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， 高級工程師)

地鐵車輛信號系統(tǒng)故障導(dǎo)致信號狀態(tài)丟失，直接影響到列車的行車安全、運營效率及服務(wù)質(zhì)量。為提高信號系統(tǒng)的可靠性及運營效率，國內(nèi)各城市大多數(shù)地鐵列車已采用雙端冗余信號系統(tǒng)，即：一套車載ATC(列車自動控制)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)頭尾冗余配置見圖1。當(dāng)前端車載ATC系統(tǒng)出現(xiàn)故障并自動跳轉(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)自動接管列車防護控制。通常兩套系統(tǒng)接管時會存在500 ms延時，為避免在此期間信號狀態(tài)丟失而影響列車正常運行，需對車輛控制電路進行優(yōu)化設(shè)計，配合信號系統(tǒng)無縫切換，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為長期演進;M為無受電弓的動車；Mp為有受電弓的動車。

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、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[2]，車載ATC系統(tǒng)會中斷所有對車輛的輸出及牽引制動模擬量信號，進入冗余切換狀態(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信號中斷，其他控車指令隨即丟失[3]。信號冗余切換中斷指令時序見圖2。

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

2) 備用車載ATC系統(tǒng)檢測到主用車載ATC系統(tǒng)的在線工作狀態(tài)指令斷開，準(zhǔn)備進入激活狀態(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，激活對車輛的所有輸出，包括緊急制動相關(guān)的指令。

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

5) 備用車載ATC系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸單元和列車控制信號線恢復(fù)到切換前的狀態(tài)，并恢復(fù)對車輛的所有輸出，進而對列車進行控制和防護。

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

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

2.1 車輛靜止時的車載ATC系統(tǒng)切換控制

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

2.1.1 車門系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)門指令

列車車門的開/關(guān)由EDCU(門控器)控制，并根據(jù)開門信號、關(guān)門信號、門使能信號、零速信號的狀態(tài)驅(qū)動門電機，從而實現(xiàn)車門的開/關(guān)功能。車門動作邏輯見表1。

表1 車門動作邏輯

由表1可知，車載ATC系統(tǒng)故障單元(以下簡為“控制系統(tǒng)故障單元”)輸出的門使能信號、開/關(guān)門信號丟失后車門狀態(tài)仍保持；但是列車零速信號作為車門ATC系統(tǒng)安全輸入信號，其丟失后車門執(zhí)行關(guān)門指令。當(dāng)站臺區(qū)域列車車門打開，上下客途中，車載ATC系統(tǒng)進行冗余切換，出現(xiàn)列車零速信號500 ms短暫丟失，導(dǎo)致車門意外關(guān)閉，造成乘客恐慌甚至夾傷風(fēng)險。

2.1.2 制動系統(tǒng)施加緊急制動

控制系統(tǒng)故障單元輸出的緊急制動信號丟失時，車輛的緊急制動回路斷開，車輛觸發(fā)緊急制動。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，列車高速運行過程中，主用車載ATC系統(tǒng)因故障宕機時，車輛的牽引和制動系統(tǒng)反應(yīng)如下：

1) 制動系統(tǒng)施加緊急制動。列車高速運行時突發(fā)主用車載ATC系統(tǒng)因故障切換至備用系統(tǒng)時，控制系統(tǒng)故障單元輸出的緊急制動信號丟失，車輛緊急制動回路斷開，車輛觸發(fā)緊急制動。車輛緊急制動只采用純空氣制動，作用比較迅猛，通過最大制動力保證列車在規(guī)定距離內(nèi)安全停車。在此過程中，由于慣性因素強大沖擊力導(dǎo)致乘客意外摔倒。緊急制動不可自動恢復(fù)，必須停車后進行人工恢復(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)控緊急制動回路狀態(tài)并封鎖牽引，此時車輛執(zhí)行惰性狀態(tài)。

3 車輛控制電路優(yōu)化設(shè)計

車載ATC系統(tǒng)切換過程中。主用車載ATC系統(tǒng)會中斷所有對車輛的輸出信號，導(dǎo)致站臺區(qū)域車門意外關(guān)閉及車輛施加緊急制動停車問題。對車輛控制電路進行了優(yōu)化設(shè)計，保證主用和備用車載ATC系統(tǒng)的無縫切換。

3.1 列車零速信號優(yōu)化

列車零速信號可由信號系統(tǒng)、制動系統(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，制動系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)輸出的零速信號不參與控車，僅靠信號系統(tǒng)輸出的零速信號控制列車零速繼電器狀態(tài)。列車停穩(wěn)到站臺后，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的安全可靠。當(dāng)車載ATC系統(tǒng)在站臺區(qū)域冗余切換時，零速信號丟失導(dǎo)致車門意外關(guān)閉。為避免此風(fēng)險，車輛控制電路設(shè)計時，信號系統(tǒng)輸出端口零速繼電器采用掉電延時繼電器。掉電延時繼電器有多種規(guī)格，其延時分別為0.25 s、0.50 s、1.00 s，甚至更長?？紤]車載設(shè)備兩端主機500 ms切換時間、30 ms繼電器動作時間及50 ms列車控制信號線傳輸延時等因素，選用延時為1 s的延時繼電器。主用ATC故障丟失零速輸出信號時，零速延時繼電器線圈不會立即斷電，延時1 s后斷電，完全覆蓋了備用車載ATC系統(tǒng)500 ms切換時間、繼電器動作時間及列車控制信號線傳輸延時。列車零速信號時序見圖4。

盡管ATC系統(tǒng)冗余切換會導(dǎo)致零速信號指令丟失，在掉電延時繼電器延時1 s失電的過程中，列車車門能正常收到零速信號；當(dāng)備用車載ATC系統(tǒng)接管后，輸出零速信號，通過延時繼電器保證了車門開關(guān)保持原有狀態(tài)。對于制動系統(tǒng)而言，列車本身即為零速狀態(tài)，延時繼電器不會對制動系統(tǒng)造成任何影響，同時也避免了造成乘客恐慌或被夾傷的風(fēng)險。

圖4 列車零速信號時序圖Fig.4 Time sequence diagram of train zero speed signal

3.2 緊急制動電路優(yōu)化

車輛制動系統(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初始參考速度為80 km/h，列車運行速度從80 km/h減速至0的過程中，緊急制動平均減速度為1.2 m/s2，緊急制動瞬時減速度1.32 m/s2。根據(jù)車輛制動系統(tǒng)計算可知，制動閥的打開系統(tǒng)空走時間t10(即制動缸壓力為最大純空氣制動力的0～10%)為0.2 s,制動建立時間t90(即制動缸壓力為最大純空氣制動力的10%～90%)為1.3 s。車輛緊急制動過程中制動缸壓力如圖5所示。

圖5 車輛制動缸壓力-時間關(guān)系曲線

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

圖6 車輛緊急制動控制電路設(shè)計圖

備用車載ATC系統(tǒng)接管后，無需制動至停車狀態(tài)即可緩解緊急制動回路，制動缸產(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)同時發(fā)出牽引授權(quán)信號及牽引命令，且在2～5 s后施加牽引力。此時列車恢復(fù)至ATC系統(tǒng)切換前的運行狀態(tài)，不會對列車運行效率產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)信號雙端冗余系統(tǒng)的無縫切換，車輛需從零速信號、緊急制動信號及牽引制動控車信號進行優(yōu)化設(shè)計，避免車載設(shè)備故障進入冗余切換期間信號狀態(tài)丟失而影響列車正常運行。此方案已在南京、合肥、杭州等多個城市的軌道交通項目中得到成熟運用。通過車輛控制電路優(yōu)化設(shè)計保證信號系統(tǒng)冗余切換的可用性、穩(wěn)定性，進而提高列車的服務(wù)質(zhì)量，同時也為其他設(shè)計人員提供參考和借鑒。