故障处理 软件 需求_「行业知识」地铁车辆故障智能处理分析

摘 要：为保障地铁线路运营秩序，提高运营服务质量，降低人为因素所导致的故障的影响，必须研究地铁车辆故障智能处理系统，以适应未来地铁车辆的全自动化运行模式。基于此，笔者就地铁车辆故障智能处理进行简要分析。

关键词：地铁；车辆故障；智能处理；

随着列车数据监控点的加密，各系统、子部件运行数据可得到实时监控。运用无触点可编程逻辑技术(LCU)、在线监测系统、自复位空开、智能门控器和列车智慧运维系统等，可基本实现对列车运行数据的全方位监控。通过优化诊断系统的判断逻辑，可实时识别故障的根本原因。这些进步为地铁车辆故障智能处理的研究工作奠定了基础。

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地铁车辆故障智能处理设计原则

通过对目前国内地铁运营及设备使用功能情况进行分析，如要使用地铁车辆故障智能处理系统代替司机的人工介入，必须使其具备识别、分析和自主处理故障的能力，才能最终实现正线故障的应急处置，达到保障正线秩序的效果。在系统设计中应遵循以下原则。

1.安全原则

在系统设计中，软件必须有充足的的冗余设计已备后续系统升级，另外在硬件及软件方面执行故障导向安全原则, 保证列车的安全性。从提高系统可靠性和设备安全完整性等级(SIL)的角度考虑，关键系统、设备必须满足SIL4安全等级要求。比如，目前北京地铁为提高系统的可靠性及安全性，在LCU 技术方面将三期一阶段的双机热备冗余设计升级到三期二阶段的“二乘二取二”结构，安全等级从SIL2级逐步向SIL4级提升。由于对系统进行了充分的冗余设计，关键系统、部件、节点采用了双断设计，增强了系统的可靠性。

2.全方位监控原则

为保证列车诊断系统能准确获取各系统的运行数据，为故障智能处理提供诊断依据，必须增加数据监控端口，实现对车辆关键运行数据的全方位监控。目前国内一般采用两种方式的数据传输通道一种是采用民用4G通道还有一种采用轨旁信号通道。比如青岛地铁13号线正试验开展的空调系统实时在线监控系统，通过安装传感器，通过民用4G传输设备，实现正线设备，线下把控，有效提高设备使用效率和故障把控。

3.系统融合原则

在系统设计中，应发挥系统思维，充分考虑现场复杂环境，整合多系统资源，减少系统接口，减少控制链条，筛选有价值关键性信息，以提高系统数据交互效率，保证系统控制的实时性。

4.故障分级原则

首先，列车各子系统应完成所有部件的故障模拟，理清各种故障产生的机理与逻辑关系，确定末端故障的真正原因，分析故障对整车的影响，形成故障清单及处理意见。然后，根据故障造成的影响，对故障实行分级管控，按A、B、C、D进行分类。A类为涉及行车安全类，如在车门开启时启动列车，此类应禁止；B类为直接或间接影响列车正常运行类，如高速断路器跳闸，此类要求系统必须能自愈或通过其他方式替代本部分功能；C类为涉及客服质量类，如无列车广播，此类应尽量避免；D类为其他类，其影响无足轻重。当发生不同类别的故障时，将通过不同形式警告和提示监视人员。

5.自主处理原则

所有故障信息均需上报TCMS系统，TCMS通过固化在软件中的处理流程向各子系统发出处理命令，各子系统会执行命令并实时反馈执行信息。TCMS系统根据反馈信息进行逻辑分析和判断，并发出下一个命令，直到满足预设要求。如不能满足预设要求，TCMS系统则需分级主动向监视人员发出人工介入的请求，并同时弹出人员操作指引，有效引导人员开展故障处理，并对故障处理进行留存和显示，以便后续故障的数据分析和追溯。

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地铁车辆故障智能系统处理分析

经过以上分析可知，地铁车辆故障智能处理系统要满足预想需求，必须至少从以下多个方面着手。

1.安全实现方式

必须从软件及硬件方面充分考虑，从设计理念、原理、接口等基础层面进行系统优化，如关键回路采用双断冗余设计，电子控制模块在硬件及软件层面采用异构设计等，另外网络方面设计屏蔽层及接口分级管理。并且引入第三方安全评估机构，对系统设计进行全方位安全评估，确保涉及行车安全等方面的关键系统至少达到SIL4级及以上。

2.监控实现方式

故障智能处理系统首先是数据收集、分析系统，其次才是故障处理系统。数据收集是基础，系统只有依据充足的数据，以及进行分级区分后的数据，才能进行下一步的分析和决策。要实现全方位监控，必须增加硬件及软件的多层级监控节点，确保运行过程数据、控制链路数据和末端执行数据的可监控性。目前通用的做法如下。

2.1 采用LCU技术

目前地铁车辆逻辑控制电路主要通过继电器的得失电来实现，但存在无法对触点状态进行全覆盖监控、无法确定控制电路的硬线节点故障等缺点。随着 LCU 技术的发展，除涉及信号接口、大电流及激活回路的继电器外，地铁车辆的大部分继电器均可用 LCU 替代。据调查北京地铁从4号线三期一阶段新车采购项目开始，便用可监控的LCU 模块全面替代不可监控的继电器，替代率高达70%，通过升级有效降低了因为触点状态、硬线节点导致故障无法监控的弊端，降低了故障发生率，提高了故障排查效率。

2.2增加必要的传感器

在末端执行机构中增加必要的传感器进行监控，建立监控-反馈环路。例如，为了实时监控电机运行温度、运行电流状况，可提前在电机内部布置温度传感器、电流传感器，或增设判断温度及电流的运算模型；为了准确获知列车的运行加速度，除通过原有模型进行计算外，还可以增加加速度传感器。

2.3更新设备

通过持续更新设备、增加监控系统来采集车辆运行数据。例如，为了根据车门运动时间、电机电流曲线变化等参数分析车门故障的真实原因，可采用智能门控器(目前已在北京大部分列车中安装)；为了精确判断车辆走行部及车顶受电弓运行状态，可增加走行部监测系统、受电弓监测系统。

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系统融合实现方式

在运营的复杂环境中，各子系统无法独善其身，为保证运营安全，必须以系统思维全盘考虑。为准确无误的完成1个复杂故障的自主处理，各系统必须联动、无缝配合，达到你中有我、我中有你的高度融合状态。一般达成系统融合的工作量及投入会远超过原有单个系统的制作工作量和成本投入，以下是2个系统联动示例。

1)设计辅逆系统时，除了要考虑系统本身功能要求、功率、容量和用户其他需求这些最基础的因素外，还需要考虑系统对整车的影响，以及如何最大限度保证基本的安全功能。比如，末端用电设备出现接地故障导致系统三相不平稳时，除了要求用电设备能自主撤出用电网络外，辅逆系统也应具有甩开该故障区段的能力。如三线母排出现接地故障，系统必须能够自动识别并隔离故障区段；极端情况下，系统应具备持续向供风系统供电的能力。

2)当车门防夹功能触发后，除车门系统本身进行故障处理外，还应及时联动安防监控系统进行监控画面切换，列车图像识别系统判断防夹产生原因，站台门系统联动开门动作、声光报警系统进行报警、广播系统进行乘客提醒、无线电台系统进行信息报送。各系统将状态信息报送上级系统，列车自身还能够根据现场情况及时向各联动系统下达指令，从而使各系统协调工作，共同完成故障处理。

结束语

总之，从安全性、实用性、效益及目前的技术能力储备方面考虑，为实现无人智能处理正线各类故障的目标，仍然需要开展广泛深入的研究工作。但列车全自动运行系统已是大趋势，地铁车辆故障智能处理系统研究已刻不容缓，只有提前布局、提前研究，才能更好应对未来需求。

参考文献：

[1]孙章.轨道交通推进长三角地区的一体化发展[J].城市轨道交通研究，2018，11(8)

[2]魏栋.浅谈城市轨道交通发展现状及解决对策[J].城市建设理论研究(电子版)，2018(31)

[3]黄豪，汪意涵，刘澜，等.基于协同理论的区域轨道交通系统序参量研究[J].综合运输，2019(5)

作者：李军 邓文鑫 田忠祺 董道锋 青岛地铁运营分公司西海岸中心车辆部

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