淺析城市軌道交通中塵土對列車車載控制器的危害

崔耕

摘 要：在基于通信的列車控制系統（Communications Based Train Control，CBTC）中，車載控制器起著核心作用，它保證列車準確定位、始終處于安全車速控制范圍，使車地雙向通信實時高效。因為城軌行車環境的作用，造成列車被塵土附著，以往工作中較為重視車體的清潔除塵，通常會忽視塵土對車載設備運行的影響，而文章以杭州地鐵一號線列車為例，淺析塵土對車載控制器運行工作狀態的危害及成因，希望可為城市軌道建設提供一定幫助。

關鍵詞：城市軌道交通；塵土腐蝕；車載控制器

隨著軌道交通線網密度的愈發復雜和行車速度的不斷提升，迫切要求構建安全穩定、經濟可行的信號系統。列車控制系統能夠全面保障行車安全，并可提升運行效率，至關重要。在基于通信的列車控制系統中車載列控設備主要由微處理器及其它超大規模集成電路芯片組成，它與長久以來以安全繼電器為核心的鐵路信號設備所不同之處在于其器件不具備非對稱故障特性。我國是一個環境污染嚴重的國家，塵士污染較他國相對嚴峻，而塵土污染是造成機電元件電接觸故障的十分普遍。保護時刻暴露在塵土中的處理器及芯片電路免受塵土危害的影響，將能夠進一步提高列車控制系統的可靠性，減少故障出現幾率。

1 城市軌道車載控制器功能及組成概述

杭州一號線采用阿爾斯通和國內某車廠聯合生產的“B”型電客列車。共6節車廂前后兩端司機室各布置一臺車載控制器。每個車載控制器包含一個移動通信系統（MR），一個查詢器主機（TI），兩套自動列車防護和運行（ATP/ATO）機籠，兩個模擬加速度計，兩個數字加速度計，三個安全繼電器和連接器（用于和列車系統接口）。

車載控制器的主體是由兩套自動列車防護與運行機籠組成。兩機籠種共計裝有2塊以太網交換和擴展器板、3塊主處理器板、2塊主處理器外部存儲器板、4塊輸入/輸出板、1塊移動無線主機和查詢器電源板、1塊機籠模塊電源非安全繼電器板、1塊安全繼電器板、1塊查詢應答器轉換器板。該機籠主要負責確定列車位置、監督列車速度、確保適當的必要制動次序、管理列車控制模式、根據軌旁ZC提供的信息控制列車。由此可見，車載控制器運行穩定的關鍵在于兩套自動列車防護和運行（ATP/ATO）機籠的正常工作。然而機籠中的板卡都為印刷電路板覆以微處理器及其它超大規模集成電路芯片組成。板卡的通電工作會影響周圍電荷分布以及塵埃的沉降作用將吸附塵土附著其上。

2 列車設備中塵土的危害分析

2.1 塵土腐蝕

塵土顆粒在電子板卡接觸表面發生的腐蝕為原電池腐蝕，濕度較高的潮濕環境中更容易發生。在地鐵隧道中相對封閉潮濕的環境，恰恰有利于這種腐蝕的生成。隧道中長時間沉積輪對摩擦碎屑、列車受電弓碳刷碳粉殘留及地鐵土建殘留物共同構成封閉隧道中主要塵埃物質。因為電子板卡不可能做到完全密封處理，塵土必然會能借助列車運動氣流運動通過電器設備上的孔隙進入設備內部，由于設備內部電磁場和熱場的作用而選擇性沉積到電子板卡接觸表面上。

當前電路板電鍍工藝不可避免接點表面鍍層上微孔的存在，在濕潤環境下，因為灰塵的洗濕性接點表面會形成一層水膜，在接點表面上塵上顆粒中的水溶性鹽類便會溶于水，便形成了電解液，這樣就腐蝕生成物，并蔓延聚集到微孔表面，出現高接觸電阻，嚴重時會使得接點斷路。另外電路板表面在生產時存在一定的粗糙面，造成了局部區域氣孔或者比較低凹的部位的存在，這些部位會由于毛細作用力的作用吸收水分，配合塵土溶液的腐蝕加速電子板卡的破損。

而塵土所含顆粒中不可溶成分，可能擦傷鍍層表面，甚至使基底金屬暴露而腐蝕；或在兩導體之間形成漏電流，造成系統相關電路的失效。由于塵土對設備造成的上述種種危害，必然會加大車載控制器運行的安全隱患，最終引發故障。車載處理器中板卡電路如發生異常，相應的板卡將形成故障報警，使列車個別運行模式不可用，運行中的板卡突然停止工作，甚至導致列車緊急制動，影響線路的正常運營 。

2.2 散熱不良

在當前電子技術的發展下，電子元器件和設備的單位面積或體積功率密度日益加大，電子設備功率不斷增大的同時體積逐漸縮小，而其帶來的散熱問題，便成了商家和研究者共同關注的焦點。據相關研究顯示，電子儀器和設備的主要故障是過熱而導致的損壞，電子儀器和設備的失效率是伴隨著溫度的升高成指數增長，還有更為嚴重的，一些器件還存在10℃法則，即環境溫度每升高10℃，電子器件的失效率就會增大一倍以上。地鐵封閉潮濕的環境要比陸地更加惡劣，隨著溫度的升高，損壞率將更嚴重并會影響設備的使用壽命。

塵土中多含纖維物質，纖維分為天然纖維和化學纖維兩類，纖維物質有很強的附著性，在電子設備靜電影響下裹挾塵土顆粒附著板卡上，隨著時間推移不斷增厚，嚴重影響板卡上電子元件的散熱性，如處理板散熱異常將影響其工作穩定性，車載系統將判定其工作失效。列車實際運行中偶發性的板卡報警，在一定程度上是因其散熱不良所引發的。

3 塵土危害的應對措施

城市國道交通和社會發展密切相關，決定著一個國家的整體發展情況，進行城市軌道交通建設十分必要。但通過上述探討不難發現，當前列車車載控制器普遍面臨著塵土危害，而塵土所帶來的危害是巨大的，不僅會影響設備的使用壽命，而且還會對城市軌道運行產生阻礙。基于這一問題，我們一定要采取有效的應對措施，堅持預防為主、綜合治理的原則，做好預防和日常維修工作。我們應端正思想認識，擺正日常的工作態度，明確列車灰塵處理的現實意義，在正常的清潔過程，既要做好車體的清潔除塵，還應對車載設備進行全面的清潔處理，保證列車從內到外均整潔如一，嚴格檢驗，以免出現不良輻射的現象。同時，還應進行有效的散熱處理，讓設備元件始終處于正常溫度范疇。另外，維修養護需以可靠性為主要內容，依據實際情況選擇適宜的維修方式，主要包含定期、狀態、事后維修及定期報廢。制定詳盡的維修計劃，認真記錄，通過統計表來呈現維修結報和維修成本等內容，有效規避列車運行異常問題的出現。

4 結束語

近幾年，城市建設迅速崛起壯大，城市軌道交通也取得了深遠的發展。城市地鐵與輕軌項目大量涌現。在構建自動控制系統時，既然要強化技術創新，完善設計不足，也要在關注細微處保障設備的正常運行。塵土微小卻時時在我們身邊，提高塵土對城市軌道交通車載控制設備危害的認知十分必要。從而在車載設備設計與使用中更好的保證其工作效率，減少故障的發生，使地鐵服務質量不斷提高，更好的為人群提供高速便捷的出行方式。

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