車載信號系統與車輛接口故障優化處理方法研究

劉紀龍，韓紀昱，苗 欣，李言民，鮑曉龍

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西安翔迅科技有限責任公司，陜西 西安 710068）

0 引 言

在我國“十三五”規劃的大力支持下，鐵道交通產業保持著高速發展，車輛運行密度也不斷加大。車載信號系統在確保車輛良好運行的過程中起著至關重要的作用。完備的車載信號系統不僅能提高軌道交通出行的安全性，而且能提高整個鐵道交通的經濟效益。與此同時，該系統還能減少車輛接口故障的發生頻率，提高運營服務質量，滿足人們的需求，確保交通體系正常運行[1]。

1 車載信號系統概述

在早期還沒有車載信號系統時，駕駛員只能憑借地面信號機判斷接下來的行動。這不僅對駕駛員的經驗要求較高，而且在車速過快的情況下會導致機車來不及制動便越過信號機。為了解決該問題，車載信號系統應運而生。區別于地面信號機，車載信號包含了列車自動保護（ATP）功能和列車自動運行（AT0）功能。車載信號系統及列車自動保護系統（Automatic Train Protection，ATP）的運用是軌道車輛安全運行的重要保障，其主要是通過調控各種實時參數來合理調控列車的運行時間，以此保持行車間距[2,3]。這項技術以西門子公司研發的ZUB120技術最具有代表性。當今，以車載信號系統為主，地面信號系統為輔的運營方式被廣大鐵路交通公司所運用。通常情況下，車載系統主要包括車上設備、車底設備以及車頂/頂罩內設備。

2 車載信號系統的整體架構設計

列車前后兩端的駕駛室中都配有車載信號系統，有部分貫穿線位于中間的車廂。一般，車載設備可以通過檢測車鑰匙的開關位置來確定運行方向。兩套完全一樣的裝置集于一輛列車，有助于兩臺服務器共同執行同一工作，相互備份及冗余。當某一設備的運行發生異常時，另一套裝置可迅速承擔故障部件的工作，使列車的運行快速恢復正常，保證列車的正常運行，同時降低人工成本[4]。選用分布式無線通信可以有效避免有線通信所造成的多輛列車同調的現象。以6節編組為例介紹車載信號系統的整體架構設計，結構如圖1所示。

目前的軌道交通系統中，車輛最常使用的繼電器控制電源和控制系統供電電源是DC 110 V，也有少部分車輛在車載信號系統內部將DC 110 V轉換為DC 24 V來使用。由于DC 24 V是DC 110 V的衍生產物，因此從本質上而言，不同車型的車輛信號設備采用的都是車輛提供的DC 110 V電源供電。

圖1 車載信號系統結構設計

為了探討車載信號系統整體架構設計的發展前景，筆者將分析模塊化的流程設計。圖2為車載信號系統線路調試試驗設備研制框圖。其中，車輛電氣接口將信息傳遞給電氣接口轉接模塊，然后通過開關量指令采集電路或速度傳感器信號采集電路將信息進行隔離處理后，再將信號傳輸到單片機數據采集系統，最終在exin770一體機上將信息進行匯總顯示[5]。

圖2 車載信號系統線路調試試驗設備研制框圖

CAN一致性測試平臺也是鐵道交通中的一個組成部分，其功能是可以捕捉現車故障時總線上的波形，并可以通過函數發生器復線該故障波形。相關人員可以根據故障復現和波形對比圖所顯示的數據，更快更精準地判斷是哪個節點出現了故障，然后分析故障原因并盡快進行修復。圖3為故障復現圖，圖4為波形對比圖。

圖3 故障復現圖

圖4 波形對比圖

3 ATP接口故障分析

3.1 車輛與ATP接口

ATP模式在VATP系統的防護下允許受限人工操作。ATP模式需要與軌旁ATC通信。在總線系統中，ATP車載單元與ATO設備連接發揮測速和獲取精確停車信息的作用。車輛與ATP接口主要包括電源、ATP靜態輸入接口以及ATP靜態輸出接口幾個內容。將車載電源通過自動保險開關接到ATP車載設備的分線端子上，可作為ATP設備工作能量的來源。由于具有過電壓保護，因此使得電壓在一定范圍內的波動不影響ATP正常工作，短時間超過額定電壓范圍也不會有問題發生。ATP靜態輸入接口及其重要，對檢測列車當前狀態具有重要意義。ATP車載單元通過周期性檢測某些接口的電信號來判斷某些按鈕的動作或車倆狀態。檢測結果作為發出某種動作或不動作的依據。

3.2 ATP靜態輸入接口分析

ATP靜態輸入接口包括8個接口，如圖5所示。其中，ATO兩個按鈕分別為雙通道，按鈕被按下后，24 V電壓接地，ATP車載單元通過檢測該電壓是否接地來判斷ATO啟動按鈕是否被按下。ATO運行模式主要用于正線上列車的正常運營。運行中，列車不需要司機駕駛，可按設計要求自動運行。司機負責監督ATP/ATO顯示與列車運行所要通過的軌道、道岔以及信號狀態，在必要時介入人工進行處理。當按壓RM按鈕時，接點閉合，此時24 V電壓接地，ATP車載系統通過檢測該電壓是否接地來判斷RM按鈕是否被按壓。RM運行模式使用于如下4種情況：第一，列車在車倆段范圍內運行；第二，正線運行中聯鎖設備、軌道電路、ATP軌旁設備以及ATP列車天線幾個設備中某個發生故障時；第三，列車緊急制動后；第四，開動ATP/ATO后。ATP車載單元向強行開門按鈕接點輸送24 V電壓。當強行按鈕被按壓后，接點閉合，24 V電壓接地，ATP車載系統通過檢測該電壓是否接地來判斷強行開門按鈕是否被按壓。從車輛給電壓到ATP車載單元，當電壓為DC 100 V時，車輛處于非緊急制動給狀態，當電壓為0 V時，處于緊急制動狀態。車載ATP單元通過檢測該電壓來判斷是否處于緊急制動狀態。ATP車載單元向自動折返按鈕送24 V電壓，當按壓自動折返按鈕，接點閉合，送回24 V電壓給ATP車載單元，沒有按下按鈕，則接點不閉合沒有24 V電壓送回。ATP車載單元通過檢測該電壓判斷自動折返是否被按壓。主控鑰匙開關打開時，接點閉合，ATP檢測到DC 110 V電壓，ATP激活；主控鑰匙開關沒打開時，接點未閉合，ATP檢測不到DC 110 V電壓，ATP未激活。ATP車載單元左右兩邊門都關閉時，兩鎖閉繼電器接點閉合，送回24 V電壓給ATP，否則不能送回24 V電壓。此外，ATP車載單元通過檢測是否送回該電壓來判斷兩車門是否關閉。當ATP車載單元方向桿向前，主控手柄在零位時，110 W電壓被送回給ATP車載單元，TPP釋放，ATP車載單元通過檢測是否送回該電壓來判斷是否有ATO釋放。

圖5 ATP靜態輸入接口

3.3 ATP靜態輸出接口

ATP靜態輸出接口如圖6所示。車載ATP單元在激活狀態下，根據相關的檢測結果會發生一定動作，諸如啟動緊急制動、允許左右門釋放以及開啟ATP安全責任燈等。當運行錯誤啟動時，出現故障時啟動，車輛給110 V到ATP車載單元。沒有啟動緊急制動時，K6和K7閉合，送回110 V電壓，車輛不能啟動緊急制動。啟動緊急制動時，K6和K7不閉合，110 V電壓不能送回，車輛啟動緊急制動模式。列車停在停車窗內，ATP根據由軌旁設備發來的報文決定允許開哪側旅客車門，只有在停車窗內互按壓強行開門按鈕，ATP才允許開門。ATP送電壓給車輛上的相關繼電器，當送的是110 V電壓時，車門打開，否則不能開門。當ATP完全承擔了列車安全責任時，從ATO送110 V電壓給車輛駕駛臺上的安全責任燈，此時安全責任燈亮。

圖6 ATP靜態輸出接口

4 車輛接口故障與處理方法

信號與車輛接口故障問題是限制軌道交通發展的重要因素。故障分為重大故障和輕微故障。遇到重大故障而且需要處置時，列車信號系統會傳輸故障內容。車載信號系統與接口故障主要從牽引/制動接口、緊急制動接口、車載狀態接口、旅客信息系統接口及其他接口進行判斷。當發生故障時，牽引/制動設備控制接口能通過緊急制動列車線、前進/后退請求以及牽引/制動請求處理故障。緊急制動的控制是通過緊急制動列車線實現的，無論何時，一旦列車線失磁則應立即實施緊急制動。車載ATC設備狀態信息通過網絡接口提供給車載CDS系統，包括車載ATC狀態、故障事件或故障消息、時間以及列車記錄。而針對車輛與其他接口發生的故障，則需要圍繞門控電路、接點容量以及電源等方面著手處理。根據分析2017年5月9日0D306次動車故障的典型案例，希望能對接下來的軌道交通車輛接口設計工作與故障處理提供參考。

4.1 故障描述

該列車準備發車時，駕駛員啟動ATP設備電源，但其正常啟用后沒有按照系統規劃運行，而是轉變成了待機模式。與此同時，SB7最大常用制動在ATP后臺輸出。在接收到地面信號之后，駕駛員將ATP設備操作調整為部分監控模式，后臺系統中SB4駐車制動替代了原先的SB7制動。之后，駕駛員將主控手柄推向牽引位后，信息提示制動已經有一定程度的緩解，同時“牽引封鎖：ATP常用制動激活”的故障文字信息出現在車輛的顯示屏上，如圖7所示。隨后司機再次將主控手柄推向“0”位置，相隔幾秒后再次推回“牽引”位，車輛IDU仍然顯示故障信息。最后，司機再次進行上述操作，唯一的不同在于本次駕駛員立即將主控手柄由“0”位推向“牽引”位，此時故障信息消除，可以進行正常的發車行駛。

圖7 車輛顯示屏實時情況

4.2 成因分析

車輛的正常運行需要依靠多個系統的相互協作。其中，控制和管理動車組的系統是車輛TCMS系統。動車組內所有的運行設備都是通過其進行自動檢測與調控，包括ATP設備。該系統并不直接控制相關的車輛設備，而是在運行時，將相關的信息指令及時匯總到車輛TCMS系統并進行分析處理，然后將指令下達到各個車輛設備進行相應的調控。

根據規范要求可知，ATP系統應具備檢測列車位置、停車點防護以及記錄司機操作等功能。及時收集車輛手柄的牽引和制動等相關控制信息，由計算機進行自動化的職能分析并采取相應策略。例如，當動車組處于停車狀態時，ATP系統將實施防溜制動，避免因列車沒有停穩引起的安全隱患。當主動手柄重新推向牽引位，列車開始啟動時，ATP系統也需要相應地緩解防溜制動。而當遇到如本案例中在檢測到主控手柄推向牽引位后又推回0位的特殊情況時，防溜制動會在5 s之后重新啟動。

ATP操作系統受TCMS系統的監控，而根據TCMS系統的處理原則，使其真正輸出牽引指令的前提是車輛TCMS系統能在檢測到列車因主控手柄位置改變而處于牽引狀態的同時，在0.5 s內檢測到APT系統反饋的緩解制動信息。若TCMS系統未能在規定時間內收到ATP系統發出的信號，車輛的電子顯示屏上就會出現“牽引封鎖：ATP常用制動激活”的提示信息，以此確保列車的正常安全行駛。出現本案故障的原因有3點。第一，信息指令從車輛TCMS系統發出到ATP系統接收相隔的時間較長；第二，信息從APT系統接收再到其發出制動緩解指令時間相隔較長；第三，信息傳輸過程中所經過的環節過多、信息不能直接傳達或者信息通道不順暢引發的信息傳遞耗費時間較長。

4.3 測試方案與實施

就目前的技術而言，車輛側接法和電務側接法是實施該方案的基礎。兩種方法分別通過軟件和示波器檢測出ATP系統緩解制動指令傳達到車輛TCMS系統的時間和發出緩解制動指令的時間。在模擬測試中，駕駛員先將列車調至駐車制動模式，隨后將主控手柄推到牽引位，在車輛側和電務側分別利用軟件和示波器記錄有關時間。在條件允許的前提下，使用控制變量法，運用不同的車型進行重復實驗，避免受實驗偶然性誤差的干擾。在大量試驗后，示波器得到的結果是在100 ms內，車輛側軟件記錄的數據時間在500 ms以上，因此，通過計算可知，剩下的時間應為車輛MIO模型采樣周期及控制單元掃描處理所消耗的時間。

5 故障處理的安全作業模式

實驗測定最終得出的結論是故障的產生其實是車輛的自動化系統為減少安全隱患而做出的應急反應。IDU顯示“牽引封鎖：ATP常用制動激活”的故障原因是在設計時忽略了車輛MIO模塊采樣周期和CCU控制單元掃描處理所需要的時間。目前，最簡單的可以直接降低該問題發生率的方式就是要求駕駛員快速操作手柄。當然，相關的技術設備的維修更新也要跟上，從源頭上解決問題。

6 結 論

軌道交通的建設將給沿線城市乃至一個國家的發展帶來新的活力。因此，其發展核心車載信號系統的設計應該更加被重視。同時，車輛信號接口的設計也不是一勞永逸的，不單要有理論依據作為支撐，更要在實際操作思考總結，降低事故發生率的同時減少故障發生后對整體運營的影響，以此來更好地滿足未來的需求。