基于LCU實現列車占有硬線電路全功能替換的方法研究

劉曉鵬

摘 ?要：城市軌道交通車輛的硬線和繼電器電路存在布線復雜、故障率高、后期更改復雜等缺點。利用LCU替換硬線和繼電器電路可有效解決上述問題，LCU在軌道交通領域的使用已經成為新的趨勢，國內多個城市地鐵項目通過使用LCU來簡化硬線電路。本文介紹了LCU在江蘇某地城軌車輛的使用范圍，并通過改進LCU控制邏輯，實現了列車占有硬線電路的全功能替代，保證了司機室占有電路的唯一性及司機室占有供電電路自鎖。

關鍵詞：LCU應用 ?司機室占有 ?控制邏輯 ?硬線電路

中圖分類號：U231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0038-03

Research on the Method of Realizing Full Function Replacement of Train Occupied Hard Wire Circuit Based on LCU

LIU Xiaopeng

（CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412005 ?China）

Abstracts： The wires and relay circuits of urban rail transit vehicles have disadvantages such as complicated wiring， high failure rate and complicated later changes. Using LCU to replace wire and relay circuits can effectively solve above problems. The use of LCU in the field of rail transit has become a new trend. Many urban subway projects in China use LCU to simplify wire circuits. This article introduces the scope of LCU in urban rail vehicles in a certain area of Jiangsu. By improving the control logic of LCU， the full-function replacement of the train-occupied wire circuit has been realized， and the uniqueness of the circuit occupied by the driver's cab and the power supply circuit occupied by the driver's cab can be guaranteed lock.

Key Words： LCU application; Train occupancy; Control logic; Wire circuit

隨著社會的發展以及車輛智能化提升，乘客對于城市軌道交通車輛的要求已經不僅僅局限于代步，對車輛的安全性、舒適度以及幸福感都提出了更高的需求。為滿足乘客的需求，車輛功能逐漸增多，控制電路對車輛的穩定、安全運行起到了關鍵作用，電路越來越復雜，車輛故障也會隨之增多。目前國內城市軌道交通車輛電路主要采用傳統的硬線和機械繼電器。對環境及壽命有較高要求，可靠性較低。為進一步提升車輛的運營穩定性，采用智能電子無觸點的設備來替換傳統的繼電器及機械觸點提高控制電路的可靠性并簡化硬線控制電路尤為重要。

1 ?城軌車輛控制電路現狀

LCU（logic control unit 邏輯控制單元）是在軌道交通環境下應用而設計的數字邏輯控制裝置。近年來，LCU在城市軌道交通領域的應用已成為新趨勢，國內新增的地鐵項目中多數采用LCU對傳統繼電器進行替換，部分項目甚至進行了繼電器的全部替代。此外，LCU的安全認證等級越來越高，使用范圍也逐漸從GOA2等級的列車延伸至GOA4等級的全自動駕駛車輛。與傳統繼電器相比，LCU具有無觸點、熱備冗余、可進行MVB及以太網通信等特點[1]。

在此之前，城市軌道交通領域主要采用繼電器進行電路邏輯設計，每輛列車都會大量使用繼電器，數量甚至可達300個以上[2-3]。由于繼電器故障引發的列車故障多次出現。LCU技術為城市軌道交通領域帶來新的選擇[4-6]。經過深圳、廣州等地區多個項目的實際應用，LCU的穩定性和可靠性逐漸被各地區地鐵公司接受，江蘇某地區地鐵車輛同樣采用LCU對部分繼電器進行替換。

2 ?LCU在江蘇某地區城軌車輛應用

2.1 LCU硬件介紹

通常來說LCU硬件分為電源板、網板、主控板和接口板4種[7]。LCU硬件拓撲如圖1所示。電源板將列車提供的DC110V隔離轉換為LCU設備的DC5V工作電源。本項目中每臺LCU具有兩塊電源板，分別為A組、B組控制系統供電。每塊電源板的供電完全獨立，分別在遠端配置空氣斷路器。電源板具有過壓、過流、濾波、浪涌高壓防護功能。三組電源板采用熱備方式為通信板（包括MVB通信板、CAN通信板和以太網通信板）供電，任何一組電源板故障不會影響通信板的正常工作。網板根據實際需求可選擇MVB、CAN及ETH網板;主控板主要承擔數據的匯總、處理、分發和日志記錄功能。接口板主要功能為數字量和模擬量輸入輸出信號的采集、輸出、過載保護與電氣隔離功能，并提供部分干接點，以滿足不同電路設計需求。LCU的硬件可以通過機箱集成以上板卡，根據實際使用需求進行組合，且板卡的數量也可根據實際需求進行不同程度的集成。因此，LCU的適用范圍很廣 。

2.2 LCU與整車通信

江蘇某地某城軌項目的LCU設備內部通過雙CAN總線貫通，通過頭車的LCU接入TCMS，傳輸故障和狀態信息。

所有的LCU預留以太網接口，可接入以太網維護網。網絡拓撲圖如圖2所示。LCU具備自診斷功能，位于中間車的LCU通過級聯CAN總線將故障信息實時發送至司機室LCU，司機室LCU將整列車LCU的故障信息通過MVB通信板發送至TCMS網絡。

2.3 江蘇某地區某城軌車輛實際繼電器替代范圍

江蘇某地區某城軌車輛LCU使用范圍包含指示燈類及功能類，具體如下。

指示燈類：頭燈和標志燈控制、解鉤、窗加熱、所有高速斷路器分合、門關好、停放制動緩解和施加的指示燈。

功能類控制：司機室占有、空氣制動緩解與施加、窗加熱延時關閉、強制人工廣播切換、客室照明輸入電源冗余、緊急照明、兩臺充電機故障信號輸出、列車連掛好指令輸出、牽引允許指令輸出、列車占有、半自動末端指令輸出。

2.4 LCU實現列車占有自鎖電路及控制邏輯

在城軌車輛電路設計中，列車占有代表有一端的司機室成為控制端，此時涉及安全的指令只能由控制端司機室發出。因此，為了車輛安全穩定運行，列車占有應該是唯一的，在一端司機室已經占有的前提下，如果非占有端司機室繼續嘗試占有，必須進行報警且報警要有聲光提醒。

司機室占有往往由硬線電路和繼電器進行邏輯控制和實現，具體電路原理圖如圖3所示。

硬線電路通過列車占有繼電器實現占有端的唯一性，即當一端司機室占有后，列車占有繼電器得電，常閉觸點斷開，此時另一端司機室即使通過司控器鑰匙進行占有操作也無法實現占有。此外，占有繼電器得電回路也實現了供電自鎖。

江蘇某地區某城軌車輛中占有繼電器通過LCU進行了替代并完全實現了硬線控制回路的占有功能，替代后電路原理圖如圖4所示。

替換后僅保留部分司機室占有繼電器用于車輛特定模式或者工況下（緊急牽引等）的應用，其他繼電器全部由LCU替代，實際本項目使用中，僅司機室占有繼電器便節省了10個。

通過電氣原理圖可知，當操作司控器鑰匙合時，司機室占有信號輸出與否主要由LCU通過軟件邏輯進行控制。既有項目城軌車輛中常用的LCU邏輯為“列車占有=0||司機室占有=1時輸出1”。此時，若司機室占有繼電器觸點卡分，操作另一端司機室占有時便會出現兩端同時占有的現像。為避免此問題，本項目對LCU邏輯進行了創新，更改為“他端司機室占有=0||本端司機室占有=1時輸出1”。如此，通過LCU監測點的信息，以及內部軟件邏輯判斷便可實現司機室占有的唯一性，且同時實現了供電回路的自鎖，硬線功能實現了完整的替換。

2.5 列車占有旁路

雖然目前LCU的安全等級已經達到SIL2，但是仍存在故障的可能。因此，為保證車輛的安全運營，在LCU出現嚴重故障時，駕駛司機可以通過操作LCU旁路來切除LCU，此時LCU將休眠，占有信號不再輸出。通過LCU旁路繼電器觸點實現本斷司機室的占有，達到列車占有的目的。

3 ?結語

LCU目前已經在國內外城軌車輛中普遍應用，本文所提及的無錫某地區某城軌項目通過LCU邏輯控制實現了司機室占有電路的唯一性和供電電路的自鎖。LCU的使用為簡化電路帶來了更多的可能，相信未來會有越來越多的硬線電路被安全等級更高的LCU通過設定更優的邏輯而簡化。無人駕駛列車由于控制線路的增多，大大增加列車線路的復雜性，而LCU的使用恰恰可以簡化電路，因此，相信LCU在無人駕駛項目的使用也將成為未來幾年的趨勢。

參考文獻

[1] 陳鵬宇.韶山3型4000系電力機車邏輯控制單元的設計與加裝改造[D].成都：西南交通大學，2017.

[2] 彭駒，袁浩智，白春光.城軌列車雙冗余LCU系統集成技術研究及應用[J].電力機車與城軌車輛，2019（42）：21-24.

[3] 李小慶，吳金賢，李松，等.地鐵車輛邏輯控制單元優化設計[J].城市軌道交通，2020（2）：112-115.

[4] 樂建銳，李恒瑞，王莉.LCU在深圳地鐵9號線車輛中的應用[J].鐵道機車車輛，2018（38）：112-116.

[5] 候文軍.深圳地鐵列車下一代LCU技術創新方案[J].電力機車與城軌車輛，2019（42）：58-67.

[6] 王云灝.基于LCU的城鐵車輛電氣控制系統改造設計[D].大連：大連理工大學，2018.

[7] 何曄，袁浩智，彭冬良，等.熱備雙冗余邏輯控制單元冗余、安全導向及可靠性分析[J].技術與市場，2020（11）：9-13.