有軌電車控制系統應用與研究

張鑫磊

（上海申凱公共交通運營有限公司，上海200000）

1 概述

1.1 引言

現代有軌電車作為一種現代公共交通出行方式，適用于中低客流強度的交通走廊而作為公共交通來發展。對于大中城市，現代有軌電車可以與城市大中運量地鐵、常規公交等共同構筑城市公共交通體系，這樣既加強了城市綜合交通體系的形成，同時又提高了公交綠色出行的吸引力，符合城市公共交通體系多元化的發展思路。TCMS(Train Control&Monitoring System)系統是車輛監測的重要組成部分，既保障著乘客在有軌電車內的安全，也關系著有軌電車的正常運行，因此TCMS 系統的可靠性，響應時間非常重要。本文是基于松江有軌電車TCMS 系統，對該系統進行介紹和論述，并分析和總結。

1.2 TCMS 系統概述

TCMS 是有軌電車的中樞神經，對車輛各個子系統進控制和監控，承擔著管理整車功能的責任，并為司機提供行車輔助，以及為維護人員提供維護輔助。TCMS 與各子系統之間的關系如圖1 所示。

圖1 TCMS 總體設計

各子系統具有計算機控制單元，專門用于執行車輛的某一功能，該單元和TCMS 相連。車輛上所有的計算機控制單元之間的信息交互由TCMS 的RIOM 和總線網絡完成。TCMS 的中央處理器MPU 執行車輛的監視和控制功能，其它子系統設備執行各自的功能。車輛控制系統的控制層采用總線方式，符合標準IEC-61375。

1.3 網絡冗余性分析

1.3.1 MVB 網絡冗余性分析

MVB 車輛主網絡符合IEC61375 標準。MVB 電纜使用兩芯屏蔽雙絞線。A 路和B 路構成冗余網絡（如圖2）。

圖2 MVB 總線連接

松江項目中對RIOM 和DDU 設備使用了專用的MVB 總線連接器，提高了網絡的可用性。每路傳輸介質有自己的SubD9連接器。即使有一路故障、線路損壞或連接器插頭松掉，另一路繼續正常工作。

車輛總線（MVB）通過主處理器MPU 監控，MPU 提供標準的以太網接口與便攜式測試單元PTU 進行通信，PTU 通過以太網可訪問車輛的任何子控制系統，讀取其狀態信息（包括各功能模塊的輸入/輸出波形）和故障信息，并實現相應的控制功能和數據分析。專用連接器拓撲圖如下：

可見，專用的MVB 連接器每個插頭有2 個電纜引出口，可以與2 根MVB 電纜連接，在插頭內部通過內置電路將兩根電纜進行短接，這樣總線就可通過插頭處保持連續，當拔下插頭時不會中斷傳輸介質。（如圖3）中A 路數據線（進線與出線）共用一個連接器，B 路數據線（進線與出線）共用一個連接器。

圖3 MVB 總線連接器拓撲圖

1.3.2 MPU 冗余性分析

有軌電車上電時，兩個MPU 開始啟動，一個成為主MPU，另一個則成為從MPU。主MPU 的選擇是隨機的，取決于哪個MPU 先被喚醒。當兩個MPU 同時被喚醒時，這時默認MPU1 是主的，MPU2 是從的。

兩個MPU 同時讀取MVB 和以太網總線上的數據，但只有主MPU 才可以輸出數據到MVB 和以太網總線上。從MPU 做主MPU 所做的所有處理，以備能快速切換。

兩個MPU 之間輸出數據的一致性，并不是由MPU 內部管理的，而是在兩個MPU 數據交換時由應用軟件來實現的。

主MPU 的識別信號被發送到MVB 網絡上的各個設備以及連接到以太網與MPU 有數據交互的設備上。當主MPU 故障時，從MPU 切換成為主（如圖4）。

圖4 MPU 主從示意圖

1.3.3 CAN 網絡冗余性分析

車輛CAN 網絡連接到RIOM2 和RIOM5（分別位于M1 和M2 車頂低壓箱）每個RIOM 都可以成為CAN 總線管理器。根據RIOM 的通信狀態決定是哪個RIOM 承擔總線管理器的任務。默認為RIOM2，當RIOM2 故障時間超過10S，RIOM5 接替RIOM2,成為CAN 總線管理器，從而實現冗余。為了避免無用的切換，只有當RIOM5 故障超過10S 后，才會將CAN 總線管理器切回到RIOM2。

2 有軌電車故障診斷分析研究

2.1 便攜式測試單元PTU

大部分嵌入式電子設備都配有維護軟件工具，通過連接到維護網絡或設備本身即可執行某些維護診斷。松江有軌電車所使用的便攜式測試單元是阿爾斯通開發的維護工具——TrainTracer，可緊密跟蹤列車運行狀態并對預防性和糾正性的維護工作做出最有效的響應。

2.2 IOS 故障代碼

TCMS 檢測和收集各子系統的故障，通過內部邏輯判斷，生成一個IOS，并根據故障對車輛的影響分成不同的等級，并給出了司機操作指南，故障項目和故障等級在司機顯示屏上顯示，同時發出警報提醒司機注意。

2.3 故障案列診斷分析

2.3.1 IOS154 方向故障

有軌電車在行駛中DDU 顯示屏上突然報IOS 154 方向故障，IOS168 2 個牽引隔離，IOS159 無速度測量，車輛可正常行駛，按照IOS 故障等級，掉線處理。

回到檢修庫，用TrainTracer 下載故障進行分析，發現故障時為M1 端司機室激活，向前向后信號同時得電（如圖5）。

圖5 TrainTracer 下載故障

先查看M2 端司機室設備柜斷路器上下樁頭電壓是否正常，發現電壓均正常。登頂檢查M2 低壓箱二極管，發現27V10 正負極疑似搭接（如圖6）。

圖6 二極管故障點

查接線圖為左轉向燈控制；到客室內模擬故障，將M2 轉向燈打到左轉位，M1 端激活并將轉向燈打到右轉位，故障出現（如圖7）。

圖7 司機室模擬故障

最后確認故障為27V10 二極管正負極搭接導致?；謴投O管后，方向故障消失，將2 個牽引重置后，車輛正常。

2.3.2 IOS302 自牽引火災告警

有軌電車在行駛中報IOS302 自牽引火災告警，IOS044HSCB 異常開合，IOS310DCDC 仍在自牽引模式，IOS043高壓小故障，車輛掉線。

用TrainTracer 下載故障進行分析下載MPU 故障記錄，故障前輔逆充電模塊1 為True，自牽引火災告警后該模塊為False。

判斷上述故障主因是“自牽引火災告警”，檢查車頂56K5繼電器至DCDC 箱一路接線，未發現異常。后注意到照片中DDU 面板上超級電容顯示XXXXXXX，懷疑DCDC 箱無電，登頂查看，DCDC 箱確實為無電狀態（如圖8）。

圖8 DDU 超級電容

對車輛重啟后故障全部消失，故依次斷開與超級電容相關的19 前綴斷路器做試驗，斷19Q6 斷路器時也出現四個故障，但現象不一致，繼續斷其他斷路器模擬故障。

在斷開19Q1 斷路器后，打應急牽引旋鈕，試了2 次故障復現，與原故障現象相同。應急牽引旋鈕恢復后故障還在，恢復19Q1 斷路器后故障仍在，重啟車輛2 次依舊如此（如圖9）。

圖9 超級電容原理圖

因斷19Q1 后故障復現，故判斷故障應在該線路，量正極-CM-DCXS1/A1 及 -CM-DCXS1/A2 正 常 ， 量 負 極-CM-DCXS1/A7 及-CM-DCXS1/A8 發現有大約15V 電壓異常，將超級電容箱插頭-CM-SCXS2 拆下，量得DCDC 箱正負極電壓正常，疑超級電容箱為故障點。但發現拆下-CM-SCXS2 后，DCDC 箱仍無電，故判斷問題可能出在負極處，檢查發現-BB38-2/14 端子虛接，重新壓接后正常。

故障分析：-BB38-2/14 端子虛接，相當于此處多出一個電阻，故而使A7、A8 號腳處分得約15V 電壓，致使DCDC 箱內電壓過小，才導致此次故障。

2.3.3 IOS094 車門狀態一致性故障

DDU 顯示“IOS094 車門狀態不一致故障”，在正常模式下列車無法牽引，車門關好旁路之后，列車正常運行。在所有車門關閉情況，M2 RIOM5 的LI_DrsLoopRelay 信號為“0”, 正常為“1”，車頂低壓箱內36Q3 斷路器斷開。先測量車門關好的回路，在門關好的情況下，測量8 門開關30S1 28、30S2 30 號腳的電，量到無電，判斷車頂低壓箱到下面的供電斷開（如圖2-6）。

圖10 8 車門接線圖

檢查M2 車頂低壓箱，車門關好回路的供電36Q3 斷路器跳掉，合上重啟車輛，開關門仍會跳開。因此排查每扇車門的情況，將所有車門關閉，從8 門開始量取端子排上30A-S2 開關線對地電阻，發現12 門的對地電阻為0Ω 對地短路了，因此確認12門為故障門。

拆開12 號門的門機構，發現S2 的出線，被門機構上固定螺絲壓住，導線損壞嚴重，導致了S2 開關對地短路。

故障分析:關門一致性故障時是門關好回路的問題，首先查看車頂低壓箱到下面的供電有沒有，然后量取整個門關好回路的對地電阻，如果是正?，F象時，應該是無窮大的，阻值不會很小。這次是將門一扇一扇打開，量取每一個門的對地電阻。以后應該先量總的電阻，如果是正常，可直接進行之后的排查，不用一扇扇查，可以節約用時。

2.4 總結

通過對實際案例的分析后我們可以發現列車網絡控制系統的控制邏輯，故障診斷策略，以及故障處置，對實際檢修過程中有巨大幫助，由于有軌電車所運用的工況、場地，條件等限制，本文在邏輯分析的基礎上，結合TCMS 下載的監控故障記錄進行理論和故障案列的分析，為后續的應急處置提供指導。