車載ATC仿真模擬器設計與應用

王永清

（蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司，江蘇蘇州 215000）

蘇州軌道交通3號線信號系統采用卡斯柯的Urbalis888系統。該系統主要由聯鎖子系統、列車自動監控子系統、列車自動控制子系統、數據通信子系統、信號集中監測子系統組成，其中車載設備主要包括車載控制器、司機顯示單元、交換機、信標天線、編碼里程計等。車載控制器作為車載設備的核心部件，是實現列車自動防護、自動駕駛功能的關鍵所在，因此每列車在設備安裝、維修、更換時均需要對其進行靜態及動態測試。由于這項工作需要大量占用試車線資源，受天氣、施工作業點影響較大，且耗時耗力、效率較低，常常調測一列車需要好幾天才能完成。同時當運營線路上發生信號與車輛接口故障時，既有故障排查方法對于接口故障不能準確快速做出判斷，對維護人員業務能力要求較高，故障處理難度較大。

因此設計一款適用于Urbalis888信號系統的車載信號調試設備，為更好的適應日常維護需要，提高設備調試、檢修效率，快速定位接口故障位置，對降低運營成本具有重大意義。

1 設計需求分析

目前在現場調試維護過程中，為測試車載信號設備與車輛接口的輸入輸出功能，既有方式涉及基本輸入輸出功能的則在庫內進行靜態測試，涉及動態功能鏈路的則在試車線動車條件下進行。此種方法雖然能夠滿足設備調試、檢修作業需求，但是由于涉及動車測試內容較多，對試車線資源占用較大，往復的動態測試也較為耗時耗力。同時考慮到現有列車信號系統靜態調試，由于無法對接口線纜進行檢查，存在一定的安全風險。

此外，在列車測試過程中有部分功能測試需要廠家專用軟件驅動車載板卡強制輸出控制命令來實現，而此類軟件實現功能的前提是需要重刷車載測試版數據，一方面安全風險較大，另一方面設備廠家對專用軟件使用把控較嚴，技術壁壘較高，實現難度較大。

針對以上情況，為更好適應日常維護需要，提高設備調試、檢修及故障處理效率，通過研究Urbalis888信號系統基本原理、信號系統與車輛接口原理以及調查日常調試維護需要，確定了仿真模擬器功能需求，如圖1所示。

圖1 仿真模擬器功能需求Fig.1 Requirements for the functions of the simulator

同時在深入了解車輛電氣原理圖、車載設備維護手冊和信號接口連接器的連接圖后，根據車載控制器機柜與車輛接口協議，制定了以下仿真模擬器設計思路，如圖2所示。

圖2 仿真模擬器設計思路Fig.2 Design thinking for the simulator

2 設計思路

Urbalis888信號系統車載仿真模擬器主要用于信號系統與車輛接口的輸入、輸出功能靜態及動態調試，進行日常的故障排查診斷，從電路結構上主要分為以下4大模塊。

第1部分是供電模塊：利用對電源和處理器單元板卡的輸入供電與輸出接地特性，采用該板的輸入供電，給仿真模擬器的純輸出相關功能供電。第2部分是輸入模塊：通過操作車輛外部設備，使得電信號通過相關信號接口連接器端子，使得仿真模擬器相應指示燈點亮，給出輸入功能信號。比如司機室鑰匙激活、門關好且鎖閉功能等。第3部分是輸出模塊：利用電源和處理器單元板卡的相應接口連接器端子供電，仿真模擬器設置控制開關，使得110 V電信號有效傳輸到車輛設備，給出輸出功能命令。比如開門命令、關門命令、按鈕燈等。第4部分是采集驅動模塊：外部電信號通過仿真模擬器控制開關采集輸入，然后再通過仿真模擬器輸出到外部，實現采集驅動控制功能，比如零速信號、門使能信號等。此外每條功能測試線路需設置相應的指示燈，用來顯示相應的采集輸出信號。

由于各測試功能的實現有一定的前提條件，比如要使得自動折返模式下司機室激活信號有效，必須先使得向前位輸出信號輸出，使自動折返繼電器得電，因此在電路設計過程中需充分考慮相應的信號聯鎖關系，確保相應功能真實有效。通過對信號系統與車輛接口原理圖的分析，確定各接口輸入輸出功能需求。現對自動折返模式下司機室激活功能在仿真模擬器中電路如何實現進行舉例說明。

正常線上運營時，自動折返功能需在鑰匙關閉且雙手柄歸零狀態下才有效，故先要把司機室鑰匙斷開，并且方向手柄和牽引制動手柄都歸零位，之后操作仿真模擬器自動折返模式下的向前位信號（FWD）（自動折返繼電器激活信號）開關，輸出110 V信號使車輛自動折返繼電器（ATBR）（自動折返繼電器）得電。后操作仿真模擬器上的(CSR)（ATB模式下司機室激活繼電器）開關，使車輛司機室激活繼電器群繼電器（COR）得電，此時司機室就會處于激活狀態，可見車輛顯示屏點亮，客室燈點亮。

根據功能需求與列車布線圖邏輯，進行電路原理圖設計，并結合車輛與信號系統各設備電氣參數，進行元器件選型。仿真器輸出型功能電源由仿真器主用直流110 V電源提供，經過仿真器電路開關，送至int（車輛與信號接口插接器）接口端子，后通過車輛系統設備，最終電流流向列車共用地，形成回路；仿真器輸入型功能電源由車輛緊急供電母線直流110 V提供，經過車輛系統設備，送至int接口端子，后通過仿真器分壓電阻，使得直流24 V的LED燈點亮，最后電流還是流向列車公共地，形成回路。仿真器輸入與輸出型功能都選用列車公共地作為負極，與列車實際功能回路保持一致，使得仿真器對車輛與信號接口功能檢測更加精準。

由上述電路設計思路，先選取左側車門打開驅動輸出功能、所有車門關好后輸入采集信號在仿真模擬器電路設計制作方法介紹如下。

1）左側車門打開（DOC-A）輸出驅動信號

左側門打開信號，即DOC-A信號，主要由車輛門控電子單元采集。要使得車輛左側開門繼電器得電，需要車載110 V脈沖信號驅動。故可利用仿真模擬器的主用110 V電，串接仿真器上的自復式開關（圖3的S12），經過仿真器相應int接口端子，使得車輛左開門繼電器得電，以此檢測此功能回路接口輸出正常，如圖3所示。

圖3 左側開門輸出信號Fig.3 Output signal when the door opens at left

2）所有車門關好且鎖閉（TDCL）輸入采集信號

車門關好且鎖閉的110 V信號是車輛緊急供電母線提供，當車門打開狀態下，因車輛門關好繼電器失電，故車載所有門關好信號無法采集。故可選取15 kΩ電阻用于分壓，利用24 V規格的LED燈亮、滅變化情況用于判斷仿真模擬器信號采集有效。車輛緊急供電母線的110 V電，經過車輛門關好繼電器接點，送至int接口端子，后流向分壓電阻（R15），最終使得LED燈點亮，表示車輛門關好回路功能輸入采集有效。故當車門打開狀態下，因車輛門關好繼電器失電，110 V信號無法傳輸至仿真模擬器，LED燈會由亮變滅，以檢測此功能回路接口輸入正常，如圖4所示。

圖4 所有門關好且鎖閉信號Fig.4 All doors are closed and the signal is locked

仿真器上的其他功能電路設計類同，這里不再贅述。

采用上述的電路設計思路，該仿真模擬器可實現44種車載功能接口測試需求，具體仿真設備制作完成的成品如圖5所示。

圖5 仿真模擬器成品Fig.5 The finished product of the simulator

3 仿真器應用及優勢

Urbalis888信號系統車載信號設備仿真模擬器制作完成后通過線上連接測試，均能正常實現列車開關門、各按鈕輸入、牽引命令、緊急制動等功能，與正常靜動態測試結果一致，各項功能均符合設計需求要求，如表1所示。

表1 功能實現分類Tab.1 Checklist of the fulf illment of functions

在Urbalis888信號系統車載信號設備仿真模擬器上線測試一段時間后，通過與既有設備調試、維護手段相比，經過對比分析，主要有以下幾點優勢。

3.1 提升設備檢修效率

通過將仿真模擬器測試加入設備靜態調試流程后，與既有調試維護流程相比，利用仿真模擬器進行車載功能調試維護時，維護用時相比傳統方式大大減少，提高了設備調試、維護效率。車載功能調試維護用時對比，如表2所示。

表2 車載功能調試維護用時對比Tab.2 Comparison of the time needed for commissioning and maintenance of on-board functions

3.2 降低試車線施工資源占比

以蘇州3號線40列車日常檢修為例，每列車動態調試至少需要2名司機配合，2名信號人員參與，仿真模擬器投入使用后可以減少一半的動態測試項目，能源消耗以每次動車測試消耗電量為1個單元計算，仿真模擬器投入使用后，人力、能源等施工資源消耗占比情況對比如圖6所示。

圖6 施工資源消耗占比情況對比Fig.6 Comparison between the consumption of construction resources

3.3 提高故障處理效率

1）2020年4月8日文昌路站上行2004次0310車出站時頻繁產生信號緊急制動，控制中心組織該車切除車載信號后運行（仿真模擬器雛形未制作完成）。

經排查故障原因為地鐵電客車上行方向頭端（TC2）車輛專業的司機室鑰匙激活繼電器（KSR2繼電器)偶發故障，其繼電器接線異常斷開，導致車載離散功能輸入板采集的惰行手柄信號、初始駕駛模式信號、限制模式按鈕按壓輸入信號同一時間掉電。因初始駕駛模式信號掉電，車載信號設備判定變為無模式狀態運行，列車產生信號緊急制動，電路如圖7所示。

圖7 列車電路原理Fig.7 Circuit diagram of the train

在處理該故障過程中，由于兩專業無法對故障進行有效定位，繼電器又是偶發故障，不是常態故障，故處理時間較長，累計用時3天解決。

2）2020年5月13日雙馬街站0334車信號緊急制動，司機顯示單元顯示限制模式按鈕故障或持續按壓，控制中心組織該車切除車載信號后運行（仿真模擬器已制作完成）。

后經排查故障原因依舊是車輛專業的 KSR2繼電器偶發故障導致（與上一故障相同）。在處理過程中，通過利用仿真模擬器代替車載信號設備機柜進行測試，通過不斷激活、斷開司機室鑰匙，觀察仿真模擬器指示燈位變化，能非常直觀顯現故障現象，僅用10 min就完成了故障處理及定性。

3）2020年10月19日葑亭大道站上行進站2702次0321車產生信號緊急制動，司機緩解后可動車。

后經排查故障原因為自動駕駛過程中，車輛自動駕駛模式繼電器故障導致緊急制動回路斷開。利用仿真模擬器完全甩開車載設備后，代替車載設備進行自動駕駛模式輸出測試。通過不斷的自動駕駛模式輸出信號輸出與斷開試驗，檢驗出當自動駕駛模式信號輸出時，自動駕駛模式繼電器線圈偶發性失電，證實了車輛自動駕駛模式繼電器故障導致列車緊急制動，整個故障處理約20 min。相比傳統的故障排查方法需上試車線動車測試處理，節省了試車線資源及處理用時。

4 結語

通過Urbalis888信號系統車載信號設備仿真模擬器的設計制作，一方面完成了Urbalis888信號系統與車輛接口功能的梳理，另一方面在仿真模擬器投入使用后，釋放了大量試車線資源，節省了設備維護、調試及故障處理時間，提高了相關作業效率，降低了設備維護成本。后續有望繼續通過對設備功能原理的深入研究，逐步向完善拓展仿真模擬器功能、增加設備集成度的方向努力。