城市軌道交通線路坡度參數對列車運行控制系統的影響

何 瀟

(天津軌道交通運營集團有限公司，天津 300000)

天津地鐵5號線采用的基于無線通信的列車運行自動控制系統，在一次信號系統車載軟件升級測試時出現了列車ATO模式動車折返后，丟失定位發生緊急制動的情況，導致列車只能以全人工模式運行至折返站站臺。本文從列車丟失定位為切入點，分別對設備升級后列車緊急制動的發生機制和原因進行分析，提出相應的整改措施，以提高列車運行的可靠性。

1 故障現象概述

升級信號車載軟件后報多列車出現兩端折返站緊急制動無法緩解現象，需改全人工模式緩解制動；后嘗試點式ATP模式發車仍出現緊急制動無法緩解現象，全人工模式運行至下一站后恢復ATO模式。

2 列車緊急制動無法緩解原因分析

通過對車載日志的分析，列車在折返軌換端后，司機以ATP模式發車，在列車施加牽引時，車載控制器檢測到2軸有空轉/打滑的情況，導致兩軸的速度不一致從而丟失定位，ATP模式不可用，重啟車載控制器后故障恢復。從日志分析，車載控制器、速度傳感器和加速度傳感器等設備均并不存在硬件和干擾問題，列車制動無法緩解應屬于信號系統故障—安全原則下的保護機制，本故障應屬于軟件工作發生異常所致，因此應從數據傳輸路徑及數據處理角度深入分析故障原因。數據及傳輸路徑則主要涉及列車定位和列車空轉/打滑狀態采集。

2.1 列車定位原理

列車安全定位主要通過地面應答器、車載控制器及車地通信系統實現。車載控制器通過速度傳感器、加速度傳感器確定列車的安全位置，并通過車地數據通信系統將安全位置發送至軌旁區域控制器，并通過聯鎖系統顯示在列車自動監控系統，同時車載控制器通過應答器讀取器所采集到的軌旁靜態應答器信息修正列車運行過程產生的位置偏差。

區域控制器通過計算該區域內所有列車的位置信息和運行方向，生成并持續更新和傳輸各列車的移動授權指令，車載控制器獲取移動授權指令后生成列車的自動控制命令，從而在保證列車安全距離的前提下，實現列車最小的運行間隔。以上列車自動控制系統功能的實現，是基于車載控制器裝載的存儲列車運行軌道線路的數據庫系統，主要數據有線路限速信息、傳感器識別號和位置信息、轉轍機狀態信息、障礙位置信息以及其他線路相關信息。

2.2 空轉 /打滑

速度傳感器檢測車輪空轉/打滑的“異?！鼻闆r。異常情況包括各速度傳感器的極高（正或負）加速率，和/或各速度傳感器之間的顯著差別。速度傳感器也能檢測到消除空轉/打滑的情況，如檢測到打滑后，清除異常測量，和/或正加速。越過空轉/打滑段后，速度傳感器會重新開始測量。在空轉/打滑過程中，應根據上次有效的速度測量，利用加速度傳感器來補償加速度。在空轉/滑行的情況下，速度傳感器的測量變得不大精確，因此，需要使用加速度傳感器測量進行彌補。

加速度傳感器為兩套互為冗余配的設置，每套由兩個不同的加速度傳感器組成，兩套設備提高了系統的可靠性。為確認輸出的有效性，必須對每套加速度傳感器的運算結果進行比較，當列車發生空轉/打滑開始時，列車的實際運行速度和位置將由列車空轉/打滑開始前的速度和加速度傳感器提供的補償修正來確定。當空轉/打滑消失后，列車速度和位移的測量再次轉換至速度傳感器。由于每一套的兩個加速傳感器都由不同硬件和軟件的組成，當只有一個故障時，就不會影響列車的正常運行，即其中某一個加速度傳感器失效也不會影響到車載控制器的正常輸出。

列車運行過程中，車載控制器將持續采集速度傳感器和加速度傳感器的實時數據，并對兩者輸出數據的關聯性進行計算。當檢測到列車速度的非常規變化或速度傳感器信息的非常規變化時，即時記錄異常情況，當檢測到列車發生空轉/打滑現象時，會出現列車速度和位置信息不能更新和列車定位出現偏差的問題，對于第一個問題，車載控制器將通過采集加速度傳感器實際加速或減速信息計算出列車的實際速度來解決，對于第二個問題，則通過讀取軌旁應答器的數據即可更新。如果上述狀況持續超過設定時間，車載控制器將發出空轉/打滑的報警信息。

列車發生打滑和空轉時，車載控制器通過速度傳感器讀取異常打滑的情況，異常情況包括各速度傳感器的極高（正或負）加速率，和各速度傳感器之間的顯著差別。速度傳感器也能檢測到消除空轉/打滑的情況，如檢測到打滑后清除異常測量，和正加速。越過空轉/打滑段后，速度傳感器將重新開始測量。在空轉/打滑過程中，應根據最近一次測量的有效速度，通過加速度傳感器補償加速度的偏差。在空轉/滑行的情況下，速度傳感器的測量出現誤差，因此，需要使用加速度傳感器測量進行校準。

2.3 故障原因分析

基于定位原理及空轉打滑原理分析，首先對車載控制器負責相關數據處理的PCM板卡進行了數據重新刷寫，測試仍然存在該問題。其次，對加速度傳感器及速度傳感器的硬件及連接件進行了深入的排查，也未發現異常，對兩套冗余的速度傳感器和加速度傳感器數據進行了對比分析，不存在數據同步等方面的問題。最后通過對故障現行及故障復現采集數據分析，上版軟件運營中發現折返站下行站臺發生加速度傳感器報警問題的頻次較高，通過對比類似站臺的加速度傳感器校準值，發現該站臺的校準值與其他站差距較大。判斷其實際坡度應與輸入數據存在差別，誤差在千分之四左右，經過現場測量，驗證了折返站站臺坡度/平順度的坡度差異。這一差異導致列車在該站臺較大概率發車時出現空轉/打滑的情況，并且如果車輛出庫，會在站臺基于錯誤輸入坡度校準，進而導致車載控制器在折返站檢測到長時間空轉打滑，引起一系列報警。為提高列車運行效率及優化加速度傳感器/速傳報警和自鎖管理，新版軟件放寬了對加速度傳感器/速傳的判定條件，降低了加速度傳感器/速傳報警和自鎖的可能性，從安全考慮，進一步增加系統對輸入的安全檢查，其對坡度的錯誤更為敏感，導致上述問題。故此次故障主要原因為現場部分碎石砟道床線路坡度與軟件數據庫中坡度存在較大偏差，將故障點鎖定在車載控制器內存儲列車運行線路的軌道數據庫系統上。

2.4 故障處理措施

針對升級后坡度異常帶來的故障，工務專業配合對折返站站臺進行軌道坡度平整，由于工務專業很難保證在維護要求調整的需求下使軌道線形變化將保持在CBTC系統可接受的范圍內。因此，存在這樣一種風險，即隨著時間的推移，軌道線形坡度的變化將引發與先前確定的相同的問題，尤其是在碎石砟道床區域。

因此，信號專業提出兩階段處理措施：第一階段ATO設計軌道坡度誤差為+/-0.05%。在碎石砟道床區域特別是折返站站臺、轉換軌，需要坡度保持與現有實際測量坡度一致。

（1）在該階段以周為單位收集列車折返軌站臺的日志，監測其折返軌站臺的加速度傳感器校準值的變化趨勢，并將運行情況和收集的日志作為基礎，提供給研發部門進行深入分析。

（2）通過與工務專業的溝通，爭取對坡度誤差的容忍性達成一致。跟進了解工務的維護標準和作業情況，結合加速度傳感器校準值的變化趨勢不定期地對碎石砟道床區域進行坡度測量，根據測量結果進行下一步的工作。

（3）協調工務專業進行道床平整或者根據實際測量值進行數據庫升級。

第二階段是在收集大量的數據進行后臺分析的基礎上，再次修訂軟件，增大對于坡度不確定性的容忍，增大加速度傳感器計算時對坡度不確定性的容忍。這兩個方向的目的均是通過增大系統對于坡度不確定性的容忍來規避之前出現的問題。

3 結束語

本次測試發現的問題屬首次出現，因此該故障的處理有一定的挑戰性，但也豐富了信號專業人員的故障處理經驗，對于線網其他線路的系統升級等也有極大的借鑒及指導意義。從軟件設計角度考慮，在引入環境變量時應首先掌握環境參數的變化范圍，其次需要充分論證該變量對自身設備系統的安全性和可靠性的影響程度；從運營維護的角度考慮，在車載系統相比于一般軌旁設備開放程度較低，因此基于車載日志分析的故障數據深度挖掘已迫在眉睫，不能僅依靠經驗以及故障現象去分析和處理故障，應該對系統數據路徑和處理機制有更深入的認識，才能滿足未來城市軌道交通智能運行維護的發展方向。