地鐵列車客室門系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的優(yōu)化

原宇博

(貴陽城市軌道交通有限公司機(jī)電設(shè)備部，550081，貴陽∥工程師)

?

地鐵列車客室門系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的優(yōu)化

原宇博

(貴陽城市軌道交通有限公司機(jī)電設(shè)備部，550081，貴陽∥工程師)

硬線和網(wǎng)絡(luò)指令的冗余設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于地鐵列車的車門控制。基于先到先執(zhí)行的原則,門控器對“硬連線信號”和“網(wǎng)絡(luò)信號”均能響應(yīng),以先接收到的信號為準(zhǔn)控制車門的開閉。分析了冗余信號的時(shí)序,以及冗余指令沖突導(dǎo)致車門無法關(guān)閉的問題,提出了客室門系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案,并將該方案應(yīng)用于廣州地鐵車輛的調(diào)試。實(shí)踐證明該方案能有效避免冗余指令沖突,大大提高列車門控系統(tǒng)的可靠性。

地鐵； 客室門系統(tǒng); 指令冗余; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Author′s address Guiyang Urban Rail Transit Co.,Ltd.,550081,Guiyang,China

現(xiàn)今地鐵列車多使用車門控制器(簡稱“門控器”)來進(jìn)行客室門的控制和保護(hù)。門控器模塊化設(shè)計(jì)時(shí)還引入了車門網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。但在國內(nèi)的運(yùn)營中,發(fā)現(xiàn)了一些冗余設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)的缺陷。例如,廣州地鐵2號線列車采用了南京康尼機(jī)電股份公司的車門控制器,中車株州電力機(jī)車有限公司設(shè)計(jì)的外部控制電路,西門子牽引設(shè)備有限公司的列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)和車載信號裝置。曾發(fā)生的一次硬線指令與網(wǎng)絡(luò)指令沖突故障造成了列車車門保持在打開位而無法關(guān)閉。本文就此展開分析,論述地鐵列車的車門控制功能的冗余和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 硬線與網(wǎng)絡(luò)指令的冗余

在故障案例中,司機(jī)在發(fā)車之前按關(guān)門按鈕數(shù)次,伹列車一直未能關(guān)門,后來該列車清客退出服務(wù)。經(jīng)分析,當(dāng)時(shí)列車狀態(tài)是ATO(列車自動運(yùn)行)模式,車門控制旋鈕在“自動”檔位,但此時(shí)因車載信號裝置處理“ATO開門保持指令”的延時(shí),需司機(jī)持續(xù)按下關(guān)門按鈕超過800 ms才能可靠執(zhí)行關(guān)門,而在URM(不受限制的人工駕駛)模式下僅需不到100 ms(以上均為監(jiān)測數(shù)據(jù))。而故障發(fā)生時(shí)，司機(jī)按下關(guān)門按鈕時(shí)間約為460 ms。

通過仔細(xì)分析外部電路設(shè)計(jì)和門控器的指令邏輯,硬線的電平變化檢測需500 ms的穩(wěn)定時(shí)間,而網(wǎng)絡(luò)指令也存在512 ms的輪詢。因此，如果出現(xiàn)小于500 ms的硬線指令,則可能硬線指令與網(wǎng)絡(luò)指令的“開/關(guān)”狀態(tài)不同且同時(shí)存在,從而形成“恒高電平”狀態(tài),造成門控器響應(yīng)某動作一次后不再響應(yīng)。由此可見，在故障案例中，司機(jī)僅按關(guān)門按鈕460 ms就松開,可判斷是“硬線的開/關(guān)門指令和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)門指令發(fā)生了沖突”,從而造成了門控器的不再響應(yīng)。

1.1 開/關(guān)門的硬線信號模式

開關(guān)門列車線為2根，分別由2個(gè)輸入口傳送給門控器。2根列車線傳輸?shù)男盘枮榛コ獾碾娖叫盘枴ＵＧ闆r下，當(dāng)開門列車線為高電平時(shí)，關(guān)門列車線為低電平；當(dāng)關(guān)門列車線為高電平時(shí),開門列車線為低電平。當(dāng)任意1個(gè)硬連線信號發(fā)生高電平跳變,且維持500 ms時(shí)，則門控器會在延遲3 s后響應(yīng)相關(guān)操作。

這種信號系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障為:①關(guān)門列車線恒為高電平,或者恒為低電平;②開門列車線恒為高電平,或者恒為低電平。發(fā)生故障時(shí),恒有效的電平信號僅被執(zhí)行一次,且不會影響其它信號操作。緊急解鎖操作可以將門打開,隔離操作可以將門隔離,維護(hù)按鈕可以正常開關(guān)門。若關(guān)門列車線恒為高電平,則開門列車線的高電平跳變?nèi)钥蓤?zhí)行開門操作,但此后不再響應(yīng)關(guān)門列車線的高電平。

同理,若開門列車線恒為高電平,則關(guān)門列車線的高電平跳變?nèi)钥梢詧?zhí)行關(guān)門操作,但此后將不再響應(yīng)開門列車線的高電平指令。若高電平跳變小于500 ms，則不會響應(yīng)相應(yīng)指令。

1.2 開關(guān)門的網(wǎng)絡(luò)信號模式

由TCMS通過MVB(多功能車輛總線)發(fā)送給主門控器的網(wǎng)絡(luò)開門信號和網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號為互斥的邏輯信號。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開門信號為有效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號為無效;反之,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號為有效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開門信號為無效。當(dāng)任意1個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)生從無效到有效的跳變時(shí),門控器就會進(jìn)行相關(guān)的操作。

此種信號系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障為:①網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號恒有效或恒無效;②網(wǎng)絡(luò)開門信號恒有效或恒無效。發(fā)生這種故障時(shí),恒有效的網(wǎng)絡(luò)信號僅被執(zhí)行一次,且不會影響其它信號的操作。此時(shí)緊急解鎖操作可以將門打開,隔離操作可以將門隔離,維護(hù)按鈕可以正常開關(guān)門。若網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號恒有效,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開門信號從無效跳變?yōu)橛行r(shí),仍可以執(zhí)行開門操作,但此后不再響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號。

同理,若網(wǎng)絡(luò)開門信號恒有效,則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號從無效跳變?yōu)橛行r(shí),仍可執(zhí)行關(guān)門操作,但此后不再響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)開門信號。

由于網(wǎng)絡(luò)采取輪詢機(jī)制,故此時(shí)，接收到的網(wǎng)絡(luò)信號比硬線信號延時(shí)。若硬線信號維持時(shí)間很短,則有可能導(dǎo)致門控制器無法接收到正確的網(wǎng)絡(luò)開關(guān)門信號。

1.3 目前“先到先執(zhí)行”的開/關(guān)門冗余方案

無論是硬連線開關(guān)門信號還是網(wǎng)絡(luò)開關(guān)門信號,只要發(fā)生正確的跳變,門控器就會響應(yīng)該信號。

若先檢測到硬連線開門信號跳變維持500 ms,則立即執(zhí)行開門操作；如果在操作過程中,又檢測到“網(wǎng)絡(luò)開門信號”從無效跳變到有效,則仍保持開門操作,直到門開到位。同理,若先檢測到“網(wǎng)絡(luò)開門信號”從無效跳變到有效,則立即執(zhí)行開門操作；如果在操作過程中,又檢測到硬連線開門信號跳變維持500 ms,則仍保持開門操作,直到門開到位。

若先檢測到硬連線關(guān)門信號上跳變維持500 ms,則執(zhí)行延時(shí)關(guān)門操作；如果在操作過程中,又檢測到“網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號”從無效跳變到有效,則仍保持關(guān)門操作,直到門關(guān)到位。同理,若先檢測到網(wǎng)絡(luò)關(guān)門信號從無效跳變到有效,則執(zhí)行延時(shí)關(guān)門操作；如果在操作過程中,又檢測到有效的硬連線關(guān)門信號跳變維持500 ms,則仍保持關(guān)門操作,直到門關(guān)到位。

1.4 冗余方案建議

1.4.1 默認(rèn)優(yōu)先、選擇優(yōu)先的冗余方案

增加單獨(dú)的硬線識別信號。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先,當(dāng)該識別列車線信號為高電平時(shí),只認(rèn)可網(wǎng)絡(luò)開關(guān)門信號；當(dāng)該識別列車線信號為低電平時(shí),只認(rèn)可硬連線開關(guān)門信號。在司機(jī)臺或控制柜面板增加旋鈕選擇開關(guān),設(shè)置“網(wǎng)絡(luò)/硬線”檔位。

增加網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先通信標(biāo)志。當(dāng)門控器接收到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先標(biāo)志為有效時(shí),只認(rèn)可網(wǎng)絡(luò)開關(guān)門信號；當(dāng)門控器接收到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先標(biāo)志為無效時(shí),只認(rèn)可硬線信號。

門控子網(wǎng)絡(luò)采用雙主門控器時(shí),需再設(shè)置默認(rèn)主從關(guān)系或者雙主控的門控器故障時(shí)主控權(quán)的交接機(jī)制。

1.4.2 列車網(wǎng)絡(luò)與車門子網(wǎng)絡(luò)的冗余

南京康尼機(jī)電股份有限公司的門系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò),最初僅采用了485總線通信方式。2個(gè)主門控器(MDCU)分別布置在兩端,其他從門控器(LDCU)在中間串聯(lián)起來,(如圖1所示)。如果在LDCU3和LDCU5之間發(fā)生RS485斷路,則會顯示其后的門控器通信故障。若此時(shí)MDCU1做主控管理,則其后的LDCU5、7、9、10、8、6、4、2全部通信故障。這種方案顯然過分依賴于RS485電纜的物理連接可靠性和冗余性。而此時(shí)2個(gè)MDCU分別與TCMS通過MVB通信,且僅有1個(gè)做主控與TCMS通信,并不能有效地識別和反映當(dāng)前子網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)門控器的狀態(tài)并告知故障點(diǎn)。

圖1 門系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)485總線通信方式

建議在2個(gè)MDCU之間直接使用MVB通信。在“斷點(diǎn)”的兩側(cè),由2個(gè)MDCU分別保持與從門控器的通信,并通過MVB集中傳輸數(shù)據(jù)到其中做主控的MDCU,再與TCMS通信傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖2所示。這樣既可不斷子網(wǎng),又可立即報(bào)告出斷點(diǎn)。但是,若斷點(diǎn)在MDCU1和LDCU3之間或者M(jìn)DCU2和LDCU4之間,則有可能報(bào)出MDCU通信故障。例如;MDCU2做主控,斷點(diǎn)在LDCU1和LDCU3之間時(shí),則報(bào)MDCU1通信故障(報(bào)后位故障原則)。若用報(bào)前位原則故障也可能在MDCU1做主控,斷點(diǎn)在1和3之間時(shí),報(bào)自身通信故障。為了解決這個(gè)問題,還需再設(shè)置1個(gè)優(yōu)化且智能的門控器主控權(quán)默認(rèn)和交接機(jī)制。

圖2 增加主門控器MVB通信

由于在門控器設(shè)計(jì)中,車門子網(wǎng)與列車主控TCMS之間的通信沒有包括TCMS對2個(gè)主門控器MDCU1和MDCU2的網(wǎng)絡(luò)地址識別分配內(nèi)容,也沒有默認(rèn)主控的概念和故障情況下主權(quán)交接的內(nèi)容。TCMS僅在MVB上獲得門子網(wǎng)發(fā)來的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)包,但并不確認(rèn)由哪一個(gè)MDCU發(fā)送來。由此可能出現(xiàn)主門控器搶權(quán)或者雙主控?zé)o法識別問題。因此，如不改變已簽訂的接口協(xié)議和技術(shù)合同,應(yīng)做好確認(rèn)MDCU唯一有效性的工作,包括子網(wǎng)內(nèi)部識別、子網(wǎng)內(nèi)部同時(shí)有效性、與TCMS通信唯一有效性及故障時(shí)主權(quán)交替機(jī)制。始終保持以唯一的主門控器來管理子網(wǎng)。

2 列車線控制與繼電器控制

采用列車外部電路設(shè)計(jì)的列車，有些傾向于列車線直接控制,有些傾向于繼電器控制。不同的設(shè)計(jì)各有優(yōu)劣性。

2.1 列車線控制

從駕駛室的車門開關(guān)按鈕到門控器均由硬線連接,無需中間繼電器。此方案節(jié)省了元件,節(jié)約了制造成本,減少了控制電路上的故障節(jié)點(diǎn)。

但是一旦出現(xiàn)短路故障,就可能直接燒損門控器,甚至危及操作人員安全,造成較大的損失。例如,廣州地鐵3號線曾在司機(jī)按關(guān)門按鈕時(shí),按鈕下方產(chǎn)生了電火花，造成事故。其后檢查發(fā)現(xiàn)還，燒損了1個(gè)客室門控器的內(nèi)部電路。

2.2 繼電器控制

在操作按鈕到列車線之間采用中間繼電器控制，當(dāng)發(fā)生故障時(shí),便于在繼電器位置檢查測量。一旦發(fā)生人為操作失誤，只造成繼電器的損壞,可保護(hù)門控器的設(shè)備安全。但是此方案增加了很多元件,增加了成本,也多了故障隱患節(jié)點(diǎn),需經(jīng)常檢查維護(hù)各繼電器狀態(tài)。

2.3 方案優(yōu)化

建議首先保護(hù)門控器,并用中間繼電器控制；同時(shí)，增加緊急情況使用的列車線控制電路,并通過在司機(jī)臺設(shè)置獨(dú)立的帶鉛封和保護(hù)外蓋控制按鈕來控制。在外部電路失效的情況下，可使用緊急按鈕,忽略原控制電路,直接由列車線發(fā)送開/關(guān)指令給門控器,代替了以前需司機(jī)打開控制柜，手動按下車門保持繼電器8K03/8K04來強(qiáng)行打開左/右全列車客室門的緊急操作方式。這種雙保險(xiǎn)的冗余設(shè)計(jì)在廣州地鐵1、2、8號線增購列車上得以首次嘗試使用，且目前使用狀況良好。優(yōu)化方案電路設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 增加緊急開/關(guān)門電路

圖4 緊急開/關(guān)門電路到開/關(guān)門列車線

3 結(jié)語

地鐵列車車門控制設(shè)計(jì)不僅包括車門子網(wǎng)和門控器軟硬件的設(shè)計(jì),更包括外部控制電路的設(shè)計(jì)、與列車主控系統(tǒng)TCMS的接口設(shè)計(jì),以及與外部電路和車載信號系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)。這一系列互相影響的問題,需要在整車設(shè)計(jì)之初就開始著手細(xì)化,并將任務(wù)、責(zé)任分解到各個(gè)相關(guān)供應(yīng)商,以確保系統(tǒng)可靠安全地工作。

[1] 株洲電力機(jī)車有限公司.廣州地鐵2 & 8號線列車電路原理圖[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[2] 株洲電力機(jī)車有限公司.廣州地鐵2 & 8號線列車操作手冊、維修手冊[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[3] 西門子牽引設(shè)備有限公司.廣州地鐵2 & 8號線列車Expert2應(yīng)用軟件及SIBAS.G應(yīng)用軟件說明[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[4] 廣州地鐵運(yùn)營事業(yè)總部車輛中心.廣州地鐵2 & 8增購設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)車門控制原理[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[5] 株洲電力機(jī)車有限公司.整車右門無法關(guān)閉事件分析報(bào)告[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

[6] 南京康尼機(jī)電股份有限公司.整車右門無法關(guān)閉事件分析[R].廣州：廣州市地下鐵道總公司.2010.

Optimum Redundant Design of Metro Passenger Compartment Door System

YUAN Yubo

The redunant design of hardwire and network command has been applied in passenger compartment door system. Based on the principle of "First arrives, first executes", the door controller can response to both hardwire signal and network command, keeping the door open or close in accordance with the first signal. In this paper, the time sequence of redundant signal and the problem of door faults caused by redundant command conflict are analysed, an optimum design is proposed, which has been applied in train debug of Guangzhou metro. The effectiveness of this design is verified, it can enhance the reliability of door system significantly.

metro; passenger compartment door system; command redundant; optimum design

U 270.38+6

10.16037/j.1007-869x.2016.09.030

2014-12-23)