǎo)致信號(hào)狀態(tài)丟失，直接影響到列車的行車安全、運(yùn)營(yíng)效率及服務(wù)質(zhì)量。為提高信號(hào)系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)營(yíng)效率，國(guó)內(nèi)各城市大多數(shù)地鐵列車已采用雙端冗余信號(hào)系統(tǒng)，即：一套車載ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)為主用；另外一套車載ATC系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)[1]，車載ATC系統(tǒng)頭尾冗余配置見(jiàn)圖1。當(dāng)前端車載ATC系統(tǒng)出現(xiàn)故障并自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到尾端，備用車載ATC系統(tǒng)可以根據(jù)其當(dāng)前模式狀態(tài)自動(dòng)接管列車防護(hù)控制。通常兩套系統(tǒng)接管時(shí)會(huì)存在500 ms延時(shí)，為避免在此期間信號(hào)狀態(tài)丟失而影響列車正常運(yùn)行，需對(duì)車輛控制電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，配合信號(hào)系統(tǒng)無(wú)縫切換，保證車載ATC系統(tǒng)冗余切換的可用性、穩(wěn)定性。

注：VOBC為車載控制器;TAU為車載接入單元;OBG為車載網(wǎng)關(guān);TOD為司機(jī)顯示單元;TIMS為列車控制和管理系統(tǒng);MPU1、MPU2分別為主處理單元1、2;PPU為外圍處理單元;LAN為局域網(wǎng)；BTM為查詢應(yīng)答器天線;LTE為長(zhǎng)期演進(jìn);M為無(wú)受電弓的動(dòng)車；Mp為有受電弓的動(dòng)車。

1 地鐵車載ATC系統(tǒng)冗余切換流程

如當(dāng)車載ATC系統(tǒng)主處理器單元、加速度計(jì)、信標(biāo)天線、速度傳感器、接近傳感器和外圍處理單元等的硬件或軟件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致主用車載ATC系統(tǒng)宕機(jī)[2]，車載ATC系統(tǒng)會(huì)中斷所有對(duì)車輛的輸出及牽引制動(dòng)模擬量信號(hào)，進(jìn)入冗余切換狀態(tài)。車載ATC系統(tǒng)冗余切換流程如下：

1) 主用車載ATC系統(tǒng)檢測(cè)到硬件或軟件故障，并切換至移交狀態(tài)。在移交狀態(tài)下主用車載ATC系統(tǒng)輸出給車輛的緊急制動(dòng)信號(hào)中斷，其他控車指令隨即丟失[3]。信號(hào)冗余切換中斷指令時(shí)序見(jiàn)圖2。

注：T1為冗余切換時(shí)間。圖2 車載ATC系統(tǒng)冗余切換中斷指令時(shí)序圖

2) 備用車載ATC系統(tǒng)檢測(cè)到主用車載ATC系統(tǒng)的在線工作狀態(tài)指令斷開(kāi)，準(zhǔn)備進(jìn)入激活狀態(tài)。

3) 備用車載ATC系統(tǒng)在500 ms內(nèi)接管主用系統(tǒng)并轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)后，激活對(duì)車輛的所有輸出，包括緊急制動(dòng)相關(guān)的指令。

4) 主用車載ATC系統(tǒng)檢測(cè)到備用車載ATC系統(tǒng)的在線工作狀態(tài)指令時(shí)，進(jìn)入到非激活狀態(tài)，完成無(wú)擾切換。

5) 備用車載ATC系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元和列車控制信號(hào)線恢復(fù)到切換前的狀態(tài)，并恢復(fù)對(duì)車輛的所有輸出，進(jìn)而對(duì)列車進(jìn)行控制和防護(hù)。

2 車載ATC系統(tǒng)冗余切換時(shí)的車輛狀態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)

車載ATC系統(tǒng)發(fā)生的故障無(wú)法預(yù)期，車載ATC系統(tǒng)冗余切換可能出現(xiàn)在車站站臺(tái)區(qū)域或列車不同運(yùn)行場(chǎng)景中，因此車輛應(yīng)對(duì)措施也不盡相同。

2.1 車輛靜止時(shí)的車載ATC系統(tǒng)切換控制

當(dāng)列車停在站臺(tái)區(qū)域處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，車載ATC輸出門(mén)使能信號(hào)、開(kāi)/關(guān)門(mén)信號(hào)、零速信號(hào)、制動(dòng)指令及緊急制動(dòng)高電平信號(hào)，保證乘客安全上下車。此時(shí)如果主控車載ATC系統(tǒng)突發(fā)故障，進(jìn)入冗余切換狀態(tài)，ATC端口輸出的門(mén)使能信號(hào)、開(kāi)/關(guān)門(mén)信號(hào)、零速信號(hào)、制動(dòng)指令及緊急制動(dòng)高電平信號(hào)丟失，列車緊隨指令丟失進(jìn)入戒備狀態(tài)。

2.1.1 車門(mén)系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)門(mén)指令

列車車門(mén)的開(kāi)/關(guān)由EDCU(門(mén)控器)控制，并根據(jù)開(kāi)門(mén)信號(hào)、關(guān)門(mén)信號(hào)、門(mén)使能信號(hào)、零速信號(hào)的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)門(mén)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)車門(mén)的開(kāi)/關(guān)功能。車門(mén)動(dòng)作邏輯見(jiàn)表1。

表1 車門(mén)動(dòng)作邏輯

由表1可知，車載ATC系統(tǒng)故障單元(以下簡(jiǎn)為“控制系統(tǒng)故障單元”)輸出的門(mén)使能信號(hào)、開(kāi)/關(guān)門(mén)信號(hào)丟失后車門(mén)狀態(tài)仍保持；但是列車零速信號(hào)作為車門(mén)ATC系統(tǒng)安全輸入信號(hào)，其丟失后車門(mén)執(zhí)行關(guān)門(mén)指令。當(dāng)站臺(tái)區(qū)域列車車門(mén)打開(kāi)，上下客途中，車載ATC系統(tǒng)進(jìn)行冗余切換，出現(xiàn)列車零速信號(hào)500 ms短暫丟失，導(dǎo)致車門(mén)意外關(guān)閉，造成乘客恐慌甚至夾傷風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 制動(dòng)系統(tǒng)施加緊急制動(dòng)

控制系統(tǒng)故障單元輸出的緊急制動(dòng)信號(hào)丟失時(shí)，車輛的緊急制動(dòng)回路斷開(kāi)，車輛觸發(fā)緊急制動(dòng)。由于列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此列車不受影響。

2.2 車輛運(yùn)行中的車載ATC系統(tǒng)冗余切換

在ATC控車的情況下，列車高速運(yùn)行過(guò)程中，主用車載ATC系統(tǒng)因故障宕機(jī)時(shí)，車輛的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)如下：

1) 制動(dòng)系統(tǒng)施加緊急制動(dòng)。列車高速運(yùn)行時(shí)突發(fā)主用車載ATC系統(tǒng)因故障切換至備用系統(tǒng)時(shí)，控制系統(tǒng)故障單元輸出的緊急制動(dòng)信號(hào)丟失，車輛緊急制動(dòng)回路斷開(kāi)，車輛觸發(fā)緊急制動(dòng)。車輛緊急制動(dòng)只采用純空氣制動(dòng)，作用比較迅猛，通過(guò)最大制動(dòng)力保證列車在規(guī)定距離內(nèi)安全停車。在此過(guò)程中，由于慣性因素強(qiáng)大沖擊力導(dǎo)致乘客意外摔倒。緊急制動(dòng)不可自動(dòng)恢復(fù)，必須停車后進(jìn)行人工恢復(fù)。

2) 牽引系統(tǒng)切除牽引，車輛惰行。車載ATC系統(tǒng)輸出牽引控車命令，牽引力模擬量丟失，牽引系統(tǒng)監(jiān)控緊急制動(dòng)回路狀態(tài)并封鎖牽引，此時(shí)車輛執(zhí)行惰性狀態(tài)。

3 車輛控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

車載ATC系統(tǒng)切換過(guò)程中。主用車載ATC系統(tǒng)會(huì)中斷所有對(duì)車輛的輸出信號(hào)，導(dǎo)致站臺(tái)區(qū)域車門(mén)意外關(guān)閉及車輛施加緊急制動(dòng)停車問(wèn)題。對(duì)車輛控制電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證主用和備用車載ATC系統(tǒng)的無(wú)縫切換。

3.1 列車零速信號(hào)優(yōu)化

列車零速信號(hào)可由信號(hào)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)輸出，列車采用零速繼電器得電與否代替零速狀態(tài)。零速繼電器控制電路如圖3所示。

圖3 零速繼電器控制電路Fig.3 Zero speed relay control circuit

在ATC控車情況下，制動(dòng)系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)輸出的零速信號(hào)不參與控車，僅靠信號(hào)系統(tǒng)輸出的零速信號(hào)控制列車零速繼電器狀態(tài)。列車停穩(wěn)到站臺(tái)后，車輛零速狀態(tài)由ATC系統(tǒng)速度傳感器精確算出，ATC系統(tǒng)對(duì)自身輸出的零速狀態(tài)回采及監(jiān)控，保證了輸出零速信號(hào)的安全可靠。當(dāng)車載ATC系統(tǒng)在站臺(tái)區(qū)域冗余切換時(shí)，零速信號(hào)丟失導(dǎo)致車門(mén)意外關(guān)閉。為避免此風(fēng)險(xiǎn)，車輛控制電路設(shè)計(jì)時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)輸出端口零速繼電器采用掉電延時(shí)繼電器。掉電延時(shí)繼電器有多種規(guī)格，其延時(shí)分別為0.25 s、0.50 s、1.00 s，甚至更長(zhǎng)。考慮車載設(shè)備兩端主機(jī)500 ms切換時(shí)間、30 ms繼電器動(dòng)作時(shí)間及50 ms列車控制信號(hào)線傳輸延時(shí)等因素，選用延時(shí)為1 s的延時(shí)繼電器。主用ATC故障丟失零速輸出信號(hào)時(shí)，零速延時(shí)繼電器線圈不會(huì)立即斷電，延時(shí)1 s后斷電，完全覆蓋了備用車載ATC系統(tǒng)500 ms切換時(shí)間、繼電器動(dòng)作時(shí)間及列車控制信號(hào)線傳輸延時(shí)。列車零速信號(hào)時(shí)序見(jiàn)圖4。

盡管ATC系統(tǒng)冗余切換會(huì)導(dǎo)致零速信號(hào)指令丟失，在掉電延時(shí)繼電器延時(shí)1 s失電的過(guò)程中，列車車門(mén)能正常收到零速信號(hào)；當(dāng)備用車載ATC系統(tǒng)接管后，輸出零速信號(hào)，通過(guò)延時(shí)繼電器保證了車門(mén)開(kāi)關(guān)保持原有狀態(tài)。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)而言，列車本身即為零速狀態(tài)，延時(shí)繼電器不會(huì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)造成任何影響，同時(shí)也避免了造成乘客恐慌或被夾傷的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 列車零速信號(hào)時(shí)序圖Fig.4 Time sequence diagram of train zero speed signal

3.2 緊急制動(dòng)電路優(yōu)化

車輛制動(dòng)系統(tǒng)性能需滿足BS EN 13452-1—2003的相關(guān)要求。假設(shè)平直軌道上列車的制動(dòng)初始參考速度為80 km/h，列車運(yùn)行速度從80 km/h減速至0的過(guò)程中，緊急制動(dòng)平均減速度為1.2 m/s2，緊急制動(dòng)瞬時(shí)減速度1.32 m/s2。根據(jù)車輛制動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算可知，制動(dòng)閥的打開(kāi)系統(tǒng)空走時(shí)間t10(即制動(dòng)缸壓力為最大純空氣制動(dòng)力的0～10%)為0.2 s,制動(dòng)建立時(shí)間t90(即制動(dòng)缸壓力為最大純空氣制動(dòng)力的10%～90%)為1.3 s。車輛緊急制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)缸壓力如圖5所示。

圖5 車輛制動(dòng)缸壓力-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖5可見(jiàn)，車載ATC系統(tǒng)冗余切換間隔時(shí)間為500 ms，制動(dòng)缸壓力為最大純空氣制動(dòng)力的20%～30%。此時(shí)相比于列車制動(dòng)到停車狀態(tài)，沖擊力并非很大。倘若備用車載ATC系統(tǒng)在500 ms內(nèi)接管并自動(dòng)恢復(fù)到切換前的狀態(tài)，無(wú)需停車重新起動(dòng)，這樣可降低乘客摔倒的風(fēng)險(xiǎn)概率。為此，在車輛控制電路的設(shè)計(jì)階段需結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的指令，搭建好冗余切換成功后緊急制動(dòng)自動(dòng)緩解、牽引恢復(fù)的電路[4]。在備用車載ATC系統(tǒng)接管電路后，立即輸出緊急制動(dòng)復(fù)位信號(hào)，將此信號(hào)并聯(lián)于緊急制動(dòng)回路中的零速自鎖電路上，通過(guò)旁路車輛緊急制動(dòng)電路中的零速觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)非零速下的緊急制動(dòng)電路復(fù)位，從而恢復(fù)因車載ATC系統(tǒng)切換而中斷的緊急制動(dòng)電路。車輛緊急制動(dòng)控制電路如圖6所示。

圖6 車輛緊急制動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)圖

備用車載ATC系統(tǒng)接管后，無(wú)需制動(dòng)至停車狀態(tài)即可緩解緊急制動(dòng)回路，制動(dòng)缸產(chǎn)生的20%～30%的壓力值將在2～5 s內(nèi)緩解。備用車載ATC控制系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出牽引授權(quán)信號(hào)及牽引命令，且在2～5 s后施加牽引力。此時(shí)列車恢復(fù)至ATC系統(tǒng)切換前的運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)對(duì)列車運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)雙端冗余系統(tǒng)的無(wú)縫切換，車輛需從零速信號(hào)、緊急制動(dòng)信號(hào)及牽引制動(dòng)控車信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免車載設(shè)備故障進(jìn)入冗余切換期間信號(hào)狀態(tài)丟失而影響列車正常運(yùn)行。此方案已在南京、合肥、杭州等多個(gè)城市的軌道交通項(xiàng)目中得到成熟運(yùn)用。通過(guò)車輛控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)保證信號(hào)系統(tǒng)冗余切換的可用性、穩(wěn)定性，進(jìn)而提高列車的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)也為其他設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。