地鐵列車TRB模式故障分析與處理

韓增盛 張天彤

（鄭州鐵路職業技術學院機車車輛學院，450052，鄭州//第一作者，教授）

地鐵列車通信控制系統普遍采用總線模塊化結構，如深圳地鐵1號線、廣州地鐵2號線等列車均采用了符合TCN標準的總線控制系統。該系統由列車總線（WTB）和多功能車輛總線（MVB）兩部分組成，單元內用MVB總線連接，兩個單元間用WTB總線連接；MVB總線實現車輛控制，WTB總線實現列車控制［1］。

列車控制核心是車輛控制和通信系統（TCC），車輛控制和通信系統協調所有總線之間的通信和控制列車的功能。TCC系統的核心是VTCU（列車控制單元），它是一個總線管理器，連接車輛總線MVB和列車總線WTB，管理列車控制和網關通信［2］。列車通過網絡通信系統實現列車控制，當網絡通信出現故障時，無法通過列車總線傳遞控制信號，列車須采用TRB模式以25 km/h的速度駕駛列車運行到前方車站或車輛段。TRB模式（TCC Restricted/Back-Up Mode）為列車通信控制限制/備份模式［3］。

1 TRB模式在運行初期存在的問題

地鐵列車在運行初期經常發生TCC系統通信故障，導致運行列車處于啟動連鎖狀態，表現在列車建立TRB模式后，列車仍不能正常動車，需進行救援。根據TRB模式使用的條件，其故障可分為兩類：

一類故障為主控端單元車組的VTCU故障時，列車啟動連鎖，在激活TRB模式后，列車牽引能建立，制動能正常緩解，當列車啟動到零速繼電器得電吸合后，列車馬上又失去牽引力，隨即制動停車［4］。故在TRB模式下，列車只能以稍微起動又制動停車的“竄動”方式運行。

另一類故障為一個單元車組內A車到B車的MVB線出現通信中斷故障，列車起動連鎖。起動TRB模式后，列車不能建立牽引，氣制動不緩解，列車不能起動，列車需借助另一列車進行救援。但將故障端的VTCU電源切斷后，列車在TRB模式下卻能動車。

2 TRB模式的原理

2.1 列車正常控制模式

在列車TCC系統功能正常的情況下，司機通過改變司機控制器牽引手柄的位置，同時帶動司機控制器的凸輪，直接導致按一定邏輯順序連接的行程開關通斷變化，產生兩類控制信號：

（1）一類為牽引信號（見圖1），牽引狀態信號是由02K06、02K30、門關到位、主風缸壓力、停放制動等相關子系統監控繼電器的觸點，按串聯連接閉合產生的，并最終使列車牽引線20417轉為高電平，并輸入給DX模塊，再通過MVB及WTB傳遞給兩個A車的VTCU，同時20417線輸入到每節車的制動控制單元，進而實現對列車牽引狀態的識別，列車即進入牽引狀態，并緩解制動壓力［5］。而牽引指令信號的大小是通過一個與主牽引手柄一起轉動的滑線變阻器，產生與轉動位置成一定比例的電流值，輸入到主控單元A車的AX模塊，再通過MVB傳遞給本單元的VTCU，本單元VTCU通過網關及WTB總線傳遞到從屬單元車組的VTCU，進而完成列車對牽引指令信號大小的識別，并通過MVB總線傳遞給牽引逆變器實現列車牽引控制，其指令信號的范圍為0～100%。

圖1 牽引/控制電氣控制局部圖（牽引信號）

（2）另一類為制動信號（見圖2），其制動狀態信號也是由按一定邏輯組合的司機控制器行程開關及繼電器觸點斷開產生的，最終使列車常用制動線20313轉為低電平，并輸入給DX模塊，通過MVB及WTB傳遞給兩個A車的VTCU，以實現對制動狀態的識別。列車線20313也直接傳送到每節車的制動控制單元，制動控制單元則根據制動力的實際需要進行摩擦制動力的施加［6］。

圖2 牽引/控制電氣控制局部圖（制動信號）

制動時優先順序為再生電制動、電阻電制動、空氣摩擦制動，且電制動與空氣摩擦制動轉換條件為速度低于12 km/h。制動指令信號大小的識別原理同前面所述的牽引指令信號，只是主牽引手柄轉動的方向相反，其制動指令大小的信息則是由VTCU通過MVB總線分別傳遞給牽引逆變器系統和制動控制系統，進而實現制動類型和制動力大小的控制，其指令信號的范圍為0～100%。

2.2 列車TRB模式

當列車TCC系統通信部件發生故障時，列車VTCU將通過內部邏輯運算，判定列車牽引安全連鎖條件被觸發，通過牽引繼電器02K30切斷列車牽引線20417的DC110 V信號，保護性封鎖牽引指令，列車不能啟動。此時，只能實施緊急牽引，即合緊急牽引開關02S18，即能使列車以限速25 km/h的運行方式動車。其實現的方法為用兩根貫穿整列車的導線（50%牽引指令線21404、50%制動指令線21405）作為信號的傳輸備份通道，以控制線電平高低組合成4種不同狀態，實現牽引/制動控制指令可靠地傳輸到功能正常的VTCU及制動控制單元，從而實現對列車的牽引與制動控制（見圖3），按故障具體部件不同可分為通信控制限制模式和通信控制備份模式。下面就這兩種模式分別進行控制原理分析。

2.2.1 列車通信控制限制模式

列車通信控制限制模式是指在列車VTCU的網關或WTB線通信故障時的運用模式。當該類故障發生后，列車兩單元VTCU之間的通訊中斷，但每個單元車組的VTCU對本單元的通信控制功能均為正常，故從屬單元VTCU不能接收到主控單元發出的牽引/制動控制指令信息，同時主控單元的VTCU不能監控從屬單元車組的狀態，根據VTCU列車控制軟件的安全連鎖邏輯，列車處于啟動連鎖狀態，牽引無效。

圖3 TRB模式控制電路

在閉合緊急牽引開關02S18后，緊急牽引控制線20418處于高電平，該控制線貫穿整列車，并將高電平輸入到列車兩端A車的DX模塊04A16及每節車的制動控制單元。在兩個單元車組的VTCU分別接收到20418線高電平信息后，列車建立緊急牽引模式，02K30繼電器失電被釋放。當司機將牽引/制動手柄推至牽引位時，列車牽引線20417將正常輸出DC110 V給兩個A車的DX模塊04A15和所有車的制動控制單元，列車進入牽引狀態，氣制動被緩解。但司機控制器輸出的牽引指令模擬信號將無效，VTCU只通過B車的DX模塊接收21404線所傳遞的指令信號［7］，該信號為兩種狀態：

（1）一種為牽引手柄在1%～99%牽引位的范圍內，21404線為高電平，VTCU識別的牽引指令大小為50%，并通過本單元MVB總線傳遞給本單元的牽引逆變器控制單元。

（2）另一種為牽引手柄處于100%牽引位時，21404線為低電平，VTCU識別的牽引指令大小為100%，通過本單元MVB總線傳遞給本單元的牽引逆變器控制單元。

當列車在通信限制模式下進行制動控制時，緊急牽引控制線20418為高電平，制動控制單元進入緊急牽引模式，在牽引手柄移至制動區時，常用制動指令線20313轉為低電平，制動控制單元進入氣制動施加狀態：牽引手柄在1%～99%制動位的范圍時，制動指令線21405為高電平，制動單元施加50%空氣制動指令；牽引手柄處于100%制動位時，制動指令線21405為低電平，制動單元施加100%空氣制動，該模式下列車制動均為空氣制動，無電制動。

2.2.2 列車通信控制備份模式

列車通信控制備份模式是指在一個單元車組中VTCU的應用控制程序板故障或MVB總線通訊故障時的運行模式。當該類故障發生時，故障單元的VTCU與該單元所有或部分子系統通信控制中斷，直接導致司機控制器的各類指令信息不能被讀取和識別、牽引逆變器接收不到牽引/制動指令，本單元HSCB狀態未知等，單元內列車控制功能基本癱瘓，但另一單元的系統功能正常。根據VTCU列車控制軟件安全連鎖邏輯，列車處于啟動連鎖狀態，牽引無效。

在閉合緊急牽引開關02S18后，緊急牽引控制線20418處于高電平，由于該控制線貫穿整列車，則該信號反饋給非故障單元A車DX模塊04A15和所有車的制動控制單元，使非故障單元的VTCU進入緊急牽引模式。當司機將司機控制器牽引手柄推至牽引位時，非故障單元VTCU所接收的牽引指令信息為21404線所傳遞的指令，其控制方式和原理與列車通信控制限制模式完全相同，非故障單元的VTCU收到牽引指令信息后，通過本單元MVB總線傳遞給本單元B車和C車的牽引控制單元，進而實現列車牽引［8］。與列車通信控制限制模式相比，該模式下只有非故障單元的動車（B、C車）能正常工作。故該模式下故障最為嚴重時，列車總動力輸出只為列車通信控制限制模式的一半。

對于該模式下的制動控制，其控制方式和原理與列車通信控制限制模式完全相同。

3 TRB模式存在問題的處理

3.1 列車“竄動”故障的整改

在TRB模式下，通過動態測試列車與牽引控制相關的信號，可監測到在一個列車主控端的VTCU不工作的情況下，從端的VTCU給出的列車限速為“0”，而在兩個VTCU均能正常工作時，列車限速為“25”。后通過對VTCU的應用控制程序邏輯進行分析，發現其邏輯設計為：列車從端VTCU實際運行限速是通過WTB總線讀取主控端VTCU給出的限速參數，作為其運行參數標準。而在主控端VTCU不工作時，從端VTCU無法從激活端VTCU讀取到限速參數，此種情況下，從端VTCU只能將限速參數設置為默認值“0”。當牽引建立后，列車啟動到約0.3 km/h時，列車零速繼電器得電動作，VTCU檢測到速度超過“0”限速，進而施加制動，故出現上述的“竄動”運行方式。

該故障為VTCU應用控制部分軟件的設計缺陷。而其修正是通過改變VTCU應用控制程序的限速信息獲取的途徑，進行軟件功能改進。即在TRB模式被激活的條件下，列車兩端VTCU都各自設置為25 km/h的限速參數，而無主從之分，進而實現列車在TRB模式下能以最高限速25 km/h運行。

3.2 列車制動不緩解的整改

通過對列車起動連鎖相關的邏輯進行分析，列車在多于3節車制動控制單元故障的情況下，列車將被VTCU設置為起動連鎖狀態，TRB模式下也不能動車，列車02K30得電，牽引指令被切斷，制動不能緩解。此種設計是出于列車運行安全考慮，防止在喪失一半以上制動力的情況下能起動列車。

上述故障情況下，列車主控端VTCU中斷了與本單元B、C車所有子系統的通信而導致VTCU只能監控到本單元A車的制動控制單元。同時C車車鉤連接狀態由于負責監控的DX模塊通信中斷而不能被VTCU識別，直接導致從屬單元車組信息被視為無效，此時主控端VTCU即失去了5節車的制動控制單元信息.而根據列車起動連鎖的安全要求，在TRB模式下，主控VTCU將給出起動連鎖，牽引指令將被切斷。但當切斷主控VTCU電源后，該端的VTCU并不參與列車控制，同時02K30繼電器失電，而從屬單元VTCU自動變為主控狀態，從屬端單元車組能監控到單元車組的3個制動控制單元和激活端A車的制動控制單元，不會起動連鎖，列車以通信控制備份模式運行。

此故障為在設計列車制動控制單元故障下的運行模式時，其設定的安全邏輯與TRB模式下的邏輯沖突所致。其修正的措施需重新對VTCU應用程序中牽引封鎖判斷邏輯進行調整，即在TRB模式下，列車制動控制單元狀態不作為列車起動連鎖的判斷條件，但在正常模式下，判斷條件依然有效。此時列車在該類故障情況下安全和緊急牽引功能均能得到滿足，完全滿足車輛技術文件的功能要求。

4 結語

通過對VTCU應用控制程序的改進和后續測試，列車TRB功能已經能夠正常實施，為各類TCC通訊故障情況下的應急處理提供了非常有效的手段。特別是對正線運營列車，TRB模式的應用可將車輛故障對運營服務的影響減少到最低程度。

［1］ 全國牽引電氣設備與系統標準化技術委員會.牽引電氣設備列車總線：第1部分 列車通信網絡：GB/T 28029.1—2011［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［2］ 徐磊，謝維達，寇若嵐，等.多功能車輛總線網絡中網絡節點的設計研究［J］.城市軌道交通研究，2011，14（1）：91.

［3］ 李紅佗，南玉才.深圳地鐵一期工程地鐵車輛TRB模式分析［J］.電力機車與城軌車輛，2009，32（6）：13.

［4］ 樊嘉峰，謝竹偉，何紅成.自主化120 km/h地鐵列車緊急牽引功能解析［J］.機車電傳動，2015（5）：69.

［5］ 胡活力，段永魁.深圳地鐵1號線列車緊急制動故障的原因分析及電路改進［J］.電力機車與城軌車輛，2011，34（2）：66.

［6］ 長客-龐巴迪軌道車輛有限公司.深圳地鐵一期工程車輛功能描述［G］.長春；長客龐巴迪軌道車輛有限公司，2004：18.

［7］王煙平.城軌車輛VTCU插件故障分析與維修［J］.機車電傳動，2014（5）：84.

［8］ 熊哲輝，宋福.深圳地鐵3號線電客車緊急牽引功能電路改造［J］.鐵道機車車輛，2011，31（3）：64.