武汉地铁运营有限公司 湖北省武汉市 430030
摘要：城市轨道交通信号系统是保证列车行车安全，实现列车行车指挥和运行现代化最为关键的系统，CBTC系统更是在各大城市的地铁行业中得到了广泛的应用。本文首先对CBTC环线信号系统进行简要介绍，并以武汉地铁3号线环线系统为例，对信号系统列车故障进行分类分析，并结合故障分析结果提出部分故障处理建议。
城市轨道交通CBTC系统包括ATS、ATP和ATO三个子系统，通过信息交换构成闭环系统，实现地面与车上控制、现地与中央控制相结合的列车自动控制系统。武汉地铁3号线环线系统包括五个子系统：车辆控制中心VCC、系统管理中心SMC、车站控制器STC、车载控制器VOBC及环线LOOP。环线系统有着安全性高、时效性好的特点，但列车发生故障频率依然较高，甚至造成列车晚点，对运营服务造成严重影响。2015年底开通至今，因信号系统发生列车故障主要分为五类：通信超时、超速、进站过冲、移动受阻、屏蔽门车门不联动，下面对五类故障进行分析，对部分故障提出相对合理化的预防建议或改进举措。
1.通信超时
通信超时故障发生频率较高，与一般列车通信超时故障有所区别。通常列车主端VOBC通信超时，会自动切换至备端。武汉地铁3号线列车通信超时，主端VOBC故障代码01（主动轮询时报文丢失），备端无代码，说明主端通信超时，没有自动切换至备端。为调查列车为何不能切换至备端，通过断开环线模拟三类动车试验，如图1所示：
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图1 动车试验过程及结果
试验表明，当列车备端位于环线故障区域时，若主端通信超时，无法切换至备端，故障代码报01或2C（高速时模拟太多交叉）。另外断开环线SMC会报告环线故障，与实际故障现象不一致，排除环线原因。由于目前车载CPU仅能存储故障瞬时数据，无法存储故障前数据。通过使用Data Freeze简称DF命令，分配16位地址用以存储车载CPU数据日志。若故障发生，将故障前十七秒数据日志保存至选定的16位地址中。通过分析数据日志，发现VCC对VOBC所发送的部分速度参数认定为无效，而丢弃该报文，导致主端通信超时，且VCC不发送切换指令，无法切换至备端。后调整了VCC软件速度阈值，升级软件后杜绝了该故障发生。
2.超速
列车超速多因钢轨存在油脂类物质或钢轨湿滑，在行驶中出现打滑导致超速。当信号系统检测到列车处于不安全状态，车载设备主动切断通信并紧急制动。
若多列车在同一地点发生超速，建议在接近超速区域前，转ATP模式控制列车牵引制动，防止因过度超速导致列车通信超时。待驶过超速区后，转回ATO模式恢复行车。
3.进站过冲
进站过冲原因主要有四点：（1）车载设备未及时发送制动命令（2）车辆设备未及时响应制动命令（3）列车定位有误导致停车精度存在偏差（4）因外部原因（如打滑）（该原因在此部分不做分析）。
针对原因1、2，需分析制动命令及回采端口数据，如下图所示：
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图2 车载设备制动指令及回采示意图
分析命令端口Output44/4和回采端口Input46/3数据，主要有三种情况：
（a）Output44/4和Input46/3均为1，车辆设备未及时响应制动命令
（b）Output44/4为1，Input46/3为0，车载设备发送制动命令但未成功
（c）Output44/4为0，Input46/3为0，车载设备未及时发送制动命令
（d）Output44/4为0，Input46/3为1，车载设备故障
针对原因3，列车定位依靠环线交叉点、轴端转速计、定位计算机（TWR）。2019年多列车在后湖大道站台发生进站过冲，仅报4E对位故障。调取视频发现列车经过正标停车位置时，司机显示屏TOD显示离目标点仍有5米距离，说明列车定位存在偏差，而在其他站未发生过冲，排除轴端转速计和TWR硬件故障。后调查站台区域环线交叉点设计有约3米偏差，调整交叉点位置后未发生列车进站过冲。
4.移动受阻
移动受阻是指命令列车移动且在7秒内移动未超过1米，此时主端VOBC故障代码39（列车移动受阻）。此类故障需从车载发出命令以及车辆响应命令两方面分析，IRU内部牵引、制动、全常用制动命令及回采示意图如下所示：
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结合图2、3、4分析，通过数据端口判定车载设备是否正确的给出了牵引、制动、全常用制动等命令信号，并计算当时牵引力大小，例如：
（a）INPUT45/3为0，没有常用制动输出
（b）INPUT46/2、INPUT46/3都为1，有牵引输出，没有制动输出
（c）OUTPUT44/1为0，列车有前进命令
（d）OUTPUT46/3为1，列车没有后退命令
（e）OUTPUT40为D4，计算可知VOBC给出了83.1%的较大牵引力。
如上实例可以判断列车移动受阻非车载故障导致，由于目前与车辆接口处无监测，以上方式是判定是否因车载设备导致列车故障的唯一方法。
5.屏蔽门与车门不联动
屏蔽门车门不联动，通过故障现象可初步定位故障，描述如下：
（a）若仅部分车门不联动，为车辆设备故障
（b）若仅部分屏蔽门不联动，为机电设备故障
（c）若所有车门不联动，为信号或车辆设备故障
（d）若所有屏蔽门不联动，为信号或机电设备故障
（e）若所有车门屏蔽门均不联动，信号设备故障可能性最大
(a)(b)也可能因夹人夹物导致，(c)(d)(e)也可能因司机误操作等因素导致。
信号与机电、车辆设备都有接口，而接口处缺少监测设备，对于偶发性故障原因查证难度大。(a)(b)故障能初步判定故障责任范围，本部分仅讨论可能与信号设备相关的(c)(d)(e)故障，如下所示：
（1）当所有车门不联动时：
（a）车载设备未及时发出开/关门命令
（b）车载设备发了命令，但车辆设备未及时响应
通过分析端口数据（类似于第4小节中列车移动受阻）来判定故障原因。若车载设备及时发送了命令，可排除（a），否则极有为原因（b），不排除因司机误操作。
（2）当所有屏蔽门不联动时：
（a）信号设备未及时发送开/关命令
（b）信号设备发了命令，但机电设备未及时响应
从信号设备至机电设备，整个屏蔽门物理链路顺序为：车载对位天线—对位环线—STC—机电屏蔽门控制设备。屏蔽门开/关命令是经对位天线、对位环线至STC，驱动PSDO/PSDC继电器，构通命令电路至机电屏蔽门控制设备。STC通过采集PSCDL/PSDZ继电器接点状态，判断屏蔽门状态并返回至VOBC和SMC。机电屏蔽门控制设备是否收到开/关门命令，仅能通过观察PSDO/PSDC继电器当时是否吸起，并无其他监测记录手段，加大了屏蔽门偶发性故障排查难度。2019年发生过两次屏蔽门不联动故障，造成列车延误4分钟，未查出故障原因。
针对该类故障，建议直接转RM模式牵出站台，后转ATP或ATO模式恢复正常运营，减小故障影响时间，同时应增设与机电部屏蔽门控制设备的接口监测设备，有利于故障定位和故障排查。
结语
以上五类故障中，进站过冲、移动受阻以及屏蔽门车门不联动故障，均涉及到与车辆或机电设备的接口，而目前接口处缺少有效监测手段。对于偶发性故障，因故障不能重现，无疑加大了故障排查难度，因此在保证数据、网络安全的前提下，关键接口处安装监测设备是很有必要的，类似于超速故障，在保证安全的前提下，应采取临时应急处置措施避免故障的发生。
参考文献
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论文作者:谢光祥
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/5/7