成都3號線電客車TCMS系統功能淺析及典型故障分析

賀皓東

(成都地鐵運營有限公司， 成都 610015)

成都3號線車輛TCMS系統按照IEC 61375-1標準規定的列車通信網絡構建，列車總線與車輛總線均采用MVB總線，此結構嚴格意義上說是一級總線的單層網絡，只是通過增加兩組帶冗余的中繼器實現3個網段，在形式上可以分為干線網絡和支路網絡。總線采用冗余傳輸，保證數據傳輸的可靠性。MVB總線的傳輸速率為1.5 Mb/s。MVB總線可以傳輸過程數據、消息數據和監視數據。多功能車輛總線(MVB)的電氣接口為EMD介質。

1 3號線TCMS系統網絡拓撲圖及冗余功能介紹

TCMS系統設備留有標準的通信接口，具有成熟可靠的接口通訊規范，子系統通過MVB通訊接口的可靠接入。車輛總線(MVB)上子系統的控制單元主要包括：車載ATC裝置、牽引控制單元、制動控制單元、輔助電源控制單元、空調控制單元、車門主控制單元、列車乘客信息顯示系統控制單元等。成都3號線列車拓撲結構圖如圖1、表1所示。

TCMS系統作為列車運行的“大腦”，對運行可靠性(是指產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力)的要求很高。3號線TCMS系統在設計之初充分考慮，將設備故障的影響盡可能降到最低，在硬件設備的冗余性及監控信息的判斷上進行互為冗余的配置，具體如下：

(1) MVB總線冗余：MVB總線采用兩對互為冗余的雙絞線，采用DB9連接器，MVB線路A和線路B同步發送相同的數據，該冗余設計可以防止傳輸線、引腳接點以及收發器的錯誤引起的MVB傳輸故障。車輛間MVB總線采用MVB分線盒把一路MVB總線分成二路傳輸(A路B路分開傳輸)，一路故障不影響車輛的MVB通信。示意圖如圖2、圖3所示。

表1 3號線車輛設備簡稱表

圖3 MVB分線盒冗余示意圖

(2) CCU冗余：中央控制單元CCU在配置上為Tc1、Tc2兩端冗余，完成列車控制、監視和故障診斷功能，一般情況Tc1為主機，Tc2為從機，Tc1故障時將進行冗余切換，切換時間3 s以內。

(3) 中繼器冗余：在列車的2車和5車分別安裝互為冗余的中繼器(RPT)模塊，當一個中繼器模塊故障時，另一個中繼器模塊對信號進行中繼傳輸不影響列車的正常運行。

(4) Tc車RIOM模塊冗余：Tc1車和Tc2車各設置兩個冗余的RIOM模塊，對主控信號、司控器牽引制動指令信號、方向手柄信號等重要信號進行冗余采集。

2 TCMS設計功能分析

TCMS通過MVB總線和I/O接口與各子系統連接，傳遞控制、診斷和監視數據，完成各系統相應的控制、診斷和監視功能。

2.1 列車運行管理

2.1.1TCMS生命信號的傳輸

TCMS在周期為64 ms的時鐘控制下，循環累加生成0～255范圍內的數值，賦值給生命信號固定變量，發送給每個與TCMS有MVB接口設備。如果每個設備在定義的時間段內，收到的變量沒有發生變化，則認為與TCMS通信中斷。

TCMS在HMI上顯示各個設備的生命信號信息，可直觀的判斷各設備與TCMS通信是否正常。

2.1.2列車參考速度

在信號CBTC-AM下，列車速度采用信號系統發送的速度，HMI顯示速度值由信號發送。非信號模式下，列車速度來自于制動系統，6個車的每個BCU將給出4個軸的轉速及每個車的參考轉速及相應的轉速有效信號發給CCU。相應的邏輯如下：

(1) 優先采用兩個Tc車的參考轉速。在同時有效情況下采用較大值；

(2) 如果兩個Tc車都無效，取4個動車中，有效的最大值；

(3) 通過式(1)，把選出的轉速轉化成車輛速度km/h。

v車輛=3.6πv轉速D/Nc

(1)

其中：D為所選中車輛的輪徑值；Nc為輪上齒數。

(4) 把計算結果賦值給變量進行傳輸，用于HMI上顯示和發給車輛其他系統。

速度的計算要求輪徑值和制動的轉速數據，若該數據存在問題將直接影響速度是否正常，所以對數據的可靠性要求很高。

2.1.3牽引制動百分比信號傳輸

(1) 人工駕駛模式

TCMS通過兩個RIOM冗余采集司控器的輸出的電壓信號，轉化成牽引、制動級位指令，傳遞給牽引、制動系統，執行相關的牽引、制動控制。RIOM模塊AI 采集司控器輸出有效判斷條件為：

①RIOM在線且 RIOM及AI模塊均工作正常；

②司控器參考電壓有效范圍：(9.1±0.25) V；

③輸出電壓與參考電壓比值有效范圍：0.01～0.99，超過該范圍將報“牽引制動百分比采集無效”故障；

司控器采用雙電位計冗余輸出，每個電位計有兩路電壓信號輸出，TCMS分別計算兩路輸出電壓與參考電壓的比值，并通過圖4中的對應關系及邏輯判斷，得出牽引制動級位的百分比信號：

圖4 輸出電壓/參考電壓 與牽引制動級位對應圖

當冗余RIOM的AI模塊采集的|電壓比率之差|≤0.06 時，認為兩個RIOM 采集級位信號均有效，此時，牽引級位TCMS取兩個級位信號的最小值；制動級位，TCMS取兩個級位信號的最大值，即：牽引時采用最小牽引級位，制動時采用最大制動級位。

當冗余RIOM的AI模塊采集的電壓信號都有效，但|電壓比率之差|>0.06時，判斷邏輯：①判斷RIOM1和RIOM2兩路司控器輸出是否有效；②如果兩路司控器輸出均有效，出于安全考慮，牽引工況下取牽引力較小值，制動工況下取制動力較大值；③如果一路無效則取另一路有效信號；④如果兩路都無效，牽引工況下不輸出牽引力，制動工況下輸出最大常用制動。

(2) CBTC-AM自動駕駛模式

TCMS通過RIOM采集車載ATC輸出的電流模擬信號，轉化成牽引制動的百分比信號。傳遞給牽引、制動系統，執行相關的牽引、制動控制。

信號系統輸出電流模擬量信號的范圍為0～20 mA，當司機室激活時，且ATP沒有切除時，TCMS按照圖5的對應關系把模擬量的電流信號轉換成牽引制動級位的百分比信號。

圖5 ATC輸出電流信號與牽引制動級位對比圖

RIOM采集值與ATO輸出模擬量信號換算關系如下：

ATO輸出模擬量信號電流值=[(20/1023)×RIOM采集值]

TCMS系統接收車載ATC發送的牽引制動指令后，將指令量反饋給信號，如果輸出與反饋誤差大于5%，在MMI上提示司機退出ATO模式運行。如果司機5 s鐘內不退出ATO模式，車載信號ATC會施加緊急制動。

對牽引制動百分比有效信號的判斷，不僅考慮了正常和故障情況的有效范圍，而且從列車運行安全導向方面采用牽引最小制動最大的合理方式。此種判斷對外部輸入電源的穩定性要求較高，如果外部輸入與其他負載串聯一路將會導致線路的不穩定，進而影響司控器的輸出電壓。3號線雨刮器與司控器負載未分開就存在這樣的問題，已開始相關整改解決該問題。

2.1.4備用模式

為保證TCMS故障情況下，列車能夠緊急牽引運行，列車設置了備用模式按鈕，司機可以通過操作備用模式按鈕來進入備用模式，備用模式下BCU、TCU通過接收牽引、制動命令硬線指令和級位編碼硬線指令，實現牽引和制動的控制，并忽略TCMS的網絡信號。

當滿足下列條件之一時，位于司機臺的TCMS系統正常指示燈熄滅，并且HMI提示司機應進入備用模式。

(1) 司機室激活端HMI通信故障；

(2) MVB通信中斷；

(3) 激活端兩個RIOM模塊通訊故障；

(4) 非激活端兩個RIOM模塊通訊故障；

(5) 兩端RIOM1模塊通訊故障。

當出現下列情況之一時，即使司機臺的TCMS系統正常指示燈沒有熄滅，也建議司機主動進入備用模式。

(1) 激活端司機室HMI黑屏；

(2) 列車無法正常牽引。

現在1號線的設置方式為：只有TCMS網絡出現故障的時候才可以啟用該模式，若有其他故障需操作該模式時必須人為設置TCMS故障后，該模式才可用。與1、2號線不同的是，3號線在無TCMS故障時按下“備用模式”按鈕，列車將進入別用模式，牽引制動不接受來自網絡的指令只接受來自硬線的信號。3號線備用模式將不會受限，應急處置效率將會提升。

2.2 牽引系統

2.2.1限速管理

TCMS通過RIOM采集DI信號，來自顯示屏的按鈕信號，把相關的限速信息發給牽引系統，按照定義好的速度等級由牽引系統判斷相關條件完成限速。并在HMI上顯示相關的限速模式。

(1) 洗車模式

司機通過按壓"洗車模式"按鈕輸出洗車模式命令，TCMS通過RIOM采集該指令后，轉發給TCU執行。

(2) 自動限速

TCMS通過判斷整車制動隔離、轉向架切除的情況，把相應的自動限速模式給TCU，由TCU完成相應的限速控制。

切除2～3個轉向架 限速60 km/h

切除4～5個轉向架 限速50 km/h

切除6個轉向架 限速40 km/h

(3) 人工限速

HMI“限速”界面，可以通過按鈕實現兩級人工限速，限速25 km/h和60 km/h。

制動切除后的限速管理是對列車運行的一項安全保障，3號線故障限速管理經過試驗論證，安全性和可靠性均可保證。

2.2.2牽引系統測試

牽引系統測試包括低壓測試和小功率測試，牽引系統判斷測試條件成立后給出提示，在HMI上通過按鈕觸發測試，牽引系統自動進行測試，把測試結果反饋給TCMS，TCMS在顯示屏上進行顯示。

低壓測試的目的是在列車靜止，無高壓，低壓存在等測試條件成立的前提下，實現HSCB、充電接觸器和線路接觸器閉合和斷開時序的檢測。

小功率測試的目的是在列車靜止，高低壓存在等測試條件成立的前提下，實現HSCB、充電接觸器、線路接觸器、逆變器和制動電阻等相關牽引系統主要的部件是否正常工作。

2.3 制動系統

2.3.1保持制動施加、緩解

在人工駕駛模式下，有制動系統通過檢測車輛速度及牽引制動指令線的狀態自己判斷進行施加，在ATO模式下，通過DI采集信號輸出的保持制動施加指令線的狀態轉發給制動系統，由制動系統施加保持制動。

保持制動的緩解由TCMS控制。在洗車模式下，TCMS檢測到車輛處于牽引狀態一段時間時，緩解保持制動；當在非洗車模式下，TCMS檢測到牽引力達到40 kN或者速度大于3 km/h時，緩解保持制動。

2.3.2空壓機起停

TCMS根據主風管壓力進行空壓機啟動控制，當兩臺空壓機都能正常工作，且網絡正常通信的情況下，控制原則如下：

(1) 總風壓力的傳感器位于兩個Mp車上，用于檢測總風壓力，TCMS可以通過MVB網絡在Mp1車和Mp2車通信端口獲取BCU發送的總風壓力數據。

(2) 空壓機管理按照Tc1先啟動，5 s后Tc2啟動，同時停的原則控制。(空壓機啟動信號為持續的電平信號，高電平有效。)當總風壓力小于800 kPa時，向兩臺空壓機發送啟動命令。當總風達到900 kPa 時，TCMS停止向空壓機發送啟動信號。

(3) 當其中一個主風管壓力不可用時，采用另一個的主風管壓力值，當兩個主風管壓力值都不可用時，TCMS不對空壓機的啟動進行控制。啟動命令置0。

2.3.3制動測試

(1) 制動自檢

在HMI顯示屏“檢修-制動測試”界面上，觸發制動自檢命令。自檢準備好的條件有BCU判斷，判斷的相關的條件如下：

①停放制動緩解

②列車處于非緊急制動狀態

③列車處于最大常用制動狀態(要求司控手柄處于最大常用制動狀態)

④車輛處于零速

⑤制動塞門未隔離

(2) 制動級位試驗

施加停放制動后，在HMI的制動測試界面，觸發制動級位測試開始請求給BCU，BCU切除保持制動，操作手柄進行逐級的制動。在每一級制動完成后，BCU將“BC實測值”和“BC計算值”發送給TCMS，由TCMS判斷是否在標準內。(常用制動的壓力標準為±20 kPa，緊急制動為±30 kPa)

TCMS系統還包含能耗里程數據累積、擴展供電、空調控制、自動報站、視頻聯動等等功能，在此就不詳細介紹。

3 典型故障案例分析

3.1 案例1

2016年4月某日10306列太平園上行1車HMI花屏；司機重啟HMI空開后故障未消除，跟車人員在紅牌樓上車后回復：TCMS燈常亮，蜂鳴器未報警，HMI全屏花屏不能查看HMI信息，初步判斷為HMI屏顯示問題，不影響網絡正常運行，隨后列車限速60 km/h回段。故障現象如圖6所示。

圖6 HMI花屏

該故障為典型的顯示屏屏顯問題，HMI屏內核CPU正常運行、通信正常。通過TCMS狀態指示燈正常顯示可以清晰的判斷整個TCMS網絡的狀態無異常，牽引制動等子系統的狀態均正常。故障原因鎖定在屏幕或屏幕與CPU主板之間的連接線上，后查出故障顯示屏的線排接觸不良導致。該故障在成都4號線曾出現2次，判斷為批量問題，廠家批次屏全部返廠整改。

正線運營時出現該故障，可通過復位HMI顯示屏斷路器進行處置，若無法恢復，建議列車退出運營，司機操作備用模式后動車。

3.2 案例2

2016年5月某日，310列設備檢查時發現Tc1車、Tc2車顯示屏B路“報紅”，2、5 車中繼器指示燈狀態異常。由于MVB網絡為A、B兩路互為冗余，故整車網絡功能正常，不影響車輛正常運營。如圖7所示。

圖7 MVB網絡B通道顯紅

3.2.1故障排查

(1) 2016 年5月某日上車進行故障排查，發現兩頭司機室顯示屏 B 通道“報紅”，且故障狀態穩定，表明顯示屏檢測到MVB總線B路異常。

(2) 2車和5車中繼器狀態異常。中繼器指示燈G2(G2不亮表示MVB總線2幀錯誤) 熄滅，表明B通道有錯誤幀或幀碰撞。

(3) 將整車MVB分為3個網段(即中繼器RPT設置前后區域Tc1MP1-M1-M2-MP2Tc2)進行檢查，將故障定位到Tc2車，然后將Tc2尺設備依次接入網絡，在接入VOBC設備時B通道顯紅，將其旁路后故障消除。

(4) 根據故障現象更換Tc2車VOBC的MVB板卡，更換后，B路狀態恢復正常。

(5) 第2天列檢時又發現B路狀態異常，現象是B路“閃紅”，觀察中繼器狀態指示燈，狀態正常。中繼器指示燈通常可以反映大部分網絡系統故障狀態。對于中繼器狀態正常，但仍有網絡不穩定現象的情況，需再進行深入排查。

(6) 用線纜分析儀對整車線路進行校對，未見異常。

(7) 通過軟件對網絡設備端口進行監視，發現：位于 2 車門控器前后 的設備(BCU、EDCU、GW)有丟包現象，通過逐個設備排查，最后旁路2車1號門控器后，所有設備通信恢復正常，B路狀態恢復正常。因此，將2車1號門控器預防性更換。

3.2.2故障分析

(1) 經過兩次故障排查，最終更換6車VOBC的MVB板卡和2車1號門控器設備后，B路狀態恢復正常。

(2) 6車VOBC的MVB板卡存在問題導致B路異常，需信號廠家分析。

用線纜分析儀對更換下來的2車1號門控器進行阻抗測試，發現A、B路阻抗存在明顯差異，A路阻抗為111歐姆，B路阻抗為126歐姆。

MVB線纜采用EMD介質，IEC 61375標準中規定EMD介質的特性組抗為(120±10%)Ω，阻抗有效范圍是108～132 Ω，該門控器A、B路的阻抗值也在標準范圍內，但正常情況下，A路和B路的阻抗值應該是比較接近的。

MVB 信號在線路傳輸的過程中如果遇到阻抗不連續或不匹配的點，會形成反射，反射后可能會對其他信號產生干擾，與正常信號疊加或產生碰撞，導致數據丟包。此類單個通道通訊異常的故障，對列車的正常運用無影響。

4 結束語

成都3號線列車TCMS系統采用了國內城軌列車普遍使用符合國際標準的MVB網絡拓撲形式，功能實現以“設備導向安全”的理念進行設計，在調試及試運行過程中進行不斷的完善修正，目前運行相對穩定可靠。