某地鐵列車ATO模式啟動沖擊超限故障分析與解決

李如石， 任富爭， 劉 超

(中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

城市發(fā)展集中在城市中心區(qū)，交通阻塞、乘車難也主要反映在城市中心區(qū)。地鐵軌道交通運量規(guī)模大、受干擾小，能夠做到快速、正點運行，是運行大城市客流運輸?shù)挠行侄?。為了實現(xiàn)列車安全、快速、正點運行的目標，必須采用安全、穩(wěn)定、可靠的行車運行控制系統(tǒng)，以保證故障災情的及時排除和行車誤點的及時糾正。隨著科學技術的發(fā)展，城市軌道交通ATC(列車自動控制)系統(tǒng)得到了全面的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡、信息通信、自動控制等技術在ATC系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，ATC系統(tǒng)不但完成對列車速度的自動監(jiān)控，保證列車的安全，而且能夠指揮行車，提高運營效率[1]。某城市地鐵車輛在正式運營期間，頻繁發(fā)生：ATO模式控車啟動時，伴有較大啟動沖擊，嚴重影響乘坐舒適度，增大旅客乘坐危險性。根據(jù)地鐵運營公司統(tǒng)計，該故障發(fā)生概率大約為20%，較為頻繁，已經(jīng)影響到列車運營管理，運營公司召開相關會議，要求車輛方與信號方盡快分析原因并解決。

1 故障分析

1.1 定位故障系統(tǒng)

采集列車數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)，根據(jù)司機反饋故障發(fā)生的時間，進行數(shù)據(jù)解析并進行分析，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時，報出“牽引封鎖7(牽引工況下，氣制動未緩解且“氣制動緩解旁路”無效超5 s)”故障，發(fā)生牽引封鎖7的原因為，牽引力發(fā)揮較慢導致5 s時氣制動仍未緩解，從而網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了牽引封鎖。信號系統(tǒng)檢測到列車沒有啟動后取消牽引指令，短暫幾秒后再次牽引啟動，此時由于牽引級位增大，從而導致啟車時沖擊較大。

進一步分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送給牽引系統(tǒng)的牽引指令沒有丟失，但牽引系統(tǒng)發(fā)揮的牽引力較慢，將

該問題反饋給牽引系統(tǒng)供應商，牽引系統(tǒng)供應商分析相關數(shù)據(jù)后，反饋網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送的牽引指令發(fā)生了異常，現(xiàn)象為：網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送30 ms牽引指令后，主動撤銷牽引指令(此時硬線牽引指令仍存在)，再過30 ms后又再次發(fā)送牽引指令。牽引逆變器收到牽引指令后啟動，牽引指令撤銷后，牽引逆變器停止，當牽引逆變器再次收到牽引指令若想再次啟動時，需要等待3 s的時間，故而導致牽引力發(fā)揮較慢，最終導致列車牽引封鎖。具體見圖1所示。

圖1 牽引系統(tǒng)采集故障數(shù)據(jù)

牽引系統(tǒng)能夠采集到牽引指令丟失，而網(wǎng)絡系統(tǒng)采集不到，究其原因為，數(shù)據(jù)記錄儀采集數(shù)據(jù)的時間周期為100 ms，但是丟失牽引指令的時間為30 ms，導致數(shù)據(jù)記錄儀沒有采集到牽引指令丟失，而牽引系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時間周期為10 ms，能夠采集到牽引指令丟失。

從圖1可看出，當網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送的牽引指令丟失時，硬線牽引指令沒有丟失，從而確定故障是由網(wǎng)絡系統(tǒng)丟失牽引指令引起的，而非牽引系統(tǒng)和信號系統(tǒng)。

1.2 故障系統(tǒng)分析

導致ATO模式啟動沖擊較大的原因為網(wǎng)絡系統(tǒng)丟失牽引指令。為了查找故障原因，搭建半實物仿真測試平臺，模擬現(xiàn)場運行環(huán)境。半實物仿真平臺包括車輛控制單元VCU、人機顯示單元HMI和仿真子系統(tǒng)(包括牽引系統(tǒng)DCU、制動系統(tǒng)BCU等)。用MVB總線分析儀采集MVB總線數(shù)據(jù)，如圖2所示：0xA0為網(wǎng)絡發(fā)送給2車DCU的端口數(shù)據(jù)，紅色框內(nèi)的0102表示發(fā)送給DCU牽引指令無效，0502表示發(fā)送給DCU牽引指令有效，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)牽引指令掉了2次，復現(xiàn)了列車正線運營的故障情況。

圖2 牽引指令異常數(shù)據(jù)顯示

為了解決牽引指令丟失問題，對網(wǎng)絡系統(tǒng)VCU程序進行分析，當滿足下列所有條件時，網(wǎng)絡系統(tǒng)才會發(fā)出牽引指令：

(1)接收到硬線IO的牽引指令有效；

(2)無緊急制動；

(3)無快速制動；

(4)無常用制動；

(5)無牽引封鎖。

具體邏輯如圖3所示。

圖3 牽引指令邏輯

修改VCU程序，將所有牽引指令的輸入條件都放到給DCU的端口中，發(fā)現(xiàn)牽引封鎖指令有異常，由于引起列車牽引封鎖的條件很多，又將牽引封鎖的輸入條件都放到給DCU的端口中，最終發(fā)現(xiàn)牽引封鎖條件之一的“ATP未切除時，無ATP牽引使能指令”有異常，此部分邏輯見圖4。ATP牽引使能邏輯見圖5。

圖4 牽引封鎖邏輯1

圖5 ATP牽引使能邏輯

將圖5中ATP牽引使能的輸入放在DCU的輸出端口中，發(fā)現(xiàn)是由“IO硬線ATP牽引使能”發(fā)生異常引起的。根據(jù)現(xiàn)象初步分析判斷，在ATO模式牽引過程中，硬線“ATP牽引使能信號”是由0變成1，可能影響到信號系統(tǒng)牽引使能判斷工作單(RCMIn)，牽引封鎖工作單(DrBlock)，牽引指令工作單(DrBrCtrl)相關指令的變化。

對這3個工作單和輸出給DCU的工作單(DCUO_T32)進行分析，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

(1)對于任務周期中工作單的順序從上到下依次為：輸出給DCU的工作單(DCUO_T32)→牽引指令工作單(DrBrCtrl)→牽引封鎖工作單(DrBlock)→硬線IO輸入工作單(RIOMI_T32)→信號系統(tǒng)牽引使能判斷工作單(RCMIn)；

(2)信號系統(tǒng)牽引使能判斷工作單(RCMIn)的執(zhí)行周期為128 ms，其余工作單的執(zhí)行周期為32 ms；

初步懷疑是程序中對于任務執(zhí)行的時序問題，對工作單進行如下調整并測試：

調整牽引使能判斷工作單(RCMIn)設置的任務周期，由128 ms變?yōu)?2 ms，并調整32 ms任務中工作單的順序，即：硬線IO輸入工作單(RIOMI_T32)→牽引使能判斷工作單(RCMIn)→牽引封鎖工作單(DrBlock)→牽引指令工作單(DrBrCtrl)→輸出給DCU的工作單(DCUO_T32)。

調整后連續(xù)測試300次左右發(fā)現(xiàn)不丟失牽引。

1.3 故障原因定位

通過以上分析及測試，確定故障原因為：網(wǎng)絡系統(tǒng)程序工作單的任務周期設置和順序不合理，從而導致牽引指令輸出異常。

2 解決方案

基于以上分析，提出如下解決方案：

(1)對同一個任務周期內(nèi)的工作單執(zhí)行順序按照：輸入→邏輯→輸出，進行排列；

(2)對于某些牽引封鎖邏輯判斷需考慮信號傳輸延時或采集誤差加入濾波處理。

具體實施為：

(1)調整信號系統(tǒng)牽引使能判斷工作單(RCMIn)設置的任務周期，由128 ms變?yōu)?2 ms，并調整32 ms任務中工作單的順序，即：硬線IO輸入工作單(RIOMI_T32)→牽引使能判斷工作單(RCMIn)→牽引封鎖工作單(DrBlock)→牽引指令工作單(DrBrCtrl)→輸出給DCU的工作單(DCUO_T32)；

(2)牽引封鎖指令輸出前增加1 s的濾波處理。

圖6 試驗室仿真——牽引指令正常數(shù)據(jù)顯示

經(jīng)過上述邏輯處理后，在仿真試驗臺進行了大約300次左右的試驗，沒有再發(fā)生牽引指令丟失的情況，測試結果如圖6所示。

在試驗室測試完成后，又在列車上進行了一個月左右的現(xiàn)場測試，沒有再發(fā)生因牽引丟失引起的ATO模式啟動沖擊過大的問題，問題得以解決，現(xiàn)場測試結果如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場測試——牽引指令正常數(shù)據(jù)顯示

3 結束語

針對ATO模式下列車啟動沖擊較大的問題，著重介紹故障分析過程，從而確定引起該故障的原因，并提出解決方案，經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證，效果良好，已完全解決該問題。