車載ATC仿真模擬器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王永清

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司，江蘇蘇州 215000）

蘇州軌道交通3號線信號系統(tǒng)采用卡斯柯的Urbalis888系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由聯(lián)鎖子系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)、列車自動控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)組成，其中車載設(shè)備主要包括車載控制器、司機(jī)顯示單元、交換機(jī)、信標(biāo)天線、編碼里程計(jì)等。車載控制器作為車載設(shè)備的核心部件，是實(shí)現(xiàn)列車自動防護(hù)、自動駕駛功能的關(guān)鍵所在，因此每列車在設(shè)備安裝、維修、更換時(shí)均需要對其進(jìn)行靜態(tài)及動態(tài)測試。由于這項(xiàng)工作需要大量占用試車線資源，受天氣、施工作業(yè)點(diǎn)影響較大，且耗時(shí)耗力、效率較低，常常調(diào)測一列車需要好幾天才能完成。同時(shí)當(dāng)運(yùn)營線路上發(fā)生信號與車輛接口故障時(shí)，既有故障排查方法對于接口故障不能準(zhǔn)確快速做出判斷，對維護(hù)人員業(yè)務(wù)能力要求較高，故障處理難度較大。

因此設(shè)計(jì)一款適用于Urbalis888信號系統(tǒng)的車載信號調(diào)試設(shè)備，為更好的適應(yīng)日常維護(hù)需要，提高設(shè)備調(diào)試、檢修效率，快速定位接口故障位置，對降低運(yùn)營成本具有重大意義。

1 設(shè)計(jì)需求分析

目前在現(xiàn)場調(diào)試維護(hù)過程中，為測試車載信號設(shè)備與車輛接口的輸入輸出功能，既有方式涉及基本輸入輸出功能的則在庫內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測試，涉及動態(tài)功能鏈路的則在試車線動車條件下進(jìn)行。此種方法雖然能夠滿足設(shè)備調(diào)試、檢修作業(yè)需求，但是由于涉及動車測試內(nèi)容較多，對試車線資源占用較大，往復(fù)的動態(tài)測試也較為耗時(shí)耗力。同時(shí)考慮到現(xiàn)有列車信號系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試，由于無法對接口線纜進(jìn)行檢查，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

此外，在列車測試過程中有部分功能測試需要廠家專用軟件驅(qū)動車載板卡強(qiáng)制輸出控制命令來實(shí)現(xiàn)，而此類軟件實(shí)現(xiàn)功能的前提是需要重刷車載測試版數(shù)據(jù)，一方面安全風(fēng)險(xiǎn)較大，另一方面設(shè)備廠家對專用軟件使用把控較嚴(yán)，技術(shù)壁壘較高，實(shí)現(xiàn)難度較大。

針對以上情況，為更好適應(yīng)日常維護(hù)需要，提高設(shè)備調(diào)試、檢修及故障處理效率，通過研究Urbalis888信號系統(tǒng)基本原理、信號系統(tǒng)與車輛接口原理以及調(diào)查日常調(diào)試維護(hù)需要，確定了仿真模擬器功能需求，如圖1所示。

圖1 仿真模擬器功能需求Fig.1 Requirements for the functions of the simulator

同時(shí)在深入了解車輛電氣原理圖、車載設(shè)備維護(hù)手冊和信號接口連接器的連接圖后，根據(jù)車載控制器機(jī)柜與車輛接口協(xié)議，制定了以下仿真模擬器設(shè)計(jì)思路，如圖2所示。

圖2 仿真模擬器設(shè)計(jì)思路Fig.2 Design thinking for the simulator

2 設(shè)計(jì)思路

Urbalis888信號系統(tǒng)車載仿真模擬器主要用于信號系統(tǒng)與車輛接口的輸入、輸出功能靜態(tài)及動態(tài)調(diào)試，進(jìn)行日常的故障排查診斷，從電路結(jié)構(gòu)上主要分為以下4大模塊。

第1部分是供電模塊：利用對電源和處理器單元板卡的輸入供電與輸出接地特性，采用該板的輸入供電，給仿真模擬器的純輸出相關(guān)功能供電。第2部分是輸入模塊：通過操作車輛外部設(shè)備，使得電信號通過相關(guān)信號接口連接器端子，使得仿真模擬器相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮，給出輸入功能信號。比如司機(jī)室鑰匙激活、門關(guān)好且鎖閉功能等。第3部分是輸出模塊：利用電源和處理器單元板卡的相應(yīng)接口連接器端子供電，仿真模擬器設(shè)置控制開關(guān)，使得110 V電信號有效傳輸?shù)杰囕v設(shè)備，給出輸出功能命令。比如開門命令、關(guān)門命令、按鈕燈等。第4部分是采集驅(qū)動模塊：外部電信號通過仿真模擬器控制開關(guān)采集輸入，然后再通過仿真模擬器輸出到外部，實(shí)現(xiàn)采集驅(qū)動控制功能，比如零速信號、門使能信號等。此外每條功能測試線路需設(shè)置相應(yīng)的指示燈，用來顯示相應(yīng)的采集輸出信號。

由于各測試功能的實(shí)現(xiàn)有一定的前提條件，比如要使得自動折返模式下司機(jī)室激活信號有效，必須先使得向前位輸出信號輸出，使自動折返繼電器得電，因此在電路設(shè)計(jì)過程中需充分考慮相應(yīng)的信號聯(lián)鎖關(guān)系，確保相應(yīng)功能真實(shí)有效。通過對信號系統(tǒng)與車輛接口原理圖的分析，確定各接口輸入輸出功能需求?，F(xiàn)對自動折返模式下司機(jī)室激活功能在仿真模擬器中電路如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行舉例說明。

正常線上運(yùn)營時(shí)，自動折返功能需在鑰匙關(guān)閉且雙手柄歸零狀態(tài)下才有效，故先要把司機(jī)室鑰匙斷開，并且方向手柄和牽引制動手柄都?xì)w零位，之后操作仿真模擬器自動折返模式下的向前位信號（FWD）（自動折返繼電器激活信號）開關(guān)，輸出110 V信號使車輛自動折返繼電器（ATBR）（自動折返繼電器）得電。后操作仿真模擬器上的(CSR)（ATB模式下司機(jī)室激活繼電器）開關(guān)，使車輛司機(jī)室激活繼電器群繼電器（COR）得電，此時(shí)司機(jī)室就會處于激活狀態(tài)，可見車輛顯示屏點(diǎn)亮，客室燈點(diǎn)亮。

根據(jù)功能需求與列車布線圖邏輯，進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，并結(jié)合車輛與信號系統(tǒng)各設(shè)備電氣參數(shù)，進(jìn)行元器件選型。仿真器輸出型功能電源由仿真器主用直流110 V電源提供，經(jīng)過仿真器電路開關(guān)，送至int（車輛與信號接口插接器）接口端子，后通過車輛系統(tǒng)設(shè)備，最終電流流向列車共用地，形成回路；仿真器輸入型功能電源由車輛緊急供電母線直流110 V提供，經(jīng)過車輛系統(tǒng)設(shè)備，送至int接口端子，后通過仿真器分壓電阻，使得直流24 V的LED燈點(diǎn)亮，最后電流還是流向列車公共地，形成回路。仿真器輸入與輸出型功能都選用列車公共地作為負(fù)極，與列車實(shí)際功能回路保持一致，使得仿真器對車輛與信號接口功能檢測更加精準(zhǔn)。

由上述電路設(shè)計(jì)思路，先選取左側(cè)車門打開驅(qū)動輸出功能、所有車門關(guān)好后輸入采集信號在仿真模擬器電路設(shè)計(jì)制作方法介紹如下。

1）左側(cè)車門打開（DOC-A）輸出驅(qū)動信號

左側(cè)門打開信號，即DOC-A信號，主要由車輛門控電子單元采集。要使得車輛左側(cè)開門繼電器得電，需要車載110 V脈沖信號驅(qū)動。故可利用仿真模擬器的主用110 V電，串接仿真器上的自復(fù)式開關(guān)（圖3的S12），經(jīng)過仿真器相應(yīng)int接口端子，使得車輛左開門繼電器得電，以此檢測此功能回路接口輸出正常，如圖3所示。

圖3 左側(cè)開門輸出信號Fig.3 Output signal when the door opens at left

2）所有車門關(guān)好且鎖閉（TDCL）輸入采集信號

車門關(guān)好且鎖閉的110 V信號是車輛緊急供電母線提供，當(dāng)車門打開狀態(tài)下，因車輛門關(guān)好繼電器失電，故車載所有門關(guān)好信號無法采集。故可選取15 kΩ電阻用于分壓，利用24 V規(guī)格的LED燈亮、滅變化情況用于判斷仿真模擬器信號采集有效。車輛緊急供電母線的110 V電，經(jīng)過車輛門關(guān)好繼電器接點(diǎn)，送至int接口端子，后流向分壓電阻（R15），最終使得LED燈點(diǎn)亮，表示車輛門關(guān)好回路功能輸入采集有效。故當(dāng)車門打開狀態(tài)下，因車輛門關(guān)好繼電器失電，110 V信號無法傳輸至仿真模擬器，LED燈會由亮變滅，以檢測此功能回路接口輸入正常，如圖4所示。

圖4 所有門關(guān)好且鎖閉信號Fig.4 All doors are closed and the signal is locked

仿真器上的其他功能電路設(shè)計(jì)類同，這里不再贅述。

采用上述的電路設(shè)計(jì)思路，該仿真模擬器可實(shí)現(xiàn)44種車載功能接口測試需求，具體仿真設(shè)備制作完成的成品如圖5所示。

圖5 仿真模擬器成品Fig.5 The finished product of the simulator

3 仿真器應(yīng)用及優(yōu)勢

Urbalis888信號系統(tǒng)車載信號設(shè)備仿真模擬器制作完成后通過線上連接測試，均能正常實(shí)現(xiàn)列車開關(guān)門、各按鈕輸入、牽引命令、緊急制動等功能，與正常靜動態(tài)測試結(jié)果一致，各項(xiàng)功能均符合設(shè)計(jì)需求要求，如表1所示。

表1 功能實(shí)現(xiàn)分類Tab.1 Checklist of the fulf illment of functions

在Urbalis888信號系統(tǒng)車載信號設(shè)備仿真模擬器上線測試一段時(shí)間后，通過與既有設(shè)備調(diào)試、維護(hù)手段相比，經(jīng)過對比分析，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。

3.1 提升設(shè)備檢修效率

通過將仿真模擬器測試加入設(shè)備靜態(tài)調(diào)試流程后，與既有調(diào)試維護(hù)流程相比，利用仿真模擬器進(jìn)行車載功能調(diào)試維護(hù)時(shí)，維護(hù)用時(shí)相比傳統(tǒng)方式大大減少，提高了設(shè)備調(diào)試、維護(hù)效率。車載功能調(diào)試維護(hù)用時(shí)對比，如表2所示。

表2 車載功能調(diào)試維護(hù)用時(shí)對比Tab.2 Comparison of the time needed for commissioning and maintenance of on-board functions

3.2 降低試車線施工資源占比

以蘇州3號線40列車日常檢修為例，每列車動態(tài)調(diào)試至少需要2名司機(jī)配合，2名信號人員參與，仿真模擬器投入使用后可以減少一半的動態(tài)測試項(xiàng)目，能源消耗以每次動車測試消耗電量為1個(gè)單元計(jì)算，仿真模擬器投入使用后，人力、能源等施工資源消耗占比情況對比如圖6所示。

圖6 施工資源消耗占比情況對比Fig.6 Comparison between the consumption of construction resources

3.3 提高故障處理效率

1）2020年4月8日文昌路站上行2004次0310車出站時(shí)頻繁產(chǎn)生信號緊急制動，控制中心組織該車切除車載信號后運(yùn)行（仿真模擬器雛形未制作完成）。

經(jīng)排查故障原因?yàn)榈罔F電客車上行方向頭端（TC2）車輛專業(yè)的司機(jī)室鑰匙激活繼電器（KSR2繼電器)偶發(fā)故障，其繼電器接線異常斷開，導(dǎo)致車載離散功能輸入板采集的惰行手柄信號、初始駕駛模式信號、限制模式按鈕按壓輸入信號同一時(shí)間掉電。因初始駕駛模式信號掉電，車載信號設(shè)備判定變?yōu)闊o模式狀態(tài)運(yùn)行，列車產(chǎn)生信號緊急制動，電路如圖7所示。

圖7 列車電路原理Fig.7 Circuit diagram of the train

在處理該故障過程中，由于兩專業(yè)無法對故障進(jìn)行有效定位，繼電器又是偶發(fā)故障，不是常態(tài)故障，故處理時(shí)間較長，累計(jì)用時(shí)3天解決。

2）2020年5月13日雙馬街站0334車信號緊急制動，司機(jī)顯示單元顯示限制模式按鈕故障或持續(xù)按壓，控制中心組織該車切除車載信號后運(yùn)行（仿真模擬器已制作完成）。

后經(jīng)排查故障原因依舊是車輛專業(yè)的 KSR2繼電器偶發(fā)故障導(dǎo)致（與上一故障相同）。在處理過程中，通過利用仿真模擬器代替車載信號設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行測試，通過不斷激活、斷開司機(jī)室鑰匙，觀察仿真模擬器指示燈位變化，能非常直觀顯現(xiàn)故障現(xiàn)象，僅用10 min就完成了故障處理及定性。

3）2020年10月19日葑亭大道站上行進(jìn)站2702次0321車產(chǎn)生信號緊急制動，司機(jī)緩解后可動車。

后經(jīng)排查故障原因?yàn)樽詣玉{駛過程中，車輛自動駕駛模式繼電器故障導(dǎo)致緊急制動回路斷開。利用仿真模擬器完全甩開車載設(shè)備后，代替車載設(shè)備進(jìn)行自動駕駛模式輸出測試。通過不斷的自動駕駛模式輸出信號輸出與斷開試驗(yàn)，檢驗(yàn)出當(dāng)自動駕駛模式信號輸出時(shí)，自動駕駛模式繼電器線圈偶發(fā)性失電，證實(shí)了車輛自動駕駛模式繼電器故障導(dǎo)致列車緊急制動，整個(gè)故障處理約20 min。相比傳統(tǒng)的故障排查方法需上試車線動車測試處理，節(jié)省了試車線資源及處理用時(shí)。

4 結(jié)語

通過Urbalis888信號系統(tǒng)車載信號設(shè)備仿真模擬器的設(shè)計(jì)制作，一方面完成了Urbalis888信號系統(tǒng)與車輛接口功能的梳理，另一方面在仿真模擬器投入使用后，釋放了大量試車線資源，節(jié)省了設(shè)備維護(hù)、調(diào)試及故障處理時(shí)間，提高了相關(guān)作業(yè)效率，降低了設(shè)備維護(hù)成本。后續(xù)有望繼續(xù)通過對設(shè)備功能原理的深入研究，逐步向完善拓展仿真模擬器功能、增加設(shè)備集成度的方向努力。