地鐵車輛融合LCU智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

周根華 鄧長海 肖 曉

（1.福州地鐵集團有限公司，福建 福州 350004；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

地鐵出行逐步成為城市居民的主要交通方式，如何保證和持續(xù)提高其運行的可靠性一直是行業(yè)研究的重點。邏輯控制單元（LCU）的出現(xiàn)為解決該問題提供了一種重要手段。LCU采用無觸點技術(shù)，具有壽命長、冗余性高等特點，主要用于替代傳統(tǒng)電氣回路中的中間繼電器，具備邏輯控制、I/O輸入、輸出和通信等功能，且其I/O驅(qū)動性能相較列車控制控制系統(tǒng)（TCMS）的I/O單元有所提升[1]。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)新開通的地鐵線路車輛項目中，LCU的應(yīng)用率已經(jīng)超過60%。

但是，在既有的LCU應(yīng)用項目中，由于LCU和TCMS均具備（承擔(dān)）I/O功能且中間車的繼電器數(shù)量少，單獨應(yīng)用LCU的成本較高，還會占用額外的空間，一般不在項目中應(yīng)用LCU，因此會導(dǎo)致列車存在I/O設(shè)備重復(fù)設(shè)置、LCU替代繼電器比率低、占用空間偏大以及系統(tǒng)控制構(gòu)架不夠簡潔等問題。為了解決該問題，考慮將LCU和TCMS進行功能融合。該文結(jié)合某科研項目設(shè)計對融合方案進行詳細闡述，并重點對融合機箱架構(gòu)、通信策略以及系統(tǒng)應(yīng)用策略等方面進行描述。

1 系統(tǒng)拓撲分析

融合方案主要指將LCU和TCMS的I/O設(shè)備進行融合，TCMS僅保留主控、存儲和顯示功能，而LCU除了承擔(dān)本地邏輯控制功能外，還承擔(dān)TCMS的I/O功能。融合前后的系統(tǒng)拓撲變化如圖1所示。

圖1 融合方案拓撲變化

從設(shè)備層面來看，融合方案提升了系統(tǒng)的集成度，利于中間車應(yīng)用LCU，進而可以進一步降低車載設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約安裝空間；從通信層面來看，融合方案減少了信號傳輸節(jié)點，可以幫助降低列車牽引、制動等關(guān)鍵控制信號出現(xiàn)傳輸遲滯的概率，有利于優(yōu)化列車控制曲線，提高低速段的平穩(wěn)性，降低全過程能耗，同時還可以改善列車對標表[2]。

2 應(yīng)用方案分析

2.1 系統(tǒng)方案

將該文所述方案應(yīng)用于某4編組列車，編組形式為TMC-MP-MP-TMC。在TMC車應(yīng)用2臺LCU，在MP車應(yīng)用1臺LCU。同時，LCU融合了TCMS系統(tǒng)的全部DIMe、DXMe和AXMe模塊。其中，在TMC的2臺LCU機箱中，1臺機箱主要用于融合原來網(wǎng)絡(luò)I/O模塊的數(shù)據(jù)，具體僅負責(zé)TCMS需要的DI/DO的轉(zhuǎn)發(fā)，不對數(shù)據(jù)進行任何處理，另一臺機箱主要用于實現(xiàn)邏輯控制的功能。同時兩者公用的I/O由其中一臺負責(zé)采集，并通過車輛MVB或者LCU之間的內(nèi)網(wǎng)傳遞給另一臺，不進行重復(fù)采集。

2.2 應(yīng)用功能設(shè)計

LCU參與控制回路見表1。

表1 LCU控制回路清單

為了在充分保證車輛在緊急牽引模式下的運行能力的同時不影響列車的安全性，需要使一部分回路仍然采用硬線繼電器控制，見表2。

表2 保留繼電器控制回路

基于以上原則進行LCU替代應(yīng)用，全車一共177個繼電器，一共替代了89個，替代率為50.3%。另外，融合方案對原IOM機箱和LCU機箱需要采集的I/O進行整合，僅對部分關(guān)鍵I/O采用2個機箱進行冗余采集，以提高方案整體的可靠性。重復(fù)采集I/O一共58個，融合后僅剩8個，節(jié)省率為86.2%。

3 可靠性策略

3.1 機箱架構(gòu)可靠性策略

LCU本身采用1oo2D架構(gòu)，符合故障-安全原則，安全性滿足SIL2級要求。機箱電源、主控、輸入以及輸出均采用A/B系冗余設(shè)計，任意一系故障都不會對整機運行產(chǎn)生影響。LCU整體冗余架構(gòu)如圖2所示。

圖2 機箱冗余架構(gòu)

所有I/O均采用輸入側(cè)一分為二的方式進行采集，輸出側(cè)采用雙通道并聯(lián)的方式，支持多點故障，例如某一系DI和另外一系DO同時故障，此時系統(tǒng)輸入輸出功能仍然完整[3]。同時，輸入和輸出均具備完善的自檢和過流保護功能，輸出發(fā)生故障保護時，對應(yīng)通道不再輸出，導(dǎo)向安全。

3.2 通信可靠性策略

LCU除了替代繼電器進行基本邏輯控制以外，還替代部分列車線。以“列車停放制動監(jiān)視”為例，當傳統(tǒng)列車采用繼電器進行控制時，通過列車線對各個“單車停放制動狀態(tài)”繼電器的觸點進行串聯(lián)，然后驅(qū)動頭車的“列車停放制動狀態(tài)”繼電器，實現(xiàn)對列車停放制動狀態(tài)的監(jiān)視。而該項目則是在各個車LCU機箱采集到“單車停放制動狀態(tài)”后，通過MVB通信傳輸給頭車LCU，由頭車LCU機箱進行組合邏輯控制[4]。

同時，在各車LCU機箱之間設(shè)置冗余以太網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，如圖3所示。這樣即便在列車TCMS故障、MVB通信無法建立時，LCU機箱之間仍然可以通過內(nèi)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，確保列車級邏輯控制可以正常執(zhí)行。

圖3 冗余通信架構(gòu)

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用可靠性策略

3.3.1 關(guān)鍵回路冗余監(jiān)視和控制

考慮最嚴苛情況，即任一單機箱仍然存在完全故障的情況（機箱熱備冗余的兩系同時故障）。在系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計上，以避免救援，使列車在任一單點故障時仍然具備動車能力為設(shè)計原則[5]。因此，仍然保留部分關(guān)鍵信號的冗余采集；同時，對個別關(guān)鍵信號采用2機箱冗余并聯(lián)輸出[6]。

關(guān)鍵回路冗余輸出控制主要是為了使列車維持基本動車能力，避免因單機箱完全故障而引起救援[7]。

3.3.2 緊急牽引說明

緊急牽引主要在列車TCMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障時啟用，例如發(fā)生操作端HMI黑屏、AXMe故障等。牽引和制動系統(tǒng)在收到緊急牽引指令時，將不再信任來自于TCMS系統(tǒng)的任何指令，包括牽引制動命令、牽引制動級位、方向和司機室占有等，而是通過其硬線I/O采集的牽引制動命令，并以固定的級位進行牽引或制動，以維持列車的基本運行能力。對該項目來說，由于各LCU機箱之間有內(nèi)網(wǎng)，在TCMS故障時，跨車信號可以通過內(nèi)網(wǎng)維持傳輸，不影響其控制功能[8]。

4 裝車測試

針對上述提高可靠性的措施，在車輛調(diào)試階段進行相應(yīng)的故障模擬，以驗證對應(yīng)故障工況下系統(tǒng)功能的維持情況。

4.1 模擬LCU單系故障

單個LCU機箱通過兩系控制電源獨立供電，任一系供電故障，機箱正常工作不受影響。此處，以“列車停放制動監(jiān)視”為例，其控制邏輯為1車“本車停放施加=1”& 2車“本車停放施加=1”& 3車“本車停放施加=1”& 4車“本車停放施加=1”&“司機室占用激活=1”時輸出高電平。通過調(diào)試軟件，模擬各車均已施加停放制動。試驗過程中斷開A系電源空開，模擬該系故障的情況，測試輸出是否維持[9]。測試時，即便A系電源故障，列車停放制動施加輸出仍然維持正常，不受影響。

4.2 模擬LCU單機箱掉線

LCU機箱之間有以太網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，在單LCU機箱與TCMS網(wǎng)絡(luò)通信故障的情況下，LCU機箱仍然可以通過內(nèi)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使列車級控制功能不受影響。仍然以‘列車停放制動監(jiān)視’控制功能為例，通過斷開LCU機箱的MVB插頭模擬該機箱MVB掉線，模擬LCU單機箱MVB掉線時，列車停放制動施加輸出仍然維持正常，不受影響。

4.3 模擬LCU單機箱故障

主要針對列車緊急牽引功能進行測試。通過斷開任意一臺LCU的兩系控制電源，模擬該機箱LCU故障工況，并測試是否能夠進行緊急牽引動車。測試結(jié)果見表3。

表3 模擬機箱故障試驗情況

試驗結(jié)果證明，LCU應(yīng)用設(shè)計可以保證任意機箱故障都不會影響列車緊急牽引，充分保證了列車的可用性。

5 結(jié)語

該文對地鐵車輛融合LCU智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)方案進行了說明，尤其從產(chǎn)品建構(gòu)、通信和系統(tǒng)應(yīng)用3個層面進行了詳細闡述和論證，最后通過模擬測試的方法對方案進行可靠性驗證，可為后續(xù)更多項目實施提供參考。融合LCU智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提升了車輛電氣系統(tǒng)的集成度，減少了車載設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約了設(shè)備安裝空間，并能夠優(yōu)化列車運行參數(shù)，具有良好的推廣應(yīng)用價值。