廣州地鐵4號線列車無人自動折返駕駛功能失效原因及解決方法

鄭 睿 黎 鵬 李少帥

(廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部,510030,廣州∥第一作者,助理工程師)

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廣州地鐵4號線列車無人自動折返駕駛功能失效原因及解決方法

鄭 睿 黎 鵬 李少帥

(廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部,510030,廣州∥第一作者,助理工程師)

對廣州地鐵4號線列車無法實現(xiàn)無人自動折返駕駛的問題進(jìn)行了深入分析,提出相關(guān)控制電路的改造方法,解決了廣州地鐵4號線列車終點站無法實現(xiàn)無人自動折返駕駛的技術(shù)難題,提高了列車在終點站的折返能力。

地鐵; 列車無人自動折返駕駛; 控制電路; 繼電器

Author′s address Operation Division of Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510030,Guangzhou,China

廣州地鐵4號線工程建設(shè)交付運營后很長一段時期內(nèi),仍無法實現(xiàn)列車無人自動折返駕駛(Driverless Train Reversal Operation,DTRO)功能,正線列車運營至終點站后始終采用列車自動駕駛系統(tǒng)(Automatic Train Operation,ATO)進(jìn)行折返。列車采用ATO模式折返時,兩端司機室必須分別安排司機登乘并操作ATO按鈕,使列車進(jìn)入ATO模式下進(jìn)行折返。此折返模式的折返效率較低,不便于司機交接班且操作也較為繁瑣。而列車DTRO模式在ATO模式基礎(chǔ)上對折返操作進(jìn)行了優(yōu)化,若列車改用DTRO模式在終點站進(jìn)行折返,則可有效提高列車的折返能力和司機的通勤效率。為此,本文對廣州地鐵4號線列車無法實現(xiàn)DTRO折返功能的現(xiàn)狀進(jìn)行了深入調(diào)查分析。

1 DTRO折返功能調(diào)試

在折返功能調(diào)試過程中,列車以DTRO模式駕駛時無法向前牽引。查看列車管理系統(tǒng)(Train Management System,TMS)顯示屏監(jiān)視器,發(fā)現(xiàn)牽引控制單元已接收到前向及牽引指令(見圖1),且列車已經(jīng)進(jìn)入向前牽引模式,但整列車牽引電機均無牽引電流(見圖2)。此時,制動控制單元接收到牽引指令,作出緩解整列車制動力的響應(yīng)(見圖3)。

圖1 列車前向指令與牽引指令輸出顯示

圖2 整車無牽引電流

圖3 整車氣制動狀態(tài)

正常情況下,當(dāng)牽引控制單元收到前向指令、牽引指令和牽引參考值時,列車即可進(jìn)入向前牽引的工作模式,使列車向前牽引。上述調(diào)試結(jié)果說明列車以DTRO模式起動時,牽引控制單元收到的牽引參考值存在異常。

2 原因分析

廣州地鐵4號線列車牽引/制動參考值的傳遞方式有兩種:一種是通過列車硬線方式傳遞,另一種是通過列車網(wǎng)絡(luò)傳遞。列車牽引控制單元和制動控制單元優(yōu)先使用硬線傳遞的牽引/制動參考值執(zhí)行牽引/制動控制,網(wǎng)絡(luò)值作為備份。在ATO模式下,由車載控制單元(On-Board Control Unit,OBCU)給出牽引/制動參考值(見圖4)。列車管理系統(tǒng)通過 ATO模式繼電器(Automatic Train Operation Mode Relay,ATOMR)的狀態(tài)來判斷列車的駕駛模式。

ATO模式下,OBCU發(fā)出0～20 mA模擬量信號,經(jīng)過I/V模塊轉(zhuǎn)換后輸出0～10 V電壓信號到PWM(脈寬調(diào)制)發(fā)生器(見圖5),再經(jīng)過PWM發(fā)生器處理后輸出脈寬調(diào)制信號,由列車硬線方式傳遞給牽引控制單元和制動控制單元。

圖4 OBCU與TMS網(wǎng)絡(luò)通訊圖

圖5 PWM發(fā)生器相關(guān)電路圖

因為考慮到網(wǎng)絡(luò)信號傳輸延遲可能會影響列車進(jìn)站停車精度,所以在設(shè)計最初階段要求ATO模式下不進(jìn)行傳輸備份控制。因此,列車在ATO模式下不具備網(wǎng)絡(luò)備份的功能,即OBCU無法通過網(wǎng)絡(luò)輸出模擬量信號,列車牽引/制動參考值不能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。

當(dāng)OBCU發(fā)出模擬量信號后,PWM發(fā)生器根據(jù)接收到的電壓大小,輸出頻率為400 Hz、脈沖寬度可調(diào)的方波,其占空比范圍為7.5%～45.0%。從硬線輸入PWM發(fā)生器的電壓信號與PWM發(fā)生器輸出信號占空比的關(guān)系詳見圖6。

圖6 PWM占空比與輸入電壓關(guān)系

從圖6可知,當(dāng)硬線輸入PWM發(fā)生器的電壓信號小于1 V時,PWM發(fā)生器將持續(xù)輸出占空比為7.5%的偏壓脈沖,但牽引控制單元判定該偏壓脈沖為無效PWM信號,列車無法正常起動。當(dāng)硬線輸入PWM發(fā)生器的電壓信號達(dá)到1 V時,即PWM發(fā)生器輸出的最小脈沖信號占空比達(dá)到11.3%時,牽引控制單元判定該PWM信號有效,列車可以正常起動。此后,隨著硬線輸入PWM發(fā)生器的電壓信號的逐步增大,PWM發(fā)生器輸出的脈沖信號占空比隨之增大。

根據(jù)圖7可知,列車牽引/制動參考值在下述兩種情況下會切換為網(wǎng)絡(luò)備份模式：第一種情況，在前向指令或后向指令有效情況下,當(dāng)PWM發(fā)生器直流輸入電壓在3 000 ms內(nèi)持續(xù)小于0.6 V或大于等于5 V,即PWM發(fā)生器的信號輸入電壓<0.6 V且≥5 V時,切換為網(wǎng)絡(luò)備份模式;當(dāng)PWM發(fā)生器直流輸入電壓在1 000 ms內(nèi)持續(xù)大于等于0.6 V且小于5 V,即PWM發(fā)生器的信號輸入電壓<5 V并≥0.6 V時,采用硬線牽引/制動參考值。第二種情況，在牽引信號或制動信號有效情況下,當(dāng)PWM發(fā)生器直流輸入電壓在3 000 ms內(nèi)持續(xù)小于1 V,即PWM發(fā)生器的信號輸入電壓<1.0 V,切換為網(wǎng)絡(luò)備份模式;當(dāng)PWM發(fā)生器直流輸入電壓在1 000 ms內(nèi)持續(xù)大于1 V,即PWM發(fā)生器的信號輸入電壓≥1.0 V,采用硬線牽引/制動參考值。

利用示波器采集DTRO折返調(diào)試過程的PWM信號與牽引信號變化如圖8所示。當(dāng)列車以DTRO模式起動時,牽引指令發(fā)出前PWM有效信號(PWM發(fā)生器輸入電壓<5 V且≥0.6 V)持續(xù)時間約為220 ms,此前均為無效PWM信號(PWM發(fā)生器輸入電壓為0)。對比牽引系統(tǒng)邏輯控制時序圖可知,由于PWM有效信號低于持續(xù)1 000 ms的延時要求,不能恢復(fù)PWM硬線模式,導(dǎo)致列車在牽引指令發(fā)出前就已經(jīng)切換為PWM網(wǎng)絡(luò)備份模式,因此牽引系統(tǒng)不響應(yīng)硬線發(fā)出的PWM參考值,最終造成DTRO模式下列車無法動車。

圖7 牽引系統(tǒng)控制邏輯圖

結(jié)合電路原理圖進(jìn)一步分析列車ATO模式下與DTRO模式下硬線PWM參考值輸出的差別:當(dāng)列車以ATO模式起動時,主控繼電器(Main Control Relay 3,MCR3)被主控鑰匙激活后持續(xù)得電,PWMR繼電器(PWM Relay,PWMR)隨之得電(見圖9)。因此PWM發(fā)生器持續(xù)輸出PWM脈沖信號至牽引逆變器,此時硬線輸出有效信號,PWM不會切換為網(wǎng)絡(luò)備份模式。

而列車以DTRO模式起動過程中,列車先進(jìn)入折返模式,自動折返繼電器(Auto Return Relay,ARR)得電使列車保持主控鑰匙激活,隨后司機關(guān)閉主控鑰匙,此時主控繼電器MCR3不得電(見圖10),PWMR繼電器隨之不得電。當(dāng)DTRO模式起動時,信號系統(tǒng)控制列車發(fā)出牽引指令,同時控制PWMR繼電器得電吸合,而在牽引信號出現(xiàn)前PWM信號持續(xù)時間僅為220 ms,導(dǎo)致PWM切換為網(wǎng)絡(luò)備份模式,造成列車無法起動列車。

圖8 PWM信號與牽引信號的波形對比圖

圖9 MCR3觸點接線圖

圖10 主控繼電器控制原理圖

至此,可確認(rèn)4號線列車DTRO起動失敗的原因為:列車以DTRO模式動車時PWM硬線信號持續(xù)時間過短,導(dǎo)致牽引系統(tǒng)無法識別PWM硬線信號,從而PWM切換為網(wǎng)絡(luò)備份模式,此模式下牽引系統(tǒng)不響應(yīng)PWM硬線信號,最終導(dǎo)致無法起動列車。

3 解決方法

綜合上述分析,為保證列車能在DTRO模式下正常起動,可采用對相關(guān)控制電路進(jìn)行優(yōu)化改造的方式,避免DTRO模式折返時出現(xiàn)PWMR繼電器失電，從而解決PWM硬線有效信號持續(xù)時間過短的問題。

對控制電路進(jìn)行優(yōu)化改造時,將控制PWMR繼電器得電的MCR3常開觸點替換為MCR1常開觸點(見圖11),使PWMR繼電器提前得電,即可解決PWM硬線有效信號持續(xù)時間過短的問題,改造后列車在DTRO模式下成功地起動了列車。由于MCR1與MCR3同為主控繼電器,其功能與作用基本一致,所以改變常開觸點對列車控制沒有任何影響。改造后使用示波器采集DTRO模式折返過程下PWM信號與牽引信號變化如圖12所示。

圖11 MCR1觸點接線圖

圖12 改造后PWM信號與牽引信號的波形對比圖

4 結(jié)語

本文根據(jù)地鐵運營實際需要,對廣州地鐵4號線正線運營列車終點站無法實現(xiàn)DTRO折返問題進(jìn)行了深入分析。以PWM參考值為切入點,對比分析了列車ATO模式與DTRO模式PWM參考值輸出的差別,找出了列車無法實現(xiàn)DTRO折返的原因,給出了相應(yīng)的解決方法。通過對PWMR繼電器控制電路的改進(jìn),使列車成功實現(xiàn)了DTRO折返功能,有效提高了列車在終點站的折返能力。

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Driverless Train Reversal Operation Failure on Guangzhou Metro Line 4 and Solutions

ZHENG Rui, LI Peng, LI Shaoshuai

The reasons that the train of Guangzhou metro Line 4 can not realize driverless train reversal operation are thoroughly analyed, relevant suggestions to optimize the control circuit are put forward. It will solve the technical difficulties for driverless train reversal operation failure at the terminal of Guangzhou metro Line 4, effectively improve the ability of train turn-back capacity at the terminal.

metro; driverless train reversal operation; control circut; relay

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.015

2016-05-09)