地鐵列車客室門系統冗余設計的優化

原宇博

(貴陽城市軌道交通有限公司機電設備部，550081，貴陽∥工程師)

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地鐵列車客室門系統冗余設計的優化

原宇博

(貴陽城市軌道交通有限公司機電設備部，550081，貴陽∥工程師)

硬線和網絡指令的冗余設計已經應用于地鐵列車的車門控制?；谙鹊较葓绦械脑瓌t,門控器對“硬連線信號”和“網絡信號”均能響應,以先接收到的信號為準控制車門的開閉。分析了冗余信號的時序,以及冗余指令沖突導致車門無法關閉的問題,提出了客室門系統冗余設計的優化方案,并將該方案應用于廣州地鐵車輛的調試。實踐證明該方案能有效避免冗余指令沖突,大大提高列車門控系統的可靠性。

地鐵； 客室門系統; 指令冗余; 優化設計

Author′s address Guiyang Urban Rail Transit Co.,Ltd.,550081,Guiyang,China

現今地鐵列車多使用車門控制器(簡稱“門控器”)來進行客室門的控制和保護。門控器模塊化設計時還引入了車門網絡的設計。但在國內的運營中,發現了一些冗余設計和接口設計的缺陷。例如,廣州地鐵2號線列車采用了南京康尼機電股份公司的車門控制器,中車株州電力機車有限公司設計的外部控制電路,西門子牽引設備有限公司的列車控制管理系統(TCMS)和車載信號裝置。曾發生的一次硬線指令與網絡指令沖突故障造成了列車車門保持在打開位而無法關閉。本文就此展開分析,論述地鐵列車的車門控制功能的冗余和優化設計。

1 硬線與網絡指令的冗余

在故障案例中,司機在發車之前按關門按鈕數次,伹列車一直未能關門,后來該列車清客退出服務。經分析,當時列車狀態是ATO(列車自動運行)模式,車門控制旋鈕在“自動”檔位,但此時因車載信號裝置處理“ATO開門保持指令”的延時,需司機持續按下關門按鈕超過800 ms才能可靠執行關門,而在URM(不受限制的人工駕駛)模式下僅需不到100 ms(以上均為監測數據)。而故障發生時，司機按下關門按鈕時間約為460 ms。

通過仔細分析外部電路設計和門控器的指令邏輯,硬線的電平變化檢測需500 ms的穩定時間,而網絡指令也存在512 ms的輪詢。因此，如果出現小于500 ms的硬線指令,則可能硬線指令與網絡指令的“開/關”狀態不同且同時存在,從而形成“恒高電平”狀態,造成門控器響應某動作一次后不再響應。由此可見，在故障案例中，司機僅按關門按鈕460 ms就松開,可判斷是“硬線的開/關門指令和網絡的關門指令發生了沖突”,從而造成了門控器的不再響應。

1.1 開/關門的硬線信號模式

開關門列車線為2根，分別由2個輸入口傳送給門控器。2根列車線傳輸的信號為互斥的電平信號。正常情況下，當開門列車線為高電平時，關門列車線為低電平；當關門列車線為高電平時,開門列車線為低電平。當任意1個硬連線信號發生高電平跳變,且維持500 ms時，則門控器會在延遲3 s后響應相關操作。

這種信號系統可能出現的故障為:①關門列車線恒為高電平,或者恒為低電平;②開門列車線恒為高電平,或者恒為低電平。發生故障時,恒有效的電平信號僅被執行一次,且不會影響其它信號操作。緊急解鎖操作可以將門打開,隔離操作可以將門隔離,維護按鈕可以正常開關門。若關門列車線恒為高電平,則開門列車線的高電平跳變仍可執行開門操作,但此后不再響應關門列車線的高電平。

同理,若開門列車線恒為高電平,則關門列車線的高電平跳變仍可以執行關門操作,但此后將不再響應開門列車線的高電平指令。若高電平跳變小于500 ms，則不會響應相應指令。

1.2 開關門的網絡信號模式

由TCMS通過MVB(多功能車輛總線)發送給主門控器的網絡開門信號和網絡關門信號為互斥的邏輯信號。當網絡開門信號為有效時，網絡關門信號為無效;反之,當網絡關門信號為有效時，網絡開門信號為無效。當任意1個網絡信號發生從無效到有效的跳變時,門控器就會進行相關的操作。

此種信號系統可能出現的故障為:①網絡關門信號恒有效或恒無效;②網絡開門信號恒有效或恒無效。發生這種故障時,恒有效的網絡信號僅被執行一次,且不會影響其它信號的操作。此時緊急解鎖操作可以將門打開,隔離操作可以將門隔離,維護按鈕可以正常開關門。若網絡關門信號恒有效,當網絡開門信號從無效跳變為有效時,仍可以執行開門操作,但此后不再響應網絡關門信號。

同理,若網絡開門信號恒有效,則當網絡關門信號從無效跳變為有效時,仍可執行關門操作,但此后不再響應網絡開門信號。

由于網絡采取輪詢機制,故此時，接收到的網絡信號比硬線信號延時。若硬線信號維持時間很短,則有可能導致門控制器無法接收到正確的網絡開關門信號。

1.3 目前“先到先執行”的開/關門冗余方案

無論是硬連線開關門信號還是網絡開關門信號,只要發生正確的跳變,門控器就會響應該信號。

若先檢測到硬連線開門信號跳變維持500 ms,則立即執行開門操作；如果在操作過程中,又檢測到“網絡開門信號”從無效跳變到有效,則仍保持開門操作,直到門開到位。同理,若先檢測到“網絡開門信號”從無效跳變到有效,則立即執行開門操作；如果在操作過程中,又檢測到硬連線開門信號跳變維持500 ms,則仍保持開門操作,直到門開到位。

若先檢測到硬連線關門信號上跳變維持500 ms,則執行延時關門操作；如果在操作過程中,又檢測到“網絡關門信號”從無效跳變到有效,則仍保持關門操作,直到門關到位。同理,若先檢測到網絡關門信號從無效跳變到有效,則執行延時關門操作；如果在操作過程中,又檢測到有效的硬連線關門信號跳變維持500 ms,則仍保持關門操作,直到門關到位。

1.4 冗余方案建議

1.4.1 默認優先、選擇優先的冗余方案

增加單獨的硬線識別信號。默認網絡優先,當該識別列車線信號為高電平時,只認可網絡開關門信號；當該識別列車線信號為低電平時,只認可硬連線開關門信號。在司機臺或控制柜面板增加旋鈕選擇開關,設置“網絡/硬線”檔位。

增加網絡優先通信標志。當門控器接收到網絡優先標志為有效時,只認可網絡開關門信號；當門控器接收到網絡優先標志為無效時,只認可硬線信號。

門控子網絡采用雙主門控器時,需再設置默認主從關系或者雙主控的門控器故障時主控權的交接機制。

1.4.2 列車網絡與車門子網絡的冗余

南京康尼機電股份有限公司的門系統子網絡,最初僅采用了485總線通信方式。2個主門控器(MDCU)分別布置在兩端,其他從門控器(LDCU)在中間串聯起來,(如圖1所示)。如果在LDCU3和LDCU5之間發生RS485斷路,則會顯示其后的門控器通信故障。若此時MDCU1做主控管理,則其后的LDCU5、7、9、10、8、6、4、2全部通信故障。這種方案顯然過分依賴于RS485電纜的物理連接可靠性和冗余性。而此時2個MDCU分別與TCMS通過MVB通信,且僅有1個做主控與TCMS通信,并不能有效地識別和反映當前子網絡的各個門控器的狀態并告知故障點。

圖1 門系統子網絡485總線通信方式

建議在2個MDCU之間直接使用MVB通信。在“斷點”的兩側,由2個MDCU分別保持與從門控器的通信,并通過MVB集中傳輸數據到其中做主控的MDCU,再與TCMS通信傳輸狀態數據，如圖2所示。這樣既可不斷子網,又可立即報告出斷點。但是,若斷點在MDCU1和LDCU3之間或者MDCU2和LDCU4之間,則有可能報出MDCU通信故障。例如;MDCU2做主控,斷點在LDCU1和LDCU3之間時,則報MDCU1通信故障(報后位故障原則)。若用報前位原則故障也可能在MDCU1做主控,斷點在1和3之間時,報自身通信故障。為了解決這個問題,還需再設置1個優化且智能的門控器主控權默認和交接機制。

圖2 增加主門控器MVB通信

由于在門控器設計中,車門子網與列車主控TCMS之間的通信沒有包括TCMS對2個主門控器MDCU1和MDCU2的網絡地址識別分配內容,也沒有默認主控的概念和故障情況下主權交接的內容。TCMS僅在MVB上獲得門子網發來的標準格式數據包,但并不確認由哪一個MDCU發送來。由此可能出現主門控器搶權或者雙主控無法識別問題。因此，如不改變已簽訂的接口協議和技術合同,應做好確認MDCU唯一有效性的工作,包括子網內部識別、子網內部同時有效性、與TCMS通信唯一有效性及故障時主權交替機制。始終保持以唯一的主門控器來管理子網。

2 列車線控制與繼電器控制

采用列車外部電路設計的列車，有些傾向于列車線直接控制,有些傾向于繼電器控制。不同的設計各有優劣性。

2.1 列車線控制

從駕駛室的車門開關按鈕到門控器均由硬線連接,無需中間繼電器。此方案節省了元件,節約了制造成本,減少了控制電路上的故障節點。

但是一旦出現短路故障,就可能直接燒損門控器,甚至危及操作人員安全,造成較大的損失。例如,廣州地鐵3號線曾在司機按關門按鈕時,按鈕下方產生了電火花，造成事故。其后檢查發現還，燒損了1個客室門控器的內部電路。

2.2 繼電器控制

在操作按鈕到列車線之間采用中間繼電器控制，當發生故障時,便于在繼電器位置檢查測量。一旦發生人為操作失誤，只造成繼電器的損壞,可保護門控器的設備安全。但是此方案增加了很多元件,增加了成本,也多了故障隱患節點,需經常檢查維護各繼電器狀態。

2.3 方案優化

建議首先保護門控器,并用中間繼電器控制；同時，增加緊急情況使用的列車線控制電路,并通過在司機臺設置獨立的帶鉛封和保護外蓋控制按鈕來控制。在外部電路失效的情況下，可使用緊急按鈕,忽略原控制電路,直接由列車線發送開/關指令給門控器,代替了以前需司機打開控制柜，手動按下車門保持繼電器8K03/8K04來強行打開左/右全列車客室門的緊急操作方式。這種雙保險的冗余設計在廣州地鐵1、2、8號線增購列車上得以首次嘗試使用，且目前使用狀況良好。優化方案電路設計如圖3、圖4所示。

圖3 增加緊急開/關門電路

圖4 緊急開/關門電路到開/關門列車線

3 結語

地鐵列車車門控制設計不僅包括車門子網和門控器軟硬件的設計,更包括外部控制電路的設計、與列車主控系統TCMS的接口設計,以及與外部電路和車載信號系統的接口設計。這一系列互相影響的問題,需要在整車設計之初就開始著手細化,并將任務、責任分解到各個相關供應商,以確保系統可靠安全地工作。

[1] 株洲電力機車有限公司.廣州地鐵2 & 8號線列車電路原理圖[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[2] 株洲電力機車有限公司.廣州地鐵2 & 8號線列車操作手冊、維修手冊[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[3] 西門子牽引設備有限公司.廣州地鐵2 & 8號線列車Expert2應用軟件及SIBAS.G應用軟件說明[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[4] 廣州地鐵運營事業總部車輛中心.廣州地鐵2 & 8增購設計聯絡車門控制原理[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[5] 株洲電力機車有限公司.整車右門無法關閉事件分析報告[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[6] 南京康尼機電股份有限公司.整車右門無法關閉事件分析[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

Optimum Redundant Design of Metro Passenger Compartment Door System

YUAN Yubo

The redunant design of hardwire and network command has been applied in passenger compartment door system. Based on the principle of "First arrives, first executes", the door controller can response to both hardwire signal and network command, keeping the door open or close in accordance with the first signal. In this paper, the time sequence of redundant signal and the problem of door faults caused by redundant command conflict are analysed, an optimum design is proposed, which has been applied in train debug of Guangzhou metro. The effectiveness of this design is verified, it can enhance the reliability of door system significantly.

metro; passenger compartment door system; command redundant; optimum design

U 270.38+6

10.16037/j.1007-869x.2016.09.030

2014-12-23)