列車(chē)控制單元宕機(jī)引起地鐵車(chē)輛溜車(chē)的故障分析及優(yōu)化

陳卓群

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，廣州 511495）

為了保證地鐵車(chē)輛安全運(yùn)營(yíng)，地鐵車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)通常設(shè)有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)等制動(dòng)功能。常用制動(dòng)采用電空復(fù)合控制方式，優(yōu)先使用電制動(dòng)，若電制動(dòng)力不足則由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。緊急制動(dòng)優(yōu)先于常用制動(dòng)，具有故障導(dǎo)向安全功能，根據(jù)緊急安全回路的高低電平狀態(tài)分別緩解和施加純空氣制動(dòng)，緊急制動(dòng)可以由下列條件觸發(fā)：車(chē)輛后溜故障、蘑菇按鈕、列車(chē)超速、ATP系統(tǒng)等。保持制動(dòng)采用一個(gè)固定制動(dòng)力值，在車(chē)輛停車(chē)前的低速運(yùn)行中空氣制動(dòng)將代替電制動(dòng)實(shí)施保持制動(dòng)，它可避免車(chē)輛在坡道上停車(chē)和啟動(dòng)時(shí)因溜車(chē)引發(fā)安全事故［1］。

某地鐵車(chē)輛設(shè)置有保持制動(dòng)及車(chē)輛后溜故障由VCM觸發(fā)緊急制動(dòng)功能。該車(chē)輛保持制動(dòng)力為最大常用制動(dòng)力的70%，確保車(chē)輛在AW3載荷下也能在線路最大坡道上停穩(wěn)和啟動(dòng)不溜車(chē)。車(chē)輛由制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)綜合速度及制動(dòng)系統(tǒng)速度施加保持制動(dòng)力，VCM根據(jù)車(chē)輛整車(chē)牽引力、列車(chē)速度緩解保持制動(dòng)力。車(chē)輛后溜故障由牽引系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷，VCM根據(jù)收到的車(chē)輛后溜故障信息觸發(fā)車(chē)輛緊急制動(dòng)功能。為避免車(chē)輛后溜問(wèn)題，該車(chē)輛已設(shè)置保持制動(dòng)功能與后溜故障觸發(fā)緊急制動(dòng)功能，但運(yùn)營(yíng)3年后卻出現(xiàn)一起因VCM宕機(jī)導(dǎo)致的車(chē)輛后溜故障。

經(jīng)調(diào)查分析，該車(chē)輛原先設(shè)計(jì)的保持制動(dòng)施加及車(chē)輛后溜故障觸發(fā)緊急制動(dòng)功能具有一定缺陷，導(dǎo)致車(chē)輛在VCM宕機(jī)情況下出現(xiàn)后溜。

1 故障經(jīng)過(guò)及現(xiàn)象

1.1 故障現(xiàn)象

某地鐵列車(chē)以ATO模式駕駛，進(jìn)站過(guò)程中車(chē)輛HMI（人機(jī)交換界面）出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，列車(chē)在自動(dòng)停車(chē)后出現(xiàn)后溜，司機(jī)通過(guò)操作快速制動(dòng)使列車(chē)停穩(wěn)。

通過(guò)回放列車(chē)監(jiān)控視頻，發(fā)現(xiàn)列車(chē)后溜時(shí)：

（1）列車(chē)自出現(xiàn)HMI黑屏后至自動(dòng)停車(chē)，氣制動(dòng)施加燈不亮。

（2）列車(chē)在自動(dòng)停車(chē)后制動(dòng)氣壓表制動(dòng)壓力為0，制動(dòng)處于緩解狀態(tài)。

（3）自HMI出現(xiàn)黑屏至車(chē)輛溜車(chē)前，司機(jī)未進(jìn)行任何操作。

1.2 故障履歷數(shù)據(jù)

檢查車(chē)輛故障履歷數(shù)據(jù)如圖1所示，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛HMI黑屏?xí)r整車(chē)所有子系統(tǒng)與A1車(chē)VCM（主用）均出現(xiàn)通信故障，可以判斷此時(shí)A1車(chē)VCM通信異常。

圖1 通信故障履歷

2 車(chē)輛溜車(chē)保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 保持制動(dòng)設(shè)計(jì)邏輯

保持制動(dòng)是為防止車(chē)輛在停車(chē)前的沖動(dòng)，使車(chē)輛平穩(wěn)停車(chē)，由制動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行內(nèi)部設(shè)定的程序。制動(dòng)系統(tǒng)施加保持制動(dòng)具有4個(gè)條件，當(dāng)且僅當(dāng)4個(gè)條件全部滿(mǎn)足，列車(chē)才允許施加保持制動(dòng)，如圖2所示。

圖2 保持制動(dòng)控制邏輯

（1）本軸速度小于0.5 km/h；

（2）TCMS綜合速度速度小于10 km/h；

（3）本CAN網(wǎng)段拖車(chē)第一個(gè)轉(zhuǎn)向架最大軸速度小于10 km/h；

（4）本架制動(dòng)系統(tǒng)最大軸速度小于5 km/h。

若車(chē)輛滿(mǎn)足制動(dòng)系統(tǒng)施加保持制動(dòng)條件，保持制動(dòng)施加邏輯如下：在VCM生命信號(hào)有效時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)牽引指令無(wú)效則制動(dòng)系統(tǒng)施加保持制動(dòng)；在VCM生命信號(hào)無(wú)效時(shí)，當(dāng)硬線牽引指令無(wú)效則制動(dòng)系統(tǒng)施加保持制動(dòng)。

2.2 車(chē)輛在后溜時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)設(shè)計(jì)邏輯

故障車(chē)輛設(shè)計(jì)具備在后溜時(shí)起緊急制動(dòng)的功能：TCMS根據(jù)牽引系統(tǒng)傳輸?shù)能?chē)輛后溜故障信息，由VCM輸出接口驅(qū)動(dòng)車(chē)輛安全回路掉電，使得車(chē)輛產(chǎn)生緊急制動(dòng)停車(chē)。

牽引系統(tǒng)負(fù)責(zé)判斷車(chē)輛后溜故障，如圖3所示。當(dāng)牽引系統(tǒng)判斷出主控手柄方向和牽引電機(jī)的實(shí)際方向不一致，只要以下任意1個(gè)條件有效則牽引系統(tǒng)觸發(fā)后溜故障邏輯：

圖3 后溜故障判斷邏輯

（1）溜車(chē)速度大于1 km/h且溜車(chē)時(shí)間超過(guò)0.2 s。

（2）溜車(chē)持續(xù)時(shí)間大于10 s。

（3）溜車(chē)距離大于0.4 m。

車(chē)輛只要滿(mǎn)足以下任一條件，牽引系統(tǒng)對(duì)后溜故障進(jìn)行復(fù)位：

（1）硬線制動(dòng)指令有效持續(xù)5 s及以上。

（2）硬線緊急制動(dòng)指令持續(xù)2 s及以上。

（3）DCU內(nèi)部出現(xiàn)生命信號(hào)故障。

在TCMS正常時(shí)，牽引系統(tǒng)將后溜故障狀態(tài)反饋至VCM，由VCM觸發(fā)車(chē)輛后溜導(dǎo)致的緊急制動(dòng)。TCMS通過(guò)VCM實(shí)現(xiàn)車(chē)輛緊急制動(dòng)控制功能，TCMS在2個(gè) 單元車(chē)分 別 配置1個(gè)VCM進(jìn)行 熱備冗余。一單元VCM為主用，二單元備用VCM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主VCM的狀態(tài)，當(dāng)主VCM出現(xiàn)故障或信號(hào)干擾時(shí)，備用VCM將接管主VCM的職責(zé)，行使所有的總線管理和控制功能，VCM的緊急制動(dòng)硬線接口控制功能如圖4所示。

圖4 VCM緊急制動(dòng)輸出接口

當(dāng)TCMS收到牽引系統(tǒng)的后溜故障信息時(shí)，主用VCM在經(jīng)過(guò)邏輯計(jì)算后，通過(guò)接口模塊觸發(fā)VCM緊急制動(dòng)，控制緊急制動(dòng)繼電器EB上電，EB繼電器常閉觸點(diǎn)隨即斷開(kāi)，安全回路掉電后控制車(chē)輛施加緊急制動(dòng)。

3 溜車(chē)原因分析

3.1 事件記錄儀數(shù)據(jù)分析

故障時(shí)段TCMS事件記錄波形如圖5所示。通過(guò)事件記錄波形，復(fù)位故障信息如下。在t0～t4時(shí)段，VCM生命信號(hào)與車(chē)輛綜合速度信號(hào)均出現(xiàn)卡滯不變故障情況，其中VCM計(jì)算得出的綜合速度保持為VCM故障前的64 km/h，對(duì)比制動(dòng)系統(tǒng)軸速與牽引系統(tǒng)電機(jī)綜合轉(zhuǎn)速變化情況可知，車(chē)輛實(shí)際處于減速過(guò)程，可以以此判斷該時(shí)段VCM宕機(jī)，主從VCM切換失??；t1～t2時(shí)段，根據(jù)制動(dòng)軸速為0而所有制動(dòng)緩解信號(hào)高電平可知，車(chē)輛在VCM癱瘓情況下停車(chē)且未施加氣制動(dòng)；t2～t3時(shí)段8 s內(nèi)，車(chē)輛在牽引指令低電平及制動(dòng)指令高電平、所有制動(dòng)緩解信號(hào)高電平即氣制動(dòng)未施加情況下出現(xiàn)溜車(chē)，溜車(chē)速度約0.2 km/h，后溜距離約0.4 m，期間牽引系統(tǒng)檢測(cè)到后溜，后溜故障在牽引系統(tǒng)受到制動(dòng)指令持續(xù)5 s后復(fù)位；t3時(shí)刻，司機(jī)在發(fā)現(xiàn)車(chē)輛溜車(chē)后，通過(guò)操作主控手柄施加快速制動(dòng)停車(chē)；t4時(shí)刻，VCM生命信號(hào)恢復(fù)跳變，TCMS系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖5 故障波形圖

3.2 溜車(chē)原因

針對(duì)VCM宕機(jī)、主從2個(gè)VCM切換失敗問(wèn)題，組織供應(yīng)商技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)宕機(jī)原因?yàn)楣收蠒r(shí)PIDS交換機(jī)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，PIDS交換機(jī)通過(guò)接口同時(shí)向主從2個(gè)VCM發(fā)送了大量數(shù)據(jù)，VCM均在超負(fù)荷工作下出現(xiàn)宕機(jī)。在VCM宕機(jī)時(shí)，車(chē)輛存在2個(gè)問(wèn)題，分別是車(chē)輛在故障時(shí)未施加保持制動(dòng)、后溜故障時(shí)VCM未主動(dòng)施加緊急制動(dòng)。

車(chē)輛在故障時(shí)未施加保持制動(dòng)。根據(jù)保持制動(dòng)設(shè)計(jì)邏輯，制動(dòng)系統(tǒng)施加保持制動(dòng)的充分條件之一是VCM計(jì)算得出的列車(chē)TCMS綜合速度小于10 km/h。網(wǎng)絡(luò)模式下本地速度傳感器故障，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛在運(yùn)行中制動(dòng)系統(tǒng)錯(cuò)誤施加保持制動(dòng)，造成帶閘跑車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在保持制動(dòng)施加邏輯中，需考慮列車(chē)綜合速度。在t0～t4的故障時(shí)段，因VCM宕機(jī)導(dǎo)致列車(chē)綜合速度保持為故障前的64 km/h。制動(dòng)系統(tǒng)收到錯(cuò)誤的列車(chē)綜合速度，該異常速度超過(guò)10 km/h，不滿(mǎn)足制動(dòng)系統(tǒng)施加保持制動(dòng)的條件，因此車(chē)輛未能施加保持制動(dòng)。

車(chē)輛在后溜故障時(shí)VCM未主動(dòng)施加緊急制動(dòng)。根據(jù)車(chē)輛在后溜時(shí)觸發(fā)緊急制動(dòng)設(shè)計(jì)邏輯，當(dāng)溜車(chē)距離大于0.4 m且無(wú)后溜故障復(fù)位信號(hào)時(shí)，牽引系統(tǒng)發(fā)出后溜故障信息，VCM根據(jù)后溜故障驅(qū)動(dòng)EB緊急制動(dòng)繼電器上電，從而控制車(chē)輛安全回路斷電。t2～t3時(shí)段，在車(chē)輛溜車(chē)時(shí)，牽引系統(tǒng)檢測(cè)到后溜故障，TCMS也收到該故障反饋。故障時(shí)VCM宕機(jī)，不進(jìn)行邏輯計(jì)算，未能驅(qū)動(dòng)EB緊急制動(dòng)繼電器上電，安全回路保持上電狀態(tài)，故車(chē)輛未能通過(guò)VCM施加緊急制動(dòng)，不符合“故障導(dǎo)向安全”原則。

4 解決措施

由于VCM宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法杜絕，為徹底避免車(chē)輛在VCM宕機(jī)后出現(xiàn)保持制動(dòng)無(wú)法施加或車(chē)輛檢測(cè)到后溜時(shí)無(wú)法施加緊急制動(dòng)的情況，必須對(duì)VCM宕機(jī)后制動(dòng)系統(tǒng)保持制動(dòng)施加邏輯及VCM緊急制動(dòng)邏輯加以完善，同時(shí)還需對(duì)司機(jī)故障處理指南進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 制動(dòng)系統(tǒng)保持制動(dòng)施加邏輯優(yōu)化

在制動(dòng)系統(tǒng)軟件中修正網(wǎng)絡(luò)故障后，未清除無(wú)效的列車(chē)綜合速度的問(wèn)題。當(dāng)VCM生命信號(hào)有效時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)將原來(lái)的4個(gè)條件作為施加保持制動(dòng)的前提。當(dāng)VCM生命信號(hào)無(wú)效以后，制動(dòng)系統(tǒng)取消將VCM計(jì)算得出的列車(chē)綜合速度作為保持制動(dòng)施加的前提條件之一，只保留以下3個(gè)條件作為保持制動(dòng)施加的充分條件：

（1）本軸速度小于0.5 km/h；

（2）本架制動(dòng)系統(tǒng)最大軸速度小于5 km/h；

（3）本CAN網(wǎng)段拖車(chē)第一個(gè)轉(zhuǎn)向架最大軸速度小于10 km/h。

4.2 車(chē)輛在VCM宕機(jī)時(shí)導(dǎo)向安全

接口電路將緊急制動(dòng)繼電器EB串入安全回路的常閉觸點(diǎn)替換為常開(kāi)觸點(diǎn)。在VCM正常且VCM未觸發(fā)緊急制動(dòng)條件時(shí)，VCM驅(qū)動(dòng)EB繼電器上電，EB繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，安全回路上電，車(chē)輛緩解緊急制動(dòng)。在VCM異常宕機(jī)時(shí)，由于VCM不進(jìn)行邏輯計(jì)算，未能驅(qū)動(dòng)EB繼電器上電，EB繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷電，安全回路掉電，車(chē)輛施加緊急制動(dòng)，符合“故障導(dǎo)向安全”原則，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后VCM緊急制動(dòng)輸出接口

4.3 其他措施

為了規(guī)范VCM宕機(jī)故障下司機(jī)操作，可編制司機(jī)操作指引，并要求司機(jī)在HMI黑屏等故障現(xiàn)象下通過(guò)操作快速制動(dòng)控制列車(chē)停車(chē)，將車(chē)輛駕駛模式切換至緊急牽引模式。此外，車(chē)輛專(zhuān)業(yè)技術(shù)員應(yīng)督促PIDS專(zhuān)業(yè)針對(duì)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴問(wèn)題，制定交換機(jī)端口帶寬限制及廣播報(bào)文抑制措施，確保車(chē)輛與PIDS接口工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4.4 優(yōu)化結(jié)果

采用上述優(yōu)化措施對(duì)保持施加邏輯及VCM緊急制動(dòng)邏輯進(jìn)行優(yōu)化后，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)斷開(kāi)主用及備用VCM電源以模擬VCM宕機(jī)，車(chē)輛立即施加緊急制動(dòng)直至停車(chē)，當(dāng)列車(chē)停穩(wěn)后，制動(dòng)系統(tǒng)仍能有效施加氣制動(dòng)。以上驗(yàn)證結(jié)果表明，上述優(yōu)化措施可杜絕整車(chē)VCM宕機(jī)后的溜車(chē)問(wèn)題。

5 結(jié)論

分析某地鐵車(chē)輛在VCM宕機(jī)后出現(xiàn)后溜的故障原因，得出該車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)在故障下仍將VCM綜合速度作為保持制動(dòng)施加的條件之一，導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法施加保持制動(dòng)。此外，在牽引系統(tǒng)檢測(cè)到車(chē)輛后溜時(shí)，車(chē)輛原設(shè)計(jì)的由VCM觸發(fā)后溜故障導(dǎo)致的緊急制動(dòng)失效，不符合故障導(dǎo)向安全原則。針對(duì)以上缺陷，分別對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)保持制動(dòng)施加邏輯、車(chē)輛在VCM宕機(jī)后緊急制動(dòng)導(dǎo)向安全進(jìn)行優(yōu)化，以上措施可有效防止車(chē)輛在VCM宕機(jī)后出現(xiàn)的溜車(chē)風(fēng)險(xiǎn)。