地铁列车客室门系统冗余设计的优化

原宇博

(贵阳城市轨道交通有限公司机电设备部，550081，贵阳∥工程师)



地铁列车客室门系统冗余设计的优化

原宇博

(贵阳城市轨道交通有限公司机电设备部，550081，贵阳∥工程师)

硬线和网络指令的冗余设计已经应用于地铁列车的车门控制。基于先到先执行的原则,门控器对“硬连线信号”和“网络信号”均能响应,以先接收到的信号为准控制车门的开闭。分析了冗余信号的时序,以及冗余指令冲突导致车门无法关闭的问题,提出了客室门系统冗余设计的优化方案,并将该方案应用于广州地铁车辆的调试。实践证明该方案能有效避免冗余指令冲突,大大提高列车门控系统的可靠性。

地铁； 客室门系统; 指令冗余; 优化设计

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

现今地铁列车多使用车门控制器(简称“门控器”)来进行客室门的控制和保护。门控器模块化设计时还引入了车门网络的设计。但在国内的运营中,发现了一些冗余设计和接口设计的缺陷。例如,广州地铁2号线列车采用了南京康尼机电股份公司的车门控制器,中车株州电力机车有限公司设计的外部控制电路,西门子牵引设备有限公司的列车控制管理系统(TCMS)和车载信号装置。曾发生的一次硬线指令与网络指令冲突故障造成了列车车门保持在打开位而无法关闭。本文就此展开分析,论述地铁列车的车门控制功能的冗余和优化设计。

1 硬线与网络指令的冗余

在故障案例中,司机在发车之前按关门按钮数次,伹列车一直未能关门,后来该列车清客退出服务。经分析,当时列车状态是ATO(列车自动运行)模式,车门控制旋钮在“自动”档位,但此时因车载信号装置处理“ATO开门保持指令”的延时,需司机持续按下关门按钮超过800 ms才能可靠执行关门,而在URM(不受限制的人工驾驶)模式下仅需不到100 ms(以上均为监测数据)。而故障发生时，司机按下关门按钮时间约为460 ms。

通过仔细分析外部电路设计和门控器的指令逻辑,硬线的电平变化检测需500 ms的稳定时间,而网络指令也存在512 ms的轮询。因此，如果出现小于500 ms的硬线指令,则可能硬线指令与网络指令的“开/关”状态不同且同时存在,从而形成“恒高电平”状态,造成门控器响应某动作一次后不再响应。由此可见，在故障案例中，司机仅按关门按钮460 ms就松开,可判断是“硬线的开/关门指令和网络的关门指令发生了冲突”,从而造成了门控器的不再响应。

1.1 开/关门的硬线信号模式

开关门列车线为2根，分别由2个输入口传送给门控器。2根列车线传输的信号为互斥的电平信号。正常情况下，当开门列车线为高电平时，关门列车线为低电平；当关门列车线为高电平时,开门列车线为低电平。当任意1个硬连线信号发生高电平跳变,且维持500 ms时，则门控器会在延迟3 s后响应相关操作。

这种信号系统可能出现的故障为:①关门列车线恒为高电平,或者恒为低电平;②开门列车线恒为高电平,或者恒为低电平。发生故障时,恒有效的电平信号仅被执行一次,且不会影响其它信号操作。紧急解锁操作可以将门打开,隔离操作可以将门隔离,维护按钮可以正常开关门。若关门列车线恒为高电平,则开门列车线的高电平跳变仍可执行开门操作,但此后不再响应关门列车线的高电平。

同理,若开门列车线恒为高电平,则关门列车线的高电平跳变仍可以执行关门操作,但此后将不再响应开门列车线的高电平指令。若高电平跳变小于500 ms，则不会响应相应指令。

1.2 开关门的网络信号模式

由TCMS通过MVB(多功能车辆总线)发送给主门控器的网络开门信号和网络关门信号为互斥的逻辑信号。当网络开门信号为有效时，网络关门信号为无效;反之,当网络关门信号为有效时，网络开门信号为无效。当任意1个网络信号发生从无效到有效的跳变时,门控器就会进行相关的操作。

此种信号系统可能出现的故障为:①网络关门信号恒有效或恒无效;②网络开门信号恒有效或恒无效。发生这种故障时,恒有效的网络信号仅被执行一次,且不会影响其它信号的操作。此时紧急解锁操作可以将门打开,隔离操作可以将门隔离,维护按钮可以正常开关门。若网络关门信号恒有效,当网络开门信号从无效跳变为有效时,仍可以执行开门操作,但此后不再响应网络关门信号。

同理,若网络开门信号恒有效,则当网络关门信号从无效跳变为有效时,仍可执行关门操作,但此后不再响应网络开门信号。

由于网络采取轮询机制,故此时，接收到的网络信号比硬线信号延时。若硬线信号维持时间很短,则有可能导致门控制器无法接收到正确的网络开关门信号。

1.3 目前“先到先执行”的开/关门冗余方案

无论是硬连线开关门信号还是网络开关门信号,只要发生正确的跳变,门控器就会响应该信号。

若先检测到硬连线开门信号跳变维持500 ms,则立即执行开门操作；如果在操作过程中,又检测到“网络开门信号”从无效跳变到有效,则仍保持开门操作,直到门开到位。同理,若先检测到“网络开门信号”从无效跳变到有效,则立即执行开门操作；如果在操作过程中,又检测到硬连线开门信号跳变维持500 ms,则仍保持开门操作,直到门开到位。

若先检测到硬连线关门信号上跳变维持500 ms,则执行延时关门操作；如果在操作过程中,又检测到“网络关门信号”从无效跳变到有效,则仍保持关门操作,直到门关到位。同理,若先检测到网络关门信号从无效跳变到有效,则执行延时关门操作；如果在操作过程中,又检测到有效的硬连线关门信号跳变维持500 ms,则仍保持关门操作,直到门关到位。

1.4 冗余方案建议

1.4.1 默认优先、选择优先的冗余方案

增加单独的硬线识别信号。默认网络优先,当该识别列车线信号为高电平时,只认可网络开关门信号；当该识别列车线信号为低电平时,只认可硬连线开关门信号。在司机台或控制柜面板增加旋钮选择开关,设置“网络/硬线”档位。

增加网络优先通信标志。当门控器接收到网络优先标志为有效时,只认可网络开关门信号；当门控器接收到网络优先标志为无效时,只认可硬线信号。

门控子网络采用双主门控器时,需再设置默认主从关系或者双主控的门控器故障时主控权的交接机制。

1.4.2 列车网络与车门子网络的冗余

南京康尼机电股份有限公司的门系统子网络,最初仅采用了485总线通信方式。2个主门控器(MDCU)分别布置在两端,其他从门控器(LDCU)在中间串联起来,(如图1所示)。如果在LDCU3和LDCU5之间发生RS485断路,则会显示其后的门控器通信故障。若此时MDCU1做主控管理,则其后的LDCU5、7、9、10、8、6、4、2全部通信故障。这种方案显然过分依赖于RS485电缆的物理连接可靠性和冗余性。而此时2个MDCU分别与TCMS通过MVB通信,且仅有1个做主控与TCMS通信,并不能有效地识别和反映当前子网络的各个门控器的状态并告知故障点。

图1 门系统子网络485总线通信方式

建议在2个MDCU之间直接使用MVB通信。在“断点”的两侧,由2个MDCU分别保持与从门控器的通信,并通过MVB集中传输数据到其中做主控的MDCU,再与TCMS通信传输状态数据，如图2所示。这样既可不断子网,又可立即报告出断点。但是,若断点在MDCU1和LDCU3之间或者MDCU2和LDCU4之间,则有可能报出MDCU通信故障。例如;MDCU2做主控,断点在LDCU1和LDCU3之间时,则报MDCU1通信故障(报后位故障原则)。若用报前位原则故障也可能在MDCU1做主控,断点在1和3之间时,报自身通信故障。为了解决这个问题,还需再设置1个优化且智能的门控器主控权默认和交接机制。

图2 增加主门控器MVB通信

由于在门控器设计中,车门子网与列车主控TCMS之间的通信没有包括TCMS对2个主门控器MDCU1和MDCU2的网络地址识别分配内容,也没有默认主控的概念和故障情况下主权交接的内容。TCMS仅在MVB上获得门子网发来的标准格式数据包,但并不确认由哪一个MDCU发送来。由此可能出现主门控器抢权或者双主控无法识别问题。因此，如不改变已签订的接口协议和技术合同,应做好确认MDCU唯一有效性的工作,包括子网内部识别、子网内部同时有效性、与TCMS通信唯一有效性及故障时主权交替机制。始终保持以唯一的主门控器来管理子网。

2 列车线控制与继电器控制

采用列车外部电路设计的列车，有些倾向于列车线直接控制,有些倾向于继电器控制。不同的设计各有优劣性。

2.1 列车线控制

从驾驶室的车门开关按钮到门控器均由硬线连接,无需中间继电器。此方案节省了元件,节约了制造成本,减少了控制电路上的故障节点。

但是一旦出现短路故障,就可能直接烧损门控器,甚至危及操作人员安全,造成较大的损失。例如,广州地铁3号线曾在司机按关门按钮时,按钮下方产生了电火花，造成事故。其后检查发现还，烧损了1个客室门控器的内部电路。

2.2 继电器控制

在操作按钮到列车线之间采用中间继电器控制，当发生故障时,便于在继电器位置检查测量。一旦发生人为操作失误，只造成继电器的损坏,可保护门控器的设备安全。但是此方案增加了很多元件,增加了成本,也多了故障隐患节点,需经常检查维护各继电器状态。

2.3 方案优化

建议首先保护门控器,并用中间继电器控制；同时，增加紧急情况使用的列车线控制电路,并通过在司机台设置独立的带铅封和保护外盖控制按钮来控制。在外部电路失效的情况下，可使用紧急按钮,忽略原控制电路,直接由列车线发送开/关指令给门控器,代替了以前需司机打开控制柜，手动按下车门保持继电器8K03/8K04来强行打开左/右全列车客室门的紧急操作方式。这种双保险的冗余设计在广州地铁1、2、8号线增购列车上得以首次尝试使用，且目前使用状况良好。优化方案电路设计如图3、图4所示。

图3 增加紧急开/关门电路

图4 紧急开/关门电路到开/关门列车线

3 结语

地铁列车车门控制设计不仅包括车门子网和门控器软硬件的设计,更包括外部控制电路的设计、与列车主控系统TCMS的接口设计,以及与外部电路和车载信号系统的接口设计。这一系列互相影响的问题,需要在整车设计之初就开始着手细化,并将任务、责任分解到各个相关供应商,以确保系统可靠安全地工作。

[1] 株洲电力机车有限公司.广州地铁2 & 8号线列车电路原理图[R].广州：广州市地下铁道总公司.2010.

[2] 株洲电力机车有限公司.广州地铁2 & 8号线列车操作手册、维修手册[R].广州：广州市地下铁道总公司.2010.

[3] 西门子牵引设备有限公司.广州地铁2 & 8号线列车Expert2应用软件及SIBAS.G应用软件说明[R].广州：广州市地下铁道总公司.2010.

[4] 广州地铁运营事业总部车辆中心.广州地铁2 & 8增购设计联络车门控制原理[R].广州：广州市地下铁道总公司.2010.

[5] 株洲电力机车有限公司.整车右门无法关闭事件分析报告[R].广州：广州市地下铁道总公司.2010.

[6] 南京康尼机电股份有限公司.整车右门无法关闭事件分析[R].广州：广州市地下铁道总公司.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)