城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)列車蠕動模式設(shè)計與實現(xiàn)*

郎永強

(深圳市地鐵集團有限公司， 518035， 深圳∥工程師)

1 FAO列車的牽引及制動控制

在城市軌道交通FAO(全自動運行)線路中，列車以FAM(全自動運行模式)運行。FAM下信號系統(tǒng)的ATP(列車自動防護)子系統(tǒng)保證列車的運行安全，ATO(列車自動運行)子系統(tǒng)負責(zé)控制列車在站臺自動發(fā)車、站間自動運行、自動廣播、自動對位停車、自動開關(guān)門等操作，此時列車的牽引/制動控制指令及對應(yīng)的控制級位信息由信號系統(tǒng)發(fā)送。正常情況下，列車的方向指令、牽引/控制指令由信號系統(tǒng)的CC(車載控制器)通過I/O(輸入/輸出)接口進行控制，由車輛系統(tǒng)的TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))對指令進行采集，牽引/制動的級位信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議給出。

FAM下CC的牽引/制動級位信息傳遞如圖1所示。CC將牽引/制動級位信號通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送給TCMS。TCMS將該信息分別轉(zhuǎn)發(fā)至車輛的牽引控制單元及制動控制單元。當列車出現(xiàn)停車對標不準時，信號系統(tǒng)通過對牽引/制動級位的調(diào)整來實現(xiàn)列車到站自動對位停車，此時列車應(yīng)響應(yīng)信號系統(tǒng)的精細化調(diào)整策略，以實現(xiàn)車門與站臺門的精確對標。

FAM下若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，列車將不能繼續(xù)通過網(wǎng)絡(luò)途徑發(fā)送牽引/制動級位信息，此時需要通過采用硬線信號設(shè)備實現(xiàn)牽引/制動級位信息的傳遞，以確保區(qū)間內(nèi)的列車可維持運行至下一站。

此外，當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時不能對列車狀態(tài)進行實時監(jiān)控，需命令列車限速運行，以提高行車安全性。針對網(wǎng)絡(luò)故障帶來的風(fēng)險及影響，F(xiàn)AO命令列車采用CAM(蠕動模式)運行，以解決此問題。即：當車輛網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或車輛與CC間發(fā)生通信故障時，列車將向OCC(運營控制中心)申請進入CAM。列車停車后經(jīng)OCC行調(diào)確認，列車由FAM轉(zhuǎn)為CAM。CAM下ATP監(jiān)控列車以不超過25 km/h的速度自動運行至車站對標停車后扣車，列車自動打開車門完成乘客的乘降作業(yè)，隨后在站臺等待工作人員上車對故障進行處理。

2 列車申請進入CAM的條件

典型的FAO列車網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。與行車及牽引/制動控制相關(guān)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由3個部分組成：① 由TCMS管理的列車級MVB網(wǎng)；② 信號系統(tǒng)內(nèi)部通信的紅藍網(wǎng)；③ 制動CAN(控制器局域網(wǎng))。其中，制動CAN用于制動控制單元指令的執(zhí)行及故障診斷。任一網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，都將影響列車的正常牽引/制動控制功能，可據(jù)此分析列車申請進入CAM的條件。

注：A1、A2、B1、B2、C1、C2——分別代表6節(jié)編組列車不同的車廂編號；BCU-G——制動控制單元網(wǎng)關(guān)閥；BCU-S——制動控制單元智能閥；①——信號與TCMS的接口；②——TCMS與制動控制單元1的網(wǎng)絡(luò)接口；③——TCMS與制動控制單元2的網(wǎng)絡(luò)接口；④——TCMS與牽引控制單元的網(wǎng)絡(luò)接口。

2.1 TCMS與CC間通信中斷

FAM下TCMS與CC的網(wǎng)絡(luò)連接接口故障，或TCMS的2個VCU(車載控制單元)均發(fā)生嚴重故障時，將會導(dǎo)致列車無法繼續(xù)通過網(wǎng)絡(luò)途徑進行列車的牽引/制動控制。該故障的判定條件為：通過TCMS與CC之間互相檢測生命周期信號，在互相設(shè)定的時間(如8個生命周期)內(nèi)檢測不到生命信號，則可判斷為二者間通信故障。

TCMS與CC間若發(fā)生通信故障，列車將觸發(fā)緊急制動，此時CC向OCC行調(diào)申請進入CAM。OCC行調(diào)下發(fā)授權(quán)指令后，列車進入CAM。此時牽引/制動系統(tǒng)將切換至接收CC的硬線設(shè)備級位信號，并執(zhí)行與之對應(yīng)的牽引/制動級位信息輸出。

2.2 TCMS嚴重故障

當監(jiān)視列車運行及控制列車的關(guān)鍵采集模塊故障時，列車也無法通過網(wǎng)絡(luò)模式繼續(xù)控制前行。FAM下出現(xiàn)以下任意一種場景下的I/O模塊故障，都被視為TCMS嚴重故障：①圖2的A1端TCMS某個I/O模塊機箱A網(wǎng)、B網(wǎng)同時離線；②圖2的A2端TCMS某個I/O模塊機箱A網(wǎng)、B網(wǎng)同時離線。TCMS發(fā)生嚴重故障時，將觸發(fā)緊急制動并申請進入CAM。CC施加緊急制動令列車停車后，向OCC行調(diào)申請進入CAM。經(jīng)過OCC行調(diào)確認后，CC向列車發(fā)出CAM信號，列車進入CAM。

2.3 牽引網(wǎng)絡(luò)通信故障

FAM下若車輛牽引系統(tǒng)不能通過網(wǎng)絡(luò)接口正常響應(yīng)列車的牽引級位，則無法繼續(xù)滿足列車的運行需求，此時列車需要嘗試以CAM繼續(xù)運行至下一站。以6節(jié)編組FAO列車為例，當TCMS判斷出與之相連的3個及以上牽引系統(tǒng)發(fā)生通訊故障時，TCMS觸發(fā)緊急制動并申請進入CAM，CC施加緊急制動停車后向OCC申請進入CAM。經(jīng)過OCC行調(diào)確認后，CC向列車發(fā)出CAM模式信號，列車進入CAM。

2.4 制動網(wǎng)絡(luò)通信故障

FAM下若TCMS判斷出與之相連的3個及以上車輛制動系統(tǒng)發(fā)生通訊故障，其應(yīng)對措施與牽引網(wǎng)絡(luò)通信故障時的措施相同。

3 CAM下列車牽引/制動級位控制方式

列車申請進入CAM后，要實現(xiàn)CAM動車功能，除了獲取軌旁的移動授權(quán)外，列車上需要具備如下指令/信息，才能進行行車控制：①CAM指令(授權(quán)列車進入CAM)；②方向向前指令(提供前進信號)；③牽引指令(對列車發(fā)出牽引命令)；④制動指令(對列車發(fā)出制動命令)；⑤牽引/制動級位(提供列車發(fā)揮牽引/制動力大小的控制指令)信息。其中：CAM指令是列車進入CAM的條件；CAM方向指令、牽引指令及制動指令與FAM間均采用相同的硬線連接；牽引/制動級位信息在進入CAM時需要通過硬線接口通道替代原來的網(wǎng)絡(luò)接口通道。

實現(xiàn)硬線控制牽引/制動級位信息的傳輸，其方式主要有0/1數(shù)字編碼信號控制、PWM(脈寬調(diào)制)編碼信號控制兩種。這兩種方式因接口存在差異性，所需的設(shè)備也存在差異。

3.1 數(shù)字編碼控制

圖3為0/1數(shù)字編碼信號控制方式示意圖，信號系統(tǒng)發(fā)出3根硬線組合的0/1編碼信號，將牽引/制動級位信號輸出至車輛的牽引/制動系統(tǒng)。其中：牽引系統(tǒng)依據(jù)0/1編碼不同的組合響應(yīng)不同的牽引控制級位，考慮到CAM的控制需要，牽引系統(tǒng)通常采用4級調(diào)速；制動系統(tǒng)依據(jù)0/1編碼不同的組合響應(yīng)不同的制動控制級位，按照CAM的控制需要，制動系統(tǒng)通常采用7級調(diào)速。信號系統(tǒng)通過此級位控制方式控制列車運行至下一站，列車精確停車后打開列車車門。

圖3 0/1數(shù)字編碼信號控制示意圖

司機在手動駕駛并使用后備模式時，司控器也采用3根硬線控制的0/1編碼信號控制列車運行，以確保牽引/制動系統(tǒng)與CAM接口的一致性。

3.2 PWM編碼信號控制

圖4為PWM編碼信號控制方式示意圖，信號系統(tǒng)將0～20 mA的電流信號發(fā)送至車輛的PWM編碼器，車輛采集到該信號后將該信號轉(zhuǎn)換成PWM方波信號傳送給牽引/制動系統(tǒng)。每個牽引控制器內(nèi)均配有對應(yīng)的PWM解碼器，用以對PWM編碼信號進行解碼，實現(xiàn)對牽引級位信息的響應(yīng)。每個制動控制單元內(nèi)均配有相應(yīng)的用于處理PWM編碼信號的解碼模塊，可對PWM編碼的級位信號進行解碼，以響應(yīng)對應(yīng)的制動控制級位請求信號。

司機在手動駕駛并使用后備模式時，司控器的級位信號將同步輸出至PWM編碼器。PWM編碼器將該信號進行編碼后發(fā)送給牽引/制動系統(tǒng)，牽引/制動系統(tǒng)再進行對應(yīng)的解碼。

圖4 PWM編碼信號控制示意圖

3.3 兩種控制方式的差異分析

從功能應(yīng)用上看，二者基本一致，均能實現(xiàn)列車的精確停車對標，且能滿足CAM下列車運行至下一個載客站臺進行清客，以及人工登車接管處置列車的功能需求。

兩種控制方式在設(shè)備上存在一定的差異，PWM編碼信號控制方式需要列車新增編碼器及解碼器，且對司控器、牽引、制動等提出更高的配置需求：司控器需增加PWM編碼器，數(shù)量為2套/列；牽引控制系統(tǒng)需增加PWM解碼器，數(shù)量為6套/列；制動控制系統(tǒng)需增加網(wǎng)關(guān)閥及I/O模塊，數(shù)量為6套/列。因此，與0/1數(shù)字編碼信號控制方式所需費用相比，PWM編碼信號控制方式整體投入的費用更大。此外，PWM編碼信號控制方式在設(shè)備的全壽命周期維護管理上也需要付出更多。

綜上所述，與PWM編碼信號控制方式相比，0/1編碼信號控制方式具有更強的適用性及經(jīng)濟性，因此，該方式在FAO項目中得以廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語

CAM作為一種應(yīng)對FAO下控制網(wǎng)絡(luò)故障的降級模式，在實施過程中需要厘清其啟動的條件。在選擇CAM的實施方式時，需在確保實現(xiàn)CAM功能的基礎(chǔ)上考慮實施方案的經(jīng)濟及匹配性。應(yīng)選用可靠、簡潔的技術(shù)實施方案，保障網(wǎng)絡(luò)故障的降級模式下列車可進站完成對標停車，最大限度降低因列車降級運行對運營產(chǎn)生的影響。