基于車載ATC系統冗余切換的地鐵車輛控制電路優化設計

趙 虹 黃海霞 梁汝軍

(中車南京浦鎮車輛有限公司， 210031， 南京∥第一作者， 高級工程師)

地鐵車輛信號系統故障導致信號狀態丟失，直接影響到列車的行車安全、運營效率及服務質量。為提高信號系統的可靠性及運營效率，國內各城市大多數地鐵列車已采用雙端冗余信號系統，即：一套車載ATC(列車自動控制)系統為主用；另外一套車載ATC系統處于熱備狀態[1]，車載ATC系統頭尾冗余配置見圖1。當前端車載ATC系統出現故障并自動跳轉到尾端，備用車載ATC系統可以根據其當前模式狀態自動接管列車防護控制。通常兩套系統接管時會存在500 ms延時，為避免在此期間信號狀態丟失而影響列車正常運行，需對車輛控制電路進行優化設計，配合信號系統無縫切換，保證車載ATC系統冗余切換的可用性、穩定性。

注：VOBC為車載控制器;TAU為車載接入單元;OBG為車載網關;TOD為司機顯示單元;TIMS為列車控制和管理系統;MPU1、MPU2分別為主處理單元1、2;PPU為外圍處理單元;LAN為局域網；BTM為查詢應答器天線;LTE為長期演進;M為無受電弓的動車；Mp為有受電弓的動車。

1 地鐵車載ATC系統冗余切換流程

如當車載ATC系統主處理器單元、加速度計、信標天線、速度傳感器、接近傳感器和外圍處理單元等的硬件或軟件出現故障，導致主用車載ATC系統宕機[2]，車載ATC系統會中斷所有對車輛的輸出及牽引制動模擬量信號，進入冗余切換狀態。車載ATC系統冗余切換流程如下：

1) 主用車載ATC系統檢測到硬件或軟件故障，并切換至移交狀態。在移交狀態下主用車載ATC系統輸出給車輛的緊急制動信號中斷，其他控車指令隨即丟失[3]。信號冗余切換中斷指令時序見圖2。

注：T1為冗余切換時間。圖2 車載ATC系統冗余切換中斷指令時序圖

2) 備用車載ATC系統檢測到主用車載ATC系統的在線工作狀態指令斷開，準備進入激活狀態。

3) 備用車載ATC系統在500 ms內接管主用系統并轉為激活狀態后，激活對車輛的所有輸出，包括緊急制動相關的指令。

4) 主用車載ATC系統檢測到備用車載ATC系統的在線工作狀態指令時，進入到非激活狀態，完成無擾切換。

5) 備用車載ATC系統通過網絡傳輸單元和列車控制信號線恢復到切換前的狀態，并恢復對車輛的所有輸出，進而對列車進行控制和防護。

2 車載ATC系統冗余切換時的車輛狀態及風險

車載ATC系統發生的故障無法預期，車載ATC系統冗余切換可能出現在車站站臺區域或列車不同運行場景中，因此車輛應對措施也不盡相同。

2.1 車輛靜止時的車載ATC系統切換控制

當列車停在站臺區域處于靜止狀態時，車載ATC輸出門使能信號、開/關門信號、零速信號、制動指令及緊急制動高電平信號，保證乘客安全上下車。此時如果主控車載ATC系統突發故障，進入冗余切換狀態，ATC端口輸出的門使能信號、開/關門信號、零速信號、制動指令及緊急制動高電平信號丟失，列車緊隨指令丟失進入戒備狀態。

2.1.1 車門系統執行關門指令

列車車門的開/關由EDCU(門控器)控制，并根據開門信號、關門信號、門使能信號、零速信號的狀態驅動門電機，從而實現車門的開/關功能。車門動作邏輯見表1。

表1 車門動作邏輯

由表1可知，車載ATC系統故障單元(以下簡為“控制系統故障單元”)輸出的門使能信號、開/關門信號丟失后車門狀態仍保持；但是列車零速信號作為車門ATC系統安全輸入信號，其丟失后車門執行關門指令。當站臺區域列車車門打開，上下客途中，車載ATC系統進行冗余切換，出現列車零速信號500 ms短暫丟失，導致車門意外關閉，造成乘客恐慌甚至夾傷風險。

2.1.2 制動系統施加緊急制動

控制系統故障單元輸出的緊急制動信號丟失時，車輛的緊急制動回路斷開，車輛觸發緊急制動。由于列車處于靜止狀態，因此列車不受影響。

2.2 車輛運行中的車載ATC系統冗余切換

在ATC控車的情況下，列車高速運行過程中，主用車載ATC系統因故障宕機時，車輛的牽引和制動系統反應如下：

1) 制動系統施加緊急制動。列車高速運行時突發主用車載ATC系統因故障切換至備用系統時，控制系統故障單元輸出的緊急制動信號丟失，車輛緊急制動回路斷開，車輛觸發緊急制動。車輛緊急制動只采用純空氣制動，作用比較迅猛，通過最大制動力保證列車在規定距離內安全停車。在此過程中，由于慣性因素強大沖擊力導致乘客意外摔倒。緊急制動不可自動恢復，必須停車后進行人工恢復。

2) 牽引系統切除牽引，車輛惰行。車載ATC系統輸出牽引控車命令，牽引力模擬量丟失，牽引系統監控緊急制動回路狀態并封鎖牽引，此時車輛執行惰性狀態。

3 車輛控制電路優化設計

車載ATC系統切換過程中。主用車載ATC系統會中斷所有對車輛的輸出信號，導致站臺區域車門意外關閉及車輛施加緊急制動停車問題。對車輛控制電路進行了優化設計，保證主用和備用車載ATC系統的無縫切換。

3.1 列車零速信號優化

列車零速信號可由信號系統、制動系統及牽引系統輸出，列車采用零速繼電器得電與否代替零速狀態。零速繼電器控制電路如圖3所示。

圖3 零速繼電器控制電路Fig.3 Zero speed relay control circuit

在ATC控車情況下，制動系統及牽引系統輸出的零速信號不參與控車，僅靠信號系統輸出的零速信號控制列車零速繼電器狀態。列車停穩到站臺后，車輛零速狀態由ATC系統速度傳感器精確算出，ATC系統對自身輸出的零速狀態回采及監控，保證了輸出零速信號的安全可靠。當車載ATC系統在站臺區域冗余切換時，零速信號丟失導致車門意外關閉。為避免此風險，車輛控制電路設計時，信號系統輸出端口零速繼電器采用掉電延時繼電器。掉電延時繼電器有多種規格，其延時分別為0.25 s、0.50 s、1.00 s，甚至更長。考慮車載設備兩端主機500 ms切換時間、30 ms繼電器動作時間及50 ms列車控制信號線傳輸延時等因素，選用延時為1 s的延時繼電器。主用ATC故障丟失零速輸出信號時，零速延時繼電器線圈不會立即斷電，延時1 s后斷電，完全覆蓋了備用車載ATC系統500 ms切換時間、繼電器動作時間及列車控制信號線傳輸延時。列車零速信號時序見圖4。

盡管ATC系統冗余切換會導致零速信號指令丟失，在掉電延時繼電器延時1 s失電的過程中，列車車門能正常收到零速信號；當備用車載ATC系統接管后，輸出零速信號，通過延時繼電器保證了車門開關保持原有狀態。對于制動系統而言，列車本身即為零速狀態，延時繼電器不會對制動系統造成任何影響，同時也避免了造成乘客恐慌或被夾傷的風險。

圖4 列車零速信號時序圖Fig.4 Time sequence diagram of train zero speed signal

3.2 緊急制動電路優化

車輛制動系統性能需滿足BS EN 13452-1—2003的相關要求。假設平直軌道上列車的制動初始參考速度為80 km/h，列車運行速度從80 km/h減速至0的過程中，緊急制動平均減速度為1.2 m/s2，緊急制動瞬時減速度1.32 m/s2。根據車輛制動系統計算可知，制動閥的打開系統空走時間t10(即制動缸壓力為最大純空氣制動力的0～10%)為0.2 s,制動建立時間t90(即制動缸壓力為最大純空氣制動力的10%～90%)為1.3 s。車輛緊急制動過程中制動缸壓力如圖5所示。

圖5 車輛制動缸壓力-時間關系曲線

由圖5可見，車載ATC系統冗余切換間隔時間為500 ms，制動缸壓力為最大純空氣制動力的20%～30%。此時相比于列車制動到停車狀態，沖擊力并非很大。倘若備用車載ATC系統在500 ms內接管并自動恢復到切換前的狀態，無需停車重新起動，這樣可降低乘客摔倒的風險概率。為此，在車輛控制電路的設計階段需結合信號系統發出的指令，搭建好冗余切換成功后緊急制動自動緩解、牽引恢復的電路[4]。在備用車載ATC系統接管電路后，立即輸出緊急制動復位信號，將此信號并聯于緊急制動回路中的零速自鎖電路上，通過旁路車輛緊急制動電路中的零速觸點，實現非零速下的緊急制動電路復位，從而恢復因車載ATC系統切換而中斷的緊急制動電路。車輛緊急制動控制電路如圖6所示。

圖6 車輛緊急制動控制電路設計圖

備用車載ATC系統接管后，無需制動至停車狀態即可緩解緊急制動回路，制動缸產生的20%～30%的壓力值將在2～5 s內緩解。備用車載ATC控制系統同時發出牽引授權信號及牽引命令，且在2～5 s后施加牽引力。此時列車恢復至ATC系統切換前的運行狀態，不會對列車運行效率產生影響。

4 結語

為實現信號雙端冗余系統的無縫切換，車輛需從零速信號、緊急制動信號及牽引制動控車信號進行優化設計，避免車載設備故障進入冗余切換期間信號狀態丟失而影響列車正常運行。此方案已在南京、合肥、杭州等多個城市的軌道交通項目中得到成熟運用。通過車輛控制電路優化設計保證信號系統冗余切換的可用性、穩定性，進而提高列車的服務質量，同時也為其他設計人員提供參考和借鑒。