CBTC系统车载信号常见故障分析...

39 现代城市轨道交通 2 / 2011 MODERNURBANTRANSIT安全防护1 系统概述南京地铁2号线信号系统使用的是西门子的列车自动控制系统，是基于通信的列车自动控制系统(CBTC)。该系统基于移动闭塞分隔列车原理，通过车-地间通信，周期传递列车位置信息并通过轨旁子系统向列车发送移动授权。其中，移动授权是轨旁子系统根据联锁状态和列车位置计算出的。车载子系统根据线路数据库(TDB)存储的轨道地形数据信息(如速度和坡度)和指定的移动授权极限，监督、控制列车运行。在西门子Trainguard MT（CBTC）中，分为3种列车控制级别，见表1和图1。 从南京地铁运营初期的故障数据统计来看，车载信号设备最常见的故障是ATP冗余和无线丢失，占到全部故障总数的60%左右。下面就这2个故障的分析处理做详细的说明。2  ATP冗余2.1ATP冗余介绍每列车包括2套车载信号设备，主要分布在列车两端A车上。这2套车载设备互为冗余，即尾端车载控制单元（OBCU，On Board Control Unit）能够在前端OBCU设备故障的情况下接管控制权。车载信号系统冗余可以保证CTC级别及IXLC级别下的使用，但故障端无法使用ITC级别。对RM（限制人工驾驶模式）、SM（ATP监督人工驾驶模式）、AM（列车自动驾驶模式）的选择无任何影响。ATO、库线折返及无人自动折返都CBTC系统   车载信号常见故障分析冯丽娟摘 要：详细分析南京地铁2号线使用CBTC系统运营以来车载信号设备发生的主要故障（最常见的故障为ATP冗余和无线丢失，在运营初期占到全部故障总数的60%左右）和应对措施。关键词：CBTC系统；ATP冗余；故障分析；无线丢失表1 列车控制级别类缩写 列车控制级          主要特点CTC 连续列车控制 移动授权由轨旁经由无线通道发送到列车，列车通过  无线通道建立车-地之间的双向通信来控制列车ITC 点式列车控制 移动授权来自信号机的显示，通过可变数据应答器由  轨旁点式的传送到列车IXLC 联锁列车控制 列车监督无来自轨旁的移动授权，司机必须按照轨旁  信号机驾驶冯丽娟：南京地铁运营分公司，助理工程师，江苏南京 210012图1 列车控制级别的转换2. 定位+有效的CTC_MA   (CTC移动授权)1. 定位+有效的ITC_MA   (ITC移动授权)5. 定位+有效的CTC_MA   (CTC移动授权)3. 定位+IXLT边界+ACK(确认)4. 定位+失去定位+ACK(确认)更高的列车控制级别CBTC系统   车载信号常见故障分析40MODERNURBANTRANSIT 2 / 2011 现代城市轨道交通安全防护正常，所有操作流程均与无冗余功能时相同。图2显示车载信号系统组成；表2为3种不同ATP冗余切换状况。2.2ATP冗余统计及其原因分析2号线从2010年5月28日开通至12月的ATP冗余统计如表3所示。当雷达、OPG（测速电机）、应答器、ITF到HMI的通信连接、无线或机柜中及其他模块发生故障等都会导致ATP冗余切换。发生冗余切换后，下载故障数据分析，发现某些列车的贯通线较短，在运行过程中接头松动，造成了ATP冗余切换，6月负责设备安装的浦镇厂随即对所有列车的贯通线进行了整改，但是并没有大幅度降低故障发生数量。2.3ATP冗余处理8月份设备供应商西门子公司对列车OBCU所有设备进行了软件升级，随后ATP冗余发生次数大量减少，ATP冗余得到了根本上的解决。当正线运营发生冗余，可以继续运营，所有功能不受影响，一般情况下待列车运营结束回库后再做处理。发生冗余切换后，将无法切换回故障端，使用ATP切除开关（见图3红色框内）同时重启驾驶室两端ATP便可恢复。其重启步骤：①将任一端ATPFS开关打至故障位；②等待约30  s，HMI上的“system down”字样消失;③将ATPFS开关打至正常位，等待约60  s设备启动完毕。3 无线丢失故障3.1无线丢失故障简介无线丢失是CBTC系统常见的故障之一，发生频率较高。发生该故障后，列车会由CTC级别降到IXLC级别，HMI上显示出无线打叉（故障）图标，多数情况下会导致列车会丢失定位，从而造成紧急制动。列车降级后，只能启用RM模式驾驶，限速25  km/h以内，对正线运营有一定的影响，造成列车晚点。3.2无线丢失统计数据自2号线2010年5月28日开通运营以来，至2010年12月31日共发生无线丢失127次，造成晚点23次。图2 车载信号系统组成表2 ATP冗余状况   前端OBCU激活，后端OBCU为待机状态。当前端OBCU发   生故障时会进行冗余切换。     前端OBCU激活，尾端OBCU关闭或故障，此情况下无法进   行冗余切换。  前端OBCU关闭或者故障，尾端OBCU激活，此情况为已完   成冗余切换。符号激活端   前端OBCU激活，后端OBCU为待机状态。当前端OBCU发   生故障时会进行冗余切换。  前端OBCU激活，尾端OBCU关闭或故障，此情况下无法进   行冗余切换。  前端OBCU关闭或者故障，尾端OBCU激活，此情况为已完   成冗余切换。月份 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月数量 138 122 122 30 16 3 2表3 ATP冗余发生次数统计图3 ATP故障开关图4 无线丢失发生地点统计马群 33%油坊桥 33%其他地面站 6%地下站 13%金马路 6%仙鹤门  2%经天路 7%CBTC系统车载信号常见故障分析 冯丽娟NORMAI正常ATP故障A1司机控制室A2司机控制室车载控制单元 之间的连接无线电之间的连接中继器到其他车载 控制单元到其他车载 控制单元司机室A1电源OBCU_ITF/ATOOBCU_ATPOBCU_DISTMS/PISRST串行链路TMS/PISRSTOBCU_ITF/ATOOBCU_ATPOBCU_DIS到其他车载 控制单元到其他车载 控制单元司机室A1电源串行链路HMIHMI测速电机应答器天线雷达测速电机应答器天线雷达41 现代城市轨道交通 2 / 2011 MODERNURBANTRANSIT安全防护从统计数据显示，地面站无线丢失的总比例占故障总数的87%，共111次，地下站无线丢失的比例占故障总数的13%，共16次。按照车次号统计（图5）显示，01和02结尾的车次号（列车车头均为当日首次使用）列车无线丢失数量分别为49和35次，说明列车早晚出库发生无线丢失的概率最大，约占2/3。这种无线丢失故障的处理，是重启ATP和两端无线单元就可以保证列车运行一天不出问题。其他车次号无线丢失发生数为43次。图6的统计可看出，经实践摸索处理，故障数目在不断减少，并使故障基本上在控制范围之内。3.3故障分析及应对措施3.3.1针对发生故障站场分析(1) 无线丢失故障较多地面站场。调查发现，马群、油坊桥站停车列检库和综合检修库只设1～2个AP点。由于AP点较少，造成部分离AP点较远的股道上的列车出库时不能建立稳定的网络连接。此外，无线系统本身的不稳定性，即使状态检查时设备显示正常，出库后仍会出现网络连接中断的情况。其应对措施，一是，加强列车早、晚出、入库的设备检查，重点跟踪从无线信号较弱股道开出的列车；二是，统计无线丢失故障列车是否都从哪些股道开出的规律；三是，讨论车站内AP点设置的最佳数量。(2) 折返车站。列车折返对无线丢失故障有一定的影响，折返后换端需有时间要求，西门子公司建议两端的激活时间间隔＞15  s以上，司机应严格执行。(3) 地面站相对于地下站干扰较多，CBTC系统更适用于地下线路。3.3.2针对部分故障列车分析2010年9月18日，035036车两端无线TU单元之间进行相互应答测试中，其ping值丢包率高达70%左右（正常丢包率应为0，做到 100%传输），说明2个无线单元之间的网线损耗过大。此后浦镇厂对T18-T23所有无线设备贯通线进行了整改。3.3.3针对无线贯通线接头分析正线运营过程中，曾发生过多次无线连接贯通线（LEMO）接头松动导致的无线丢失，重启ATP和无线单元也无法恢复。工班加强了对无线LEMO接头的检查，及时对有问题的LEMO接头进行处理。如043044车无线丢失并重启无效，浦镇厂整改了LEMO接头及中继器线路，至今未出现此类故障。3.4故障处理方法3.4.1无线单元重启在发生无线丢失故障时，需要重启无线单元。其重启方法如下。(1) 检查无线单元各相关灯位是否显示正常（图8）。① 加密板正常，包括LED4灯绿色亮, LED2和LED3灯黄色亮，LED1灯灭；图7 无线贯通线接头图8 车载无线单元灯位显示图5 无线丢失车次号统计其他 34%**02  28%**01  38%图6 无线丢失每月发生次数353025201510506月 7月 8月 9月 10月 11月 12月292825231264CBTC系统车载信号常见故障分析 冯丽娟42MODERNURBANTRANSIT 2 / 2011 现代城市轨道交通安全防护②CPU板正常包括LNK3 LED灯绿色亮（显示TU之间链接正常)，ACT3 LED灯黄灯亮（表示数据链路处于激活状态)，如果两灯位经常性熄灭，则说明网线连接有问题，需要检查网线；③电源板正常，黄色与绿色LED灯亮。(2) 无线重启。无线重启时必须重启ATP以免造成冗余，具体步骤（参见图9红框）：① 断开两端RCSCB（将RCSCB断路器扳下）；② 将ATPFS打至故障位（任一端）；③ 等待约30  s，HMI上的“system down”字样消失；④ 恢复两端RCSCB(将RCSCB断路器合上)，同时将ATPFS打至正常位；⑤ 等待约150  s后车载设备及无线单元各指示灯均显示正常，设备启动完毕。3.4.2运营处理办法(1) 运营应急处理。在运行过程中，发生了无线丢失故障，若没有时间重启无线单元，可采取以下应急处理方式。在满足两端ATP没有冗余和另一端无线单元正常2个条件下，可以打下RCSCB或者ATOCB或者ATPCB，造成冗余（打下HMICB也可造成冗余，但本端黑屏，影响司机操作），从而使图9 无线单元断路器用另一端正常的无线单元，可以升至CTC模式。在另一端无线一直正常的情况下，此方法可以一直保持列车CTC模式下正常运行。列车回库后进行重启操作。(2) 折返轨重启。列车发生无线丢失后，列车降级，由于IXLC级别下RM驾驶模式限速较低，会造成列车晚点，在发生此类故障时，司机会切除ATP，在没有信号系统防护下手动驾驶，此时车辆限速65  km/h。同时，由于重启无线设备需要较长时间，一般需要在折返轨执行重启操作。在进行设备重启时无论故障发生在哪个驾驶室，都将对故障列车的两端驾驶室的无线单元同时重启，以保证设备可以完全修复。无线单元重启后HMI显示见图10。无线单元重启后，列车的位置是未知的，并“失去定位”，HMI则显示无线打叉图标和车库图标，RM动车经过2个连续的应答器，同时所测量2个应答器之间的具体数据与TDB（线路数据库）相符后，列车定位。此时收到无线信号，列车会自动升级至CTC级别。3.5尽量减少无线丢失故障出现概率无线丢失故障可能还与相关的检测芯片设计等因素有关。比如，当无线信号到来之时，可能某项更高优先级的操作同时要执行，由此导致系统在此高优先级操作结束后响应检测无线信号的操作，但此时无线信号已经无效，导致检测失败，显示为信号丢失。此外，可能由于信号相互干扰的原因，芯片无法检测到受干扰无线信号，9  s时间以后造成无线丢失。上述原因都可导致检测无线信号会进入某个特定的死循环状态。所以，需要重启设备，才能使系统跳出死循环，再次进入正常检测无线信号状态。由于以上情况出现是概率性的，所以,在一段时间内总会出现一次。只有不断完善设备检修和维护，无线丢失故障频率会逐渐降低。在发生无线丢失故障后，若检修人员、司机、行调配合好，完全可以减少或避免对运营造成影响。随着检修规程的不断完善和专业经验的逐步积累，目前故障数量都处于可控范围之内，这也为新线的建