引言

廣州地鐵7號線列車制動系統(tǒng)采用北京縱橫機電提供的國產(chǎn)架控系統(tǒng),列車控制及診斷系統(tǒng)采用時代電氣研發(fā)的列車分布式網(wǎng)絡通信和控制系統(tǒng)(DTECs平臺)。二者的配合應用為在廣州地鐵線網(wǎng)內(nèi)首次采用,當在某些特殊情況下,會出現(xiàn)邏輯設定不嚴謹?shù)那闆r。

2019年1月7日,07043044車正線進站前出現(xiàn)網(wǎng)絡通信故障,車輛屏黑屏,司機PM模式對標停車后,列車未施加保壓制動發(fā)生后溜,司機發(fā)現(xiàn)后立即施加快速制動,列車停止后溜并停穩(wěn)。該情況存在嚴重的行車安全隱患,若司機未能及時發(fā)現(xiàn)后溜并施加制動,列車后溜可能會導致司機夾傷。

本文從網(wǎng)絡控制邏輯及制動控制邏輯方面著手,分別對網(wǎng)絡通信故障及車輛后溜原因進行分析,并提出整改措施,有效避免了列車網(wǎng)絡癱瘓及后溜的風險,提高了列車運行的安全性。

1事件經(jīng)過

17:21,司機在謝村上行出站后報:駕駛端07A043車車輛屏黑屏,3s后自動恢復,列車運行正常。

17:32,該車在員崗上行進站前車輛屏出現(xiàn)網(wǎng)絡通信故障信息后黑屏并自動停車,行調(diào)組織司機以PM模式進站對標。

17:33:03,司機PM對標停車,氣制動施加燈未亮,司機起身開左側(cè)司機室側(cè)門。

17:33:12,司機發(fā)現(xiàn)列車后溜,立即施加快速制動,氣制動施加燈亮,列車停止后溜并停穩(wěn)。

2網(wǎng)絡通信故障分析

2.1原因分析

廣州地鐵7號線列車MVB網(wǎng)絡采用通信線路雙通道冗余設計,當某一路通信線路出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)可以自動切換到另一路通信線路。對于關鍵的車輛控制模塊VCMe,由于其主要實現(xiàn)重要的車輛控制、總線管理,因此在整個列車網(wǎng)絡中也對VCMe做了熱備冗余配置,正常情況下兩個VCMe通過底層協(xié)議芯片的競爭機制自動選取一個VCMe為總線管理主,另外一個VCMe為備用主,當主VCMe出現(xiàn)故障時,備用VCMe將接管主VCMe的職責,行使所有的總線管理和控制功能。

讀取列車故障履歷、事件記錄儀數(shù)據(jù),故障時刻VCM故障記錄顯示07043044車"A2車VCMe通信故障""DCUVCM生命信號中斷"、整車主門控器"EDCU通信故障""HMI通信故障"等列車子設備通信故障,如圖1所示。

讀取事件記錄儀數(shù)據(jù),根據(jù)A1車1軸制動軸速,判斷在17:32:56之前列車處于減速過程,直至列車速度至0,由于網(wǎng)絡卡死,列車的綜合速度一直處于故障時的列車速度64.2km/h,如圖2所示。

事件記錄儀顯示故障時刻,A1車VCM為主,VCM生命信號與列車綜合速度卡死,VCM未進行切換。通過以上數(shù)據(jù)分析可以確認,兩個VCMe模塊均處于應用程序停止運行的狀態(tài)。

出現(xiàn)兩個VCM死機故障有以下兩種可能:列車控制網(wǎng)絡總線干擾、外部原因?qū)е耉CM死機。下面將進行逐一排查:

列車控制網(wǎng)絡總線干擾與總線通信狀態(tài)及錯幀率相關。使用CRT網(wǎng)絡終端仿真軟件,檢查發(fā)現(xiàn)故障時網(wǎng)絡狀態(tài)為A路與B路通信狀態(tài)OK,且無錯幀增加,如圖3所示。

用MVB網(wǎng)絡協(xié)議分析儀采集此時的MVB總線數(shù)據(jù)如圖4所示,可以看出故障時刻兩路MVB通道均只有1個錯誤幀,此時MVB總線狀態(tài)正常。因此網(wǎng)路總線受到干擾的原因可排除。

由于故障時刻列車控制MVB網(wǎng)絡狀態(tài)正常,列車控制網(wǎng)絡拓撲圖如圖5所示,可看出VCM外部僅與PIDs以太網(wǎng)接口連接,故使用CRT軟件對VCM以太網(wǎng)任務進行監(jiān)視。

對VCM以太網(wǎng)任務進行監(jiān)視,監(jiān)視結(jié)果顯示VCM設備端以太網(wǎng)接口處于不斷重啟狀態(tài),如圖6所示。

觀察與VCM相連接的PIDs交換機對應網(wǎng)口的通信指示燈狀態(tài)處于頻閃狀態(tài),斷開VCMe與PIDs交換機連接,通信故障消失。初步分析為PIDs以太網(wǎng)交換機與VCMe模塊以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸異常。

為了驗證是否是以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)異常導致MVB通信故障,進行了下面的模擬實驗:使用ostinato軟件模擬廣播數(shù)據(jù)幀,直接將網(wǎng)線連接到VCM模塊上,同時對兩端的VCM模擬大量數(shù)據(jù)通信。流量最大時設置為5萬包/s,持續(xù)時間最長20min。期間出現(xiàn)大量打印信息"0xbc3b20(tNetTask):m5200FecPhyInitcheckcab1econnection",如圖7所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)和現(xiàn)象分析,出現(xiàn)通信故障的原因確認為PIDs與VCM模塊以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸異常導致模塊CPU負荷過大從而程序停止運行。

2.2防范措施

(1)臨時將列車兩端VCMe(x9)與PIDs交換機通信的網(wǎng)線斷開,避免以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)異常,保障正常運營:

(2)后續(xù)PIDs對VCMe接入交換機的端口進行入口和出口的帶寬限制。

3后溜原因分析

3.1數(shù)據(jù)分析

讀取后溜時刻制動數(shù)據(jù),如圖8所示,在17:33:02時牽引指令線失電,17:33:10時施加快速制動。在此期間,車輛在前5s處于惰行至停車,后3s處于后溜,后溜時產(chǎn)生約0.22km/h的速度。

3.2原因分析

為防止列車靜止時不在坡道上溜車,廣州地鐵7號線列車設計有保持制動功能,在網(wǎng)絡模式和臨時模式下,保持制動的大小為80%最大常用制動力,在緊急牽引模式下,保持制動力大小為45%最大常用制動力。

從解析出來的數(shù)據(jù)來看,在TCMs通信中斷后,BCU判斷出了通信失效,隨即在10個周期后轉(zhuǎn)入了臨時模式。此模式下BCU會根據(jù)硬線指令來施加制動。通過制動數(shù)據(jù)可以看出,后溜時刻制動缸壓力為0,說明保持制動未施加。因此車輛后溜的原因在于保持制動未施加,車輛在坡道上由于重力原因發(fā)生溜動。

保持制動施加為BCU自行判斷,其施加的作用域如下:列車綜合速度小于10km/h且拖車速度小于10km/h且本架速度小于5km/h。

注釋:

(1)本架速度:1個轉(zhuǎn)向架有2根軸2個軸端速度傳感,根據(jù)兩根軸速最大值輸出本轉(zhuǎn)向架速度。

(2)拖車速度取拖車1架轉(zhuǎn)向架速度。

(3)列車綜合速度:列車綜合速度由列車網(wǎng)絡計算后傳給制動系統(tǒng),計算方法采用冒泡算法,網(wǎng)絡對BCU上傳的2個拖車的8個軸速進行有效判斷,剔除無效值后,對剩下的有效值進行排序,取次大值和次小值,并計算去除最大值和最小值后的平均值。根據(jù)工況對速度進行選擇,牽引時取次小值,制動時取次大值,惰行時取平均值。

保持制動施加條件如下:

(1)網(wǎng)絡模式下,網(wǎng)絡牽引指令無效且本架速度低于0.5km/h自動施加。

(2)緊急牽引或臨時模式(網(wǎng)絡中斷但未進入緊急牽引模式,發(fā)生溜車時處于該模式)下,硬線牽引指令無效,且本架速度小于0.5km/h自動施加。

由于列車綜合速度的變量在突然失去網(wǎng)絡信號后沒有清零,造成BCU接收到的列車綜合速度一直保持在通信故障前的64.2km/h,即一直處于10km/h以上的情況,使得無法進入保持制動施加的邏輯判斷,造成了保持制動未施加。

3.3后溜保護邏輯

后溜保護觸發(fā)邏輯為網(wǎng)絡模式下列車進行車輛保護的一個措施,其通過如下邏輯對車輛后溜進行判斷,當檢測到車輛后溜之后,由網(wǎng)絡發(fā)出車輛的緊急制動:本車4個電機轉(zhuǎn)向同時與司控器方向不一致判斷為車輛后溜,當車速超過1km/h且超過200ms或后溜超過0.4m或后溜持續(xù)10s,則由網(wǎng)絡發(fā)出緊急制動。

而本次事件后溜時刻,網(wǎng)絡處于故障狀態(tài),無法由網(wǎng)絡出發(fā)車輛的緊急制動,因此后溜保護功能在此工況下無法進行列車保護。

3.4防范措施

在網(wǎng)絡通信故障情況時,列車在保持制動未施加且無后溜保護的情況下,存在嚴重的行車安全隱患。

針對上述邏輯分析,可以對網(wǎng)絡故障后未清除列車綜合速度的這個問題進行修正,即當通信丟失以后,制動系統(tǒng)清除保存的列車綜合速度值,不再考慮列車綜合速度,保留根據(jù)本CAN網(wǎng)段參考速度(拖車速度)和本架速度來進行保持施加判斷。即臨時模式下的保持制動作用域修改為與緊急牽引模式下一致:拖車速度小于10km/h且本架速度小于5km/h才會有保持制動。

4結(jié)語

為保證列車運行的安全性,現(xiàn)今的列車網(wǎng)絡系統(tǒng)在設計上已具備冗余功能,但通過本次網(wǎng)絡通信故障可看出,網(wǎng)絡上外掛的其他設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)仍會對網(wǎng)絡系統(tǒng)本身造成干擾甚至導致癱瘓,因此提高VCM的數(shù)據(jù)處理能力,或者增加對數(shù)據(jù)進行篩選的功能,是今后列車網(wǎng)絡系統(tǒng)設計可優(yōu)化的地方。

通過本次車輛后溜事件,也可看出制動系統(tǒng)最初的設計中,保持制動施加邏輯并不嚴謹,未考慮到車輛網(wǎng)絡通信故障后,列車綜合速度清零的問題?，F(xiàn)對施加邏輯進行了優(yōu)化,經(jīng)現(xiàn)場驗證,已經(jīng)消除了網(wǎng)絡通信故障情況下車輛后溜的隱患,提高了列車運行的安全性,可供國內(nèi)同行借鑒。