城市軌道交通線路坡度參數(shù)對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的影響

何 瀟

(天津軌道交通運(yùn)營集團(tuán)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(yùn)行自動控制系統(tǒng)，在一次信號系統(tǒng)車載軟件升級測試時出現(xiàn)了列車ATO模式動車折返后，丟失定位發(fā)生緊急制動的情況，導(dǎo)致列車只能以全人工模式運(yùn)行至折返站站臺。本文從列車丟失定位為切入點，分別對設(shè)備升級后列車緊急制動的發(fā)生機(jī)制和原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的整改措施，以提高列車運(yùn)行的可靠性。

1 故障現(xiàn)象概述

升級信號車載軟件后報多列車出現(xiàn)兩端折返站緊急制動無法緩解現(xiàn)象，需改全人工模式緩解制動；后嘗試點式ATP模式發(fā)車仍出現(xiàn)緊急制動無法緩解現(xiàn)象，全人工模式運(yùn)行至下一站后恢復(fù)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(jī)以ATP模式發(fā)車，在列車施加牽引時，車載控制器檢測到2軸有空轉(zhuǎn)/打滑的情況，導(dǎo)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(fù)。從日志分析，車載控制器、速度傳感器和加速度傳感器等設(shè)備均并不存在硬件和干擾問題，列車制動無法緩解應(yīng)屬于信號系統(tǒng)故障—安全原則下的保護(hù)機(jī)制，本故障應(yīng)屬于軟件工作發(fā)生異常所致，因此應(yīng)從數(shù)據(jù)傳輸路徑及數(shù)據(jù)處理角度深入分析故障原因。數(shù)據(jù)及傳輸路徑則主要涉及列車定位和列車空轉(zhuǎn)/打滑狀態(tài)采集。

2.1 列車定位原理

列車安全定位主要通過地面應(yīng)答器、車載控制器及車地通信系統(tǒng)實現(xiàn)。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(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將安全位置發(fā)送至軌旁區(qū)域控制器，并通過聯(lián)鎖系統(tǒng)顯示在列車自動監(jiān)控系統(tǒng)，同時車載控制器通過應(yīng)答器讀取器所采集到的軌旁靜態(tài)應(yīng)答器信息修正列車運(yùn)行過程產(chǎn)生的位置偏差。

區(qū)域控制器通過計算該區(qū)域內(nèi)所有列車的位置信息和運(yùn)行方向，生成并持續(xù)更新和傳輸各列車的移動授權(quán)指令，車載控制器獲取移動授權(quán)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(xiàn)列車最小的運(yùn)行間隔。以上列車自動控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，是基于車載控制器裝載的存儲列車運(yùn)行軌道線路的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主要數(shù)據(jù)有線路限速信息、傳感器識別號和位置信息、轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)信息、障礙位置信息以及其他線路相關(guān)信息。

2.2 空轉(zhuǎn) /打滑

速度傳感器檢測車輪空轉(zhuǎn)/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(fù)）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(zhuǎn)/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(zhuǎn)/打滑段后，速度傳感器會重新開始測量。在空轉(zhuǎn)/打滑過程中，應(yīng)根據(jù)上次有效的速度測量，利用加速度傳感器來補(bǔ)償加速度。在空轉(zhuǎn)/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(jìn)行彌補(bǔ)。

加速度傳感器為兩套互為冗余配的設(shè)置，每套由兩個不同的加速度傳感器組成，兩套設(shè)備提高了系統(tǒng)的可靠性。為確認(rèn)輸出的有效性，必須對每套加速度傳感器的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)列車發(fā)生空轉(zhuǎn)/打滑開始時，列車的實際運(yùn)行速度和位置將由列車空轉(zhuǎn)/打滑開始前的速度和加速度傳感器提供的補(bǔ)償修正來確定。當(dāng)空轉(zhuǎn)/打滑消失后，列車速度和位移的測量再次轉(zhuǎn)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(dāng)只有一個故障時，就不會影響列車的正常運(yùn)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(yùn)行過程中，車載控制器將持續(xù)采集速度傳感器和加速度傳感器的實時數(shù)據(jù)，并對兩者輸出數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行計算。當(dāng)檢測到列車速度的非常規(guī)變化或速度傳感器信息的非常規(guī)變化時，即時記錄異常情況，當(dāng)檢測到列車發(fā)生空轉(zhuǎn)/打滑現(xiàn)象時，會出現(xiàn)列車速度和位置信息不能更新和列車定位出現(xiàn)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(yīng)答器的數(shù)據(jù)即可更新。如果上述狀況持續(xù)超過設(shè)定時間，車載控制器將發(fā)出空轉(zhuǎn)/打滑的報警信息。

列車發(fā)生打滑和空轉(zhuǎn)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(fù)）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(zhuǎn)/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(zhuǎn)/打滑段后，速度傳感器將重新開始測量。在空轉(zhuǎn)/打滑過程中，應(yīng)根據(jù)最近一次測量的有效速度，通過加速度傳感器補(bǔ)償加速度的偏差。在空轉(zhuǎn)/滑行的情況下，速度傳感器的測量出現(xiàn)誤差，因此，需要使用加速度傳感器測量進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 故障原因分析

基于定位原理及空轉(zhuǎn)打滑原理分析，首先對車載控制器負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)處理的PCM板卡進(jìn)行了數(shù)據(jù)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(jìn)行了深入的排查，也未發(fā)現(xiàn)異常，對兩套冗余的速度傳感器和加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，不存在數(shù)據(jù)同步等方面的問題。最后通過對故障現(xiàn)行及故障復(fù)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)分析，上版軟件運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)折返站下行站臺發(fā)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(zhǔn)值，發(fā)現(xiàn)該站臺的校準(zhǔn)值與其他站差距較大。判斷其實際坡度應(yīng)與輸入數(shù)據(jù)存在差別，誤差在千分之四左右，經(jīng)過現(xiàn)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(dǎo)致列車在該站臺較大概率發(fā)車時出現(xiàn)空轉(zhuǎn)/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(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致車載控制器在折返站檢測到長時間空轉(zhuǎn)打滑，引起一系列報警。為提高列車運(yùn)行效率及優(yōu)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(jìn)一步增加系統(tǒng)對輸入的安全檢查，其對坡度的錯誤更為敏感，導(dǎo)致上述問題。故此次故障主要原因為現(xiàn)場部分碎石砟道床線路坡度與軟件數(shù)據(jù)庫中坡度存在較大偏差，將故障點鎖定在車載控制器內(nèi)存儲列車運(yùn)行線路的軌道數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(wù)專業(yè)配合對折返站站臺進(jìn)行軌道坡度平整，由于工務(wù)專業(yè)很難保證在維護(hù)要求調(diào)整的需求下使軌道線形變化將保持在CBTC系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)。因此，存在這樣一種風(fēng)險，即隨著時間的推移，軌道線形坡度的變化將引發(fā)與先前確定的相同的問題，尤其是在碎石砟道床區(qū)域。

因此，信號專業(yè)提出兩階段處理措施：第一階段ATO設(shè)計軌道坡度誤差為+/-0.05%。在碎石砟道床區(qū)域特別是折返站站臺、轉(zhuǎn)換軌，需要坡度保持與現(xiàn)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(jiān)測其折返軌站臺的加速度傳感器校準(zhǔn)值的變化趨勢，并將運(yùn)行情況和收集的日志作為基礎(chǔ)，提供給研發(fā)部門進(jìn)行深入分析。

（2）通過與工務(wù)專業(yè)的溝通，爭取對坡度誤差的容忍性達(dá)成一致。跟進(jìn)了解工務(wù)的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)情況，結(jié)合加速度傳感器校準(zhǔn)值的變化趨勢不定期地對碎石砟道床區(qū)域進(jìn)行坡度測量，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行下一步的工作。

（3）協(xié)調(diào)工務(wù)專業(yè)進(jìn)行道床平整或者根據(jù)實際測量值進(jìn)行數(shù)據(jù)庫升級。

第二階段是在收集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺分析的基礎(chǔ)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(tǒng)對于坡度不確定性的容忍來規(guī)避之前出現(xiàn)的問題。

3 結(jié)束語

本次測試發(fā)現(xiàn)的問題屬首次出現(xiàn)，因此該故障的處理有一定的挑戰(zhàn)性，但也豐富了信號專業(yè)人員的故障處理經(jīng)驗，對于線網(wǎng)其他線路的系統(tǒng)升級等也有極大的借鑒及指導(dǎo)意義。從軟件設(shè)計角度考慮，在引入環(huán)境變量時應(yīng)首先掌握環(huán)境參數(shù)的變化范圍，其次需要充分論證該變量對自身設(shè)備系統(tǒng)的安全性和可靠性的影響程度；從運(yùn)營維護(hù)的角度考慮，在車載系統(tǒng)相比于一般軌旁設(shè)備開放程度較低，因此基于車載日志分析的故障數(shù)據(jù)深度挖掘已迫在眉睫，不能僅依靠經(jīng)驗以及故障現(xiàn)象去分析和處理故障，應(yīng)該對系統(tǒng)數(shù)據(jù)路徑和處理機(jī)制有更深入的認(rèn)識，才能滿足未來城市軌道交通智能運(yùn)行維護(hù)的發(fā)展方向。