列车控制单元宕机引起地铁车辆溜车的故障分析及优化
时间：2023-02-02 16:45:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈卓群
（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广州 511495）
为了保证地铁车辆安全运营，地铁车辆的制动系统通常设有常用制动、紧急制动、保持制动等制动功能。常用制动采用电空复合控制方式，优先使用电制动，若电制动力不足则由空气制动补充。紧急制动优先于常用制动，具有故障导向安全功能，根据紧急安全回路的高低电平状态分别缓解和施加纯空气制动，紧急制动可以由下列条件触发：车辆后溜故障、蘑菇按钮、列车超速、ATP系统等。保持制动采用一个固定制动力值，在车辆停车前的低速运行中空气制动将代替电制动实施保持制动，它可避免车辆在坡道上停车和启动时因溜车引发安全事故［1］。
某地铁车辆设置有保持制动及车辆后溜故障由VCM触发紧急制动功能。该车辆保持制动力为最大常用制动力的70%，确保车辆在AW3载荷下也能在线路最大坡道上停稳和启动不溜车。车辆由制动系统根据列车综合速度及制动系统速度施加保持制动力，VCM根据车辆整车牵引力、列车速度缓解保持制动力。车辆后溜故障由牵引系统进行逻辑判断，VCM根据收到的车辆后溜故障信息触发车辆紧急制动功能。为避免车辆后溜问题，该车辆已设置保持制动功能与后溜故障触发紧急制动功能，但运营3年后却出现一起因VCM宕机导致的车辆后溜故障。
经调查分析，该车辆原先设计的保持制动施加及车辆后溜故障触发紧急制动功能具有一定缺陷，导致车辆在VCM宕机情况下出现后溜。
1.1 故障现象
某地铁列车以ATO模式驾驶，进站过程中车辆HMI（人机交换界面）出现黑屏现象，列车在自动停车后出现后溜，司机通过操作快速制动使列车停稳。
通过回放列车监控视频，发现列车后溜时：
（1）列车自出现HMI黑屏后至自动停车，气制动施加灯不亮。
（2）列车在自动停车后制动气压表制动压力为0，制动处于缓解状态。
（3）自HMI出现黑屏至车辆溜车前，司机未进行任何操作。
1.2 故障履历数据
检查车辆故障履历数据如图1所示，发现车辆HMI黑屏时整车所有子系统与A1车VCM（主用）均出现通信故障，可以判断此时A1车VCM通信异常。
图1 通信故障履历
2.1 保持制动设计逻辑
保持制动是为防止车辆在停车前的冲动，使车辆平稳停车，由制动控制系统执行内部设定的程序。制动系统施加保持制动具有4个条件，当且仅当4个条件全部满足，列车才允许施加保持制动，如图2所示。
图2 保持制动控制逻辑
（1）本轴速度小于0.5 km/h；
（2）TCMS综合速度速度小于10 km/h；
（3）本CAN网段拖车第一个转向架最大轴速度小于10 km/h；
（4）本架制动系统最大轴速度小于5 km/h。
若车辆满足制动系统施加保持制动条件，保持制动施加逻辑如下：在VCM生命信号有效时，当网络牵引指令无效则制动系统施加保持制动；
在VCM生命信号无效时，当硬线牵引指令无效则制动系统施加保持制动。
2.2 车辆在后溜时触发紧急制动设计逻辑
故障车辆设计具备在后溜时起紧急制动的功能：TCMS根据牵引系统传输的车辆后溜故障信息，由VCM输出接口驱动车辆安全回路掉电，使得车辆产生紧急制动停车。
牵引系统负责判断车辆后溜故障，如图3所示。当牵引系统判断出主控手柄方向和牵引电机的实际方向不一致，只要以下任意1个条件有效则牵引系统触发后溜故障逻辑：
图3 后溜故障判断逻辑
（1）溜车速度大于1 km/h且溜车时间超过0.2 s。
（2）溜车持续时间大于10 s。
（3）溜车距离大于0.4 m。
车辆只要满足以下任一条件，牵引系统对后溜故障进行复位：
（1）硬线制动指令有效持续5 s及以上。
（2）硬线紧急制动指令持续2 s及以上。
（3）DCU内部出现生命信号故障。
在TCMS正常时，牵引系统将后溜故障状态反馈至VCM，由VCM触发车辆后溜导致的紧急制动。TCMS通过VCM实现车辆紧急制动控制功能，TCMS在2个 单元车分 别 配置1个VCM进行 热备冗余。一单元VCM为主用，二单元备用VCM实时监测主VCM的状态，当主VCM出现故障或信号干扰时，备用VCM将接管主VCM的职责，行使所有的总线管理和控制功能，VCM的紧急制动硬线接口控制功能如图4所示。
图4 VCM紧急制动输出接口
当TCMS收到牵引系统的后溜故障信息时，主用VCM在经过逻辑计算后，通过接口模块触发VCM紧急制动，控制紧急制动继电器EB上电，EB继电器常闭触点随即断开，安全回路掉电后控制车辆施加紧急制动。
3.1 事件记录仪数据分析
故障时段TCMS事件记录波形如图5所示。通过事件记录波形，复位故障信息如下。在t0～t4时段，VCM生命信号与车辆综合速度信号均出现卡滞不变故障情况，其中VCM计算得出的综合速度保持为VCM故障前的64 km/h，对比制动系统轴速与牵引系统电机综合转速变化情况可知，车辆实际处于减速过程，可以以此判断该时段VCM宕机，主从VCM切换失败；
t1～t2时段，根据制动轴速为0而所有制动缓解信号高电平可知，车辆在VCM瘫痪情况下停车且未施加气制动；
t2～t3时段8 s内，车辆在牵引指令低电平及制动指令高电平、所有制动缓解信号高电平即气制动未施加情况下出现溜车，溜车速度约0.2 km/h，后溜距离约0.4 m，期间牵引系统检测到后溜，后溜故障在牵引系统受到制动指令持续5 s后复位；
t3时刻，司机在发现车辆溜车后，通过操作主控手柄施加快速制动停车；
t4时刻，VCM生命信号恢复跳变，TCMS系统恢复正常。
图5 故障波形图
3.2 溜车原因
针对VCM宕机、主从2个VCM切换失败问题，组织供应商技术人员进行现场调查，发现宕机原因为故障时PIDS交换机出现网络风暴，PIDS交换机通过接口同时向主从2个VCM发送了大量数据，VCM均在超负荷工作下出现宕机。在VCM宕机时，车辆存在2个问题，分别是车辆在故障时未施加保持制动、后溜故障时VCM未主动施加紧急制动。
车辆在故障时未施加保持制动。根据保持制动设计逻辑，制动系统施加保持制动的充分条件之一是VCM计算得出的列车TCMS综合速度小于10 km/h。网络模式下本地速度传感器故障，会导致车辆在运行中制动系统错误施加保持制动，造成带闸跑车的风险。因此，在保持制动施加逻辑中，需考虑列车综合速度。在t0～t4的故障时段，因VCM宕机导致列车综合速度保持为故障前的64 km/h。制动系统收到错误的列车综合速度，该异常速度超过10 km/h，不满足制动系统施加保持制动的条件，因此车辆未能施加保持制动。
车辆在后溜故障时VCM未主动施加紧急制动。根据车辆在后溜时触发紧急制动设计逻辑，当溜车距离大于0.4 m且无后溜故障复位信号时，牵引系统发出后溜故障信息，VCM根据后溜故障驱动EB紧急制动继电器上电，从而控制车辆安全回路断电。t2～t3时段，在车辆溜车时，牵引系统检测到后溜故障，TCMS也收到该故障反馈。故障时VCM宕机，不进行逻辑计算，未能驱动EB紧急制动继电器上电，安全回路保持上电状态，故车辆未能通过VCM施加紧急制动，不符合“故障导向安全”原则。
由于VCM宕机风险无法杜绝，为彻底避免车辆在VCM宕机后出现保持制动无法施加或车辆检测到后溜时无法施加紧急制动的情况，必须对VCM宕机后制动系统保持制动施加逻辑及VCM紧急制动逻辑加以完善，同时还需对司机故障处理指南进行优化。
4.1 制动系统保持制动施加逻辑优化
在制动系统软件中修正网络故障后，未清除无效的列车综合速度的问题。当VCM生命信号有效时，制动系统将原来的4个条件作为施加保持制动的前提。当VCM生命信号无效以后，制动系统取消将VCM计算得出的列车综合速度作为保持制动施加的前提条件之一，只保留以下3个条件作为保持制动施加的充分条件：
（1）本轴速度小于0.5 km/h；
（2）本架制动系统最大轴速度小于5 km/h；
（3）本CAN网段拖车第一个转向架最大轴速度小于10 km/h。
4.2 车辆在VCM宕机时导向安全
接口电路将紧急制动继电器EB串入安全回路的常闭触点替换为常开触点。在VCM正常且VCM未触发紧急制动条件时，VCM驱动EB继电器上电，EB继电器的常开触点闭合，安全回路上电，车辆缓解紧急制动。在VCM异常宕机时，由于VCM不进行逻辑计算，未能驱动EB继电器上电，EB继电器的常开触点断电，安全回路掉电，车辆施加紧急制动，符合“故障导向安全”原则，如图6所示。
图6 优化后VCM紧急制动输出接口
4.3 其他措施
为了规范VCM宕机故障下司机操作，可编制司机操作指引，并要求司机在HMI黑屏等故障现象下通过操作快速制动控制列车停车，将车辆驾驶模式切换至紧急牵引模式。此外，车辆专业技术员应督促PIDS专业针对交换机网络风暴问题，制定交换机端口带宽限制及广播报文抑制措施，确保车辆与PIDS接口工作状态稳定。
4.4 优化结果
采用上述优化措施对保持施加逻辑及VCM紧急制动逻辑进行优化后，列车在运行过程中，通过断开主用及备用VCM电源以模拟VCM宕机，车辆立即施加紧急制动直至停车，当列车停稳后，制动系统仍能有效施加气制动。以上验证结果表明，上述优化措施可杜绝整车VCM宕机后的溜车问题。
分析某地铁车辆在VCM宕机后出现后溜的故障原因，得出该车辆制动系统在故障下仍将VCM综合速度作为保持制动施加的条件之一，导致车辆无法施加保持制动。此外，在牵引系统检测到车辆后溜时，车辆原设计的由VCM触发后溜故障导致的紧急制动失效，不符合故障导向安全原则。针对以上缺陷，分别对制动系统保持制动施加逻辑、车辆在VCM宕机后紧急制动导向安全进行优化，以上措施可有效防止车辆在VCM宕机后出现的溜车风险。
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