陳卓群

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部，廣州 511495）

為了保證地鐵車輛安全運營，地鐵車輛的制動系統(tǒng)通常設有常用制動、緊急制動、保持制動等制動功能。常用制動采用電空復合控制方式，優(yōu)先使用電制動，若電制動力不足則由空氣制動補充。緊急制動優(yōu)先于常用制動，具有故障導向安全功能，根據(jù)緊急安全回路的高低電平狀態(tài)分別緩解和施加純空氣制動，緊急制動可以由下列條件觸發(fā)：車輛后溜故障、蘑菇按鈕、列車超速、ATP系統(tǒng)等。保持制動采用一個固定制動力值，在車輛停車前的低速運行中空氣制動將代替電制動實施保持制動，它可避免車輛在坡道上停車和啟動時因溜車引發(fā)安全事故［1］。

某地鐵車輛設置有保持制動及車輛后溜故障由VCM觸發(fā)緊急制動功能。該車輛保持制動力為最大常用制動力的70%，確保車輛在AW3載荷下也能在線路最大坡道上停穩(wěn)和啟動不溜車。車輛由制動系統(tǒng)根據(jù)列車綜合速度及制動系統(tǒng)速度施加保持制動力，VCM根據(jù)車輛整車牽引力、列車速度緩解保持制動力。車輛后溜故障由牽引系統(tǒng)進行邏輯判斷，VCM根據(jù)收到的車輛后溜故障信息觸發(fā)車輛緊急制動功能。為避免車輛后溜問題，該車輛已設置保持制動功能與后溜故障觸發(fā)緊急制動功能，但運營3年后卻出現(xiàn)一起因VCM宕機導致的車輛后溜故障。

經(jīng)調查分析，該車輛原先設計的保持制動施加及車輛后溜故障觸發(fā)緊急制動功能具有一定缺陷，導致車輛在VCM宕機情況下出現(xiàn)后溜。

1 故障經(jīng)過及現(xiàn)象

1.1 故障現(xiàn)象

某地鐵列車以ATO模式駕駛，進站過程中車輛HMI（人機交換界面）出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，列車在自動停車后出現(xiàn)后溜，司機通過操作快速制動使列車停穩(wěn)。

通過回放列車監(jiān)控視頻，發(fā)現(xiàn)列車后溜時：

（1）列車自出現(xiàn)HMI黑屏后至自動停車，氣制動施加燈不亮。

（2）列車在自動停車后制動氣壓表制動壓力為0，制動處于緩解狀態(tài)。

（3）自HMI出現(xiàn)黑屏至車輛溜車前，司機未進行任何操作。

1.2 故障履歷數(shù)據(jù)

檢查車輛故障履歷數(shù)據(jù)如圖1所示，發(fā)現(xiàn)車輛HMI黑屏時整車所有子系統(tǒng)與A1車VCM（主用）均出現(xiàn)通信故障，可以判斷此時A1車VCM通信異常。

圖1 通信故障履歷

2 車輛溜車保護設計

2.1 保持制動設計邏輯

保持制動是為防止車輛在停車前的沖動，使車輛平穩(wěn)停車，由制動控制系統(tǒng)執(zhí)行內部設定的程序。制動系統(tǒng)施加保持制動具有4個條件，當且僅當4個條件全部滿足，列車才允許施加保持制動，如圖2所示。

圖2 保持制動控制邏輯

（1）本軸速度小于0.5 km/h；

（2）TCMS綜合速度速度小于10 km/h；

（3）本CAN網(wǎng)段拖車第一個轉向架最大軸速度小于10 km/h；

（4）本架制動系統(tǒng)最大軸速度小于5 km/h。

若車輛滿足制動系統(tǒng)施加保持制動條件，保持制動施加邏輯如下：在VCM生命信號有效時，當網(wǎng)絡牽引指令無效則制動系統(tǒng)施加保持制動；在VCM生命信號無效時，當硬線牽引指令無效則制動系統(tǒng)施加保持制動。

2.2 車輛在后溜時觸發(fā)緊急制動設計邏輯

故障車輛設計具備在后溜時起緊急制動的功能：TCMS根據(jù)牽引系統(tǒng)傳輸?shù)能囕v后溜故障信息，由VCM輸出接口驅動車輛安全回路掉電，使得車輛產生緊急制動停車。

牽引系統(tǒng)負責判斷車輛后溜故障，如圖3所示。當牽引系統(tǒng)判斷出主控手柄方向和牽引電機的實際方向不一致，只要以下任意1個條件有效則牽引系統(tǒng)觸發(fā)后溜故障邏輯：

圖3 后溜故障判斷邏輯

（1）溜車速度大于1 km/h且溜車時間超過0.2 s。

（2）溜車持續(xù)時間大于10 s。

（3）溜車距離大于0.4 m。

車輛只要滿足以下任一條件，牽引系統(tǒng)對后溜故障進行復位：

（1）硬線制動指令有效持續(xù)5 s及以上。

（2）硬線緊急制動指令持續(xù)2 s及以上。

（3）DCU內部出現(xiàn)生命信號故障。

在TCMS正常時，牽引系統(tǒng)將后溜故障狀態(tài)反饋至VCM，由VCM觸發(fā)車輛后溜導致的緊急制動。TCMS通過VCM實現(xiàn)車輛緊急制動控制功能，TCMS在2個 單元車分 別 配置1個VCM進行 熱備冗余。一單元VCM為主用，二單元備用VCM實時監(jiān)測主VCM的狀態(tài)，當主VCM出現(xiàn)故障或信號干擾時，備用VCM將接管主VCM的職責，行使所有的總線管理和控制功能，VCM的緊急制動硬線接口控制功能如圖4所示。

圖4 VCM緊急制動輸出接口

當TCMS收到牽引系統(tǒng)的后溜故障信息時，主用VCM在經(jīng)過邏輯計算后，通過接口模塊觸發(fā)VCM緊急制動，控制緊急制動繼電器EB上電，EB繼電器常閉觸點隨即斷開，安全回路掉電后控制車輛施加緊急制動。

3 溜車原因分析

3.1 事件記錄儀數(shù)據(jù)分析

故障時段TCMS事件記錄波形如圖5所示。通過事件記錄波形，復位故障信息如下。在t0～t4時段，VCM生命信號與車輛綜合速度信號均出現(xiàn)卡滯不變故障情況，其中VCM計算得出的綜合速度保持為VCM故障前的64 km/h，對比制動系統(tǒng)軸速與牽引系統(tǒng)電機綜合轉速變化情況可知，車輛實際處于減速過程，可以以此判斷該時段VCM宕機，主從VCM切換失敗；t1～t2時段，根據(jù)制動軸速為0而所有制動緩解信號高電平可知，車輛在VCM癱瘓情況下停車且未施加氣制動；t2～t3時段8 s內，車輛在牽引指令低電平及制動指令高電平、所有制動緩解信號高電平即氣制動未施加情況下出現(xiàn)溜車，溜車速度約0.2 km/h，后溜距離約0.4 m，期間牽引系統(tǒng)檢測到后溜，后溜故障在牽引系統(tǒng)受到制動指令持續(xù)5 s后復位；t3時刻，司機在發(fā)現(xiàn)車輛溜車后，通過操作主控手柄施加快速制動停車；t4時刻，VCM生命信號恢復跳變，TCMS系統(tǒng)恢復正常。

圖5 故障波形圖

3.2 溜車原因

針對VCM宕機、主從2個VCM切換失敗問題，組織供應商技術人員進行現(xiàn)場調查，發(fā)現(xiàn)宕機原因為故障時PIDS交換機出現(xiàn)網(wǎng)絡風暴，PIDS交換機通過接口同時向主從2個VCM發(fā)送了大量數(shù)據(jù)，VCM均在超負荷工作下出現(xiàn)宕機。在VCM宕機時，車輛存在2個問題，分別是車輛在故障時未施加保持制動、后溜故障時VCM未主動施加緊急制動。

車輛在故障時未施加保持制動。根據(jù)保持制動設計邏輯，制動系統(tǒng)施加保持制動的充分條件之一是VCM計算得出的列車TCMS綜合速度小于10 km/h。網(wǎng)絡模式下本地速度傳感器故障，會導致車輛在運行中制動系統(tǒng)錯誤施加保持制動，造成帶閘跑車的風險。因此，在保持制動施加邏輯中，需考慮列車綜合速度。在t0～t4的故障時段，因VCM宕機導致列車綜合速度保持為故障前的64 km/h。制動系統(tǒng)收到錯誤的列車綜合速度，該異常速度超過10 km/h，不滿足制動系統(tǒng)施加保持制動的條件，因此車輛未能施加保持制動。

車輛在后溜故障時VCM未主動施加緊急制動。根據(jù)車輛在后溜時觸發(fā)緊急制動設計邏輯，當溜車距離大于0.4 m且無后溜故障復位信號時，牽引系統(tǒng)發(fā)出后溜故障信息，VCM根據(jù)后溜故障驅動EB緊急制動繼電器上電，從而控制車輛安全回路斷電。t2～t3時段，在車輛溜車時，牽引系統(tǒng)檢測到后溜故障，TCMS也收到該故障反饋。故障時VCM宕機，不進行邏輯計算，未能驅動EB緊急制動繼電器上電，安全回路保持上電狀態(tài)，故車輛未能通過VCM施加緊急制動，不符合“故障導向安全”原則。

4 解決措施

由于VCM宕機風險無法杜絕，為徹底避免車輛在VCM宕機后出現(xiàn)保持制動無法施加或車輛檢測到后溜時無法施加緊急制動的情況，必須對VCM宕機后制動系統(tǒng)保持制動施加邏輯及VCM緊急制動邏輯加以完善，同時還需對司機故障處理指南進行優(yōu)化。

4.1 制動系統(tǒng)保持制動施加邏輯優(yōu)化

在制動系統(tǒng)軟件中修正網(wǎng)絡故障后，未清除無效的列車綜合速度的問題。當VCM生命信號有效時，制動系統(tǒng)將原來的4個條件作為施加保持制動的前提。當VCM生命信號無效以后，制動系統(tǒng)取消將VCM計算得出的列車綜合速度作為保持制動施加的前提條件之一，只保留以下3個條件作為保持制動施加的充分條件：

（1）本軸速度小于0.5 km/h；

（2）本架制動系統(tǒng)最大軸速度小于5 km/h；

（3）本CAN網(wǎng)段拖車第一個轉向架最大軸速度小于10 km/h。

4.2 車輛在VCM宕機時導向安全

接口電路將緊急制動繼電器EB串入安全回路的常閉觸點替換為常開觸點。在VCM正常且VCM未觸發(fā)緊急制動條件時，VCM驅動EB繼電器上電，EB繼電器的常開觸點閉合，安全回路上電，車輛緩解緊急制動。在VCM異常宕機時，由于VCM不進行邏輯計算，未能驅動EB繼電器上電，EB繼電器的常開觸點斷電，安全回路掉電，車輛施加緊急制動，符合“故障導向安全”原則，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后VCM緊急制動輸出接口

4.3 其他措施

為了規(guī)范VCM宕機故障下司機操作，可編制司機操作指引，并要求司機在HMI黑屏等故障現(xiàn)象下通過操作快速制動控制列車停車，將車輛駕駛模式切換至緊急牽引模式。此外，車輛專業(yè)技術員應督促PIDS專業(yè)針對交換機網(wǎng)絡風暴問題，制定交換機端口帶寬限制及廣播報文抑制措施，確保車輛與PIDS接口工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4.4 優(yōu)化結果

采用上述優(yōu)化措施對保持施加邏輯及VCM緊急制動邏輯進行優(yōu)化后，列車在運行過程中，通過斷開主用及備用VCM電源以模擬VCM宕機，車輛立即施加緊急制動直至停車，當列車停穩(wěn)后，制動系統(tǒng)仍能有效施加氣制動。以上驗證結果表明，上述優(yōu)化措施可杜絕整車VCM宕機后的溜車問題。

5 結論

分析某地鐵車輛在VCM宕機后出現(xiàn)后溜的故障原因，得出該車輛制動系統(tǒng)在故障下仍將VCM綜合速度作為保持制動施加的條件之一，導致車輛無法施加保持制動。此外，在牽引系統(tǒng)檢測到車輛后溜時，車輛原設計的由VCM觸發(fā)后溜故障導致的緊急制動失效，不符合故障導向安全原則。針對以上缺陷，分別對制動系統(tǒng)保持制動施加邏輯、車輛在VCM宕機后緊急制動導向安全進行優(yōu)化，以上措施可有效防止車輛在VCM宕機后出現(xiàn)的溜車風險。