车载信号系统与车辆接口故障优化处理方法研究

刘纪龙，韩纪昱，苗 欣，李言民，鲍晓龙

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.西安翔迅科技有限责任公司，陕西 西安 710068）

0 引 言

在我国“十三五”规划的大力支持下，铁道交通产业保持着高速发展，车辆运行密度也不断加大。车载信号系统在确保车辆良好运行的过程中起着至关重要的作用。完备的车载信号系统不仅能提高轨道交通出行的安全性，而且能提高整个铁道交通的经济效益。与此同时，该系统还能减少车辆接口故障的发生频率，提高运营服务质量，满足人们的需求，确保交通体系正常运行[1]。

1 车载信号系统概述

在早期还没有车载信号系统时，驾驶员只能凭借地面信号机判断接下来的行动。这不仅对驾驶员的经验要求较高，而且在车速过快的情况下会导致机车来不及制动便越过信号机。为了解决该问题，车载信号系统应运而生。区别于地面信号机，车载信号包含了列车自动保护（ATP）功能和列车自动运行（AT0）功能。车载信号系统及列车自动保护系统（Automatic Train Protection，ATP）的运用是轨道车辆安全运行的重要保障，其主要是通过调控各种实时参数来合理调控列车的运行时间，以此保持行车间距[2,3]。这项技术以西门子公司研发的ZUB120技术最具有代表性。当今，以车载信号系统为主，地面信号系统为辅的运营方式被广大铁路交通公司所运用。通常情况下，车载系统主要包括车上设备、车底设备以及车顶/顶罩内设备。

2 车载信号系统的整体架构设计

列车前后两端的驾驶室中都配有车载信号系统，有部分贯穿线位于中间的车厢。一般，车载设备可以通过检测车钥匙的开关位置来确定运行方向。两套完全一样的装置集于一辆列车，有助于两台服务器共同执行同一工作，相互备份及冗余。当某一设备的运行发生异常时，另一套装置可迅速承担故障部件的工作，使列车的运行快速恢复正常，保证列车的正常运行，同时降低人工成本[4]。选用分布式无线通信可以有效避免有线通信所造成的多辆列车同调的现象。以6节编组为例介绍车载信号系统的整体架构设计，结构如图1所示。

目前的轨道交通系统中，车辆最常使用的继电器控制电源和控制系统供电电源是DC 110 V，也有少部分车辆在车载信号系统内部将DC 110 V转换为DC 24 V来使用。由于DC 24 V是DC 110 V的衍生产物，因此从本质上而言，不同车型的车辆信号设备采用的都是车辆提供的DC 110 V电源供电。

图1 车载信号系统结构设计

为了探讨车载信号系统整体架构设计的发展前景，笔者将分析模块化的流程设计。图2为车载信号系统线路调试试验设备研制框图。其中，车辆电气接口将信息传递给电气接口转接模块，然后通过开关量指令采集电路或速度传感器信号采集电路将信息进行隔离处理后，再将信号传输到单片机数据采集系统，最终在exin770一体机上将信息进行汇总显示[5]。

图2 车载信号系统线路调试试验设备研制框图

CAN一致性测试平台也是铁道交通中的一个组成部分，其功能是可以捕捉现车故障时总线上的波形，并可以通过函数发生器复线该故障波形。相关人员可以根据故障复现和波形对比图所显示的数据，更快更精准地判断是哪个节点出现了故障，然后分析故障原因并尽快进行修复。图3为故障复现图，图4为波形对比图。

图3 故障复现图

图4 波形对比图

3 ATP接口故障分析

3.1 车辆与ATP接口

ATP模式在VATP系统的防护下允许受限人工操作。ATP模式需要与轨旁ATC通信。在总线系统中，ATP车载单元与ATO设备连接发挥测速和获取精确停车信息的作用。车辆与ATP接口主要包括电源、ATP静态输入接口以及ATP静态输出接口几个内容。将车载电源通过自动保险开关接到ATP车载设备的分线端子上，可作为ATP设备工作能量的来源。由于具有过电压保护，因此使得电压在一定范围内的波动不影响ATP正常工作，短时间超过额定电压范围也不会有问题发生。ATP静态输入接口及其重要，对检测列车当前状态具有重要意义。ATP车载单元通过周期性检测某些接口的电信号来判断某些按钮的动作或车俩状态。检测结果作为发出某种动作或不动作的依据。

3.2 ATP静态输入接口分析

ATP静态输入接口包括8个接口，如图5所示。其中，ATO两个按钮分别为双通道，按钮被按下后，24 V电压接地，ATP车载单元通过检测该电压是否接地来判断ATO启动按钮是否被按下。ATO运行模式主要用于正线上列车的正常运营。运行中，列车不需要司机驾驶，可按设计要求自动运行。司机负责监督ATP/ATO显示与列车运行所要通过的轨道、道岔以及信号状态，在必要时介入人工进行处理。当按压RM按钮时，接点闭合，此时24 V电压接地，ATP车载系统通过检测该电压是否接地来判断RM按钮是否被按压。RM运行模式使用于如下4种情况：第一，列车在车俩段范围内运行；第二，正线运行中联锁设备、轨道电路、ATP轨旁设备以及ATP列车天线几个设备中某个发生故障时；第三，列车紧急制动后；第四，开动ATP/ATO后。ATP车载单元向强行开门按钮接点输送24 V电压。当强行按钮被按压后，接点闭合，24 V电压接地，ATP车载系统通过检测该电压是否接地来判断强行开门按钮是否被按压。从车辆给电压到ATP车载单元，当电压为DC 100 V时，车辆处于非紧急制动给状态，当电压为0 V时，处于紧急制动状态。车载ATP单元通过检测该电压来判断是否处于紧急制动状态。ATP车载单元向自动折返按钮送24 V电压，当按压自动折返按钮，接点闭合，送回24 V电压给ATP车载单元，没有按下按钮，则接点不闭合没有24 V电压送回。ATP车载单元通过检测该电压判断自动折返是否被按压。主控钥匙开关打开时，接点闭合，ATP检测到DC 110 V电压，ATP激活；主控钥匙开关没打开时，接点未闭合，ATP检测不到DC 110 V电压，ATP未激活。ATP车载单元左右两边门都关闭时，两锁闭继电器接点闭合，送回24 V电压给ATP，否则不能送回24 V电压。此外，ATP车载单元通过检测是否送回该电压来判断两车门是否关闭。当ATP车载单元方向杆向前，主控手柄在零位时，110 W电压被送回给ATP车载单元，TPP释放，ATP车载单元通过检测是否送回该电压来判断是否有ATO释放。

图5 ATP静态输入接口

3.3 ATP静态输出接口

ATP静态输出接口如图6所示。车载ATP单元在激活状态下，根据相关的检测结果会发生一定动作，诸如启动紧急制动、允许左右门释放以及开启ATP安全责任灯等。当运行错误启动时，出现故障时启动，车辆给110 V到ATP车载单元。没有启动紧急制动时，K6和K7闭合，送回110 V电压，车辆不能启动紧急制动。启动紧急制动时，K6和K7不闭合，110 V电压不能送回，车辆启动紧急制动模式。列车停在停车窗内，ATP根据由轨旁设备发来的报文决定允许开哪侧旅客车门，只有在停车窗内互按压强行开门按钮，ATP才允许开门。ATP送电压给车辆上的相关继电器，当送的是110 V电压时，车门打开，否则不能开门。当ATP完全承担了列车安全责任时，从ATO送110 V电压给车辆驾驶台上的安全责任灯，此时安全责任灯亮。

图6 ATP静态输出接口

4 车辆接口故障与处理方法

信号与车辆接口故障问题是限制轨道交通发展的重要因素。故障分为重大故障和轻微故障。遇到重大故障而且需要处置时，列车信号系统会传输故障内容。车载信号系统与接口故障主要从牵引/制动接口、紧急制动接口、车载状态接口、旅客信息系统接口及其他接口进行判断。当发生故障时，牵引/制动设备控制接口能通过紧急制动列车线、前进/后退请求以及牵引/制动请求处理故障。紧急制动的控制是通过紧急制动列车线实现的，无论何时，一旦列车线失磁则应立即实施紧急制动。车载ATC设备状态信息通过网络接口提供给车载CDS系统，包括车载ATC状态、故障事件或故障消息、时间以及列车记录。而针对车辆与其他接口发生的故障，则需要围绕门控电路、接点容量以及电源等方面着手处理。根据分析2017年5月9日0D306次动车故障的典型案例，希望能对接下来的轨道交通车辆接口设计工作与故障处理提供参考。

4.1 故障描述

该列车准备发车时，驾驶员启动ATP设备电源，但其正常启用后没有按照系统规划运行，而是转变成了待机模式。与此同时，SB7最大常用制动在ATP后台输出。在接收到地面信号之后，驾驶员将ATP设备操作调整为部分监控模式，后台系统中SB4驻车制动替代了原先的SB7制动。之后，驾驶员将主控手柄推向牵引位后，信息提示制动已经有一定程度的缓解，同时“牵引封锁：ATP常用制动激活”的故障文字信息出现在车辆的显示屏上，如图7所示。随后司机再次将主控手柄推向“0”位置，相隔几秒后再次推回“牵引”位，车辆IDU仍然显示故障信息。最后，司机再次进行上述操作，唯一的不同在于本次驾驶员立即将主控手柄由“0”位推向“牵引”位，此时故障信息消除，可以进行正常的发车行驶。

图7 车辆显示屏实时情况

4.2 成因分析

车辆的正常运行需要依靠多个系统的相互协作。其中，控制和管理动车组的系统是车辆TCMS系统。动车组内所有的运行设备都是通过其进行自动检测与调控，包括ATP设备。该系统并不直接控制相关的车辆设备，而是在运行时，将相关的信息指令及时汇总到车辆TCMS系统并进行分析处理，然后将指令下达到各个车辆设备进行相应的调控。

根据规范要求可知，ATP系统应具备检测列车位置、停车点防护以及记录司机操作等功能。及时收集车辆手柄的牵引和制动等相关控制信息，由计算机进行自动化的职能分析并采取相应策略。例如，当动车组处于停车状态时，ATP系统将实施防溜制动，避免因列车没有停稳引起的安全隐患。当主动手柄重新推向牵引位，列车开始启动时，ATP系统也需要相应地缓解防溜制动。而当遇到如本案例中在检测到主控手柄推向牵引位后又推回0位的特殊情况时，防溜制动会在5 s之后重新启动。

ATP操作系统受TCMS系统的监控，而根据TCMS系统的处理原则，使其真正输出牵引指令的前提是车辆TCMS系统能在检测到列车因主控手柄位置改变而处于牵引状态的同时，在0.5 s内检测到APT系统反馈的缓解制动信息。若TCMS系统未能在规定时间内收到ATP系统发出的信号，车辆的电子显示屏上就会出现“牵引封锁：ATP常用制动激活”的提示信息，以此确保列车的正常安全行驶。出现本案故障的原因有3点。第一，信息指令从车辆TCMS系统发出到ATP系统接收相隔的时间较长；第二，信息从APT系统接收再到其发出制动缓解指令时间相隔较长；第三，信息传输过程中所经过的环节过多、信息不能直接传达或者信息通道不顺畅引发的信息传递耗费时间较长。

4.3 测试方案与实施

就目前的技术而言，车辆侧接法和电务侧接法是实施该方案的基础。两种方法分别通过软件和示波器检测出ATP系统缓解制动指令传达到车辆TCMS系统的时间和发出缓解制动指令的时间。在模拟测试中，驾驶员先将列车调至驻车制动模式，随后将主控手柄推到牵引位，在车辆侧和电务侧分别利用软件和示波器记录有关时间。在条件允许的前提下，使用控制变量法，运用不同的车型进行重复实验，避免受实验偶然性误差的干扰。在大量试验后，示波器得到的结果是在100 ms内，车辆侧软件记录的数据时间在500 ms以上，因此，通过计算可知，剩下的时间应为车辆MIO模型采样周期及控制单元扫描处理所消耗的时间。

5 故障处理的安全作业模式

实验测定最终得出的结论是故障的产生其实是车辆的自动化系统为减少安全隐患而做出的应急反应。IDU显示“牵引封锁：ATP常用制动激活”的故障原因是在设计时忽略了车辆MIO模块采样周期和CCU控制单元扫描处理所需要的时间。目前，最简单的可以直接降低该问题发生率的方式就是要求驾驶员快速操作手柄。当然，相关的技术设备的维修更新也要跟上，从源头上解决问题。

6 结 论

轨道交通的建设将给沿线城市乃至一个国家的发展带来新的活力。因此，其发展核心车载信号系统的设计应该更加被重视。同时，车辆信号接口的设计也不是一劳永逸的，不单要有理论依据作为支撑，更要在实际操作思考总结，降低事故发生率的同时减少故障发生后对整体运营的影响，以此来更好地满足未来的需求。