有轨电车控制系统应用与研究

　　摘 要: 有轨电车 TCMS 是车辆的神经系统，对所有的子系统的设备和数据通过主控制单元传输汇总到驾驶室主控显示屏 上，让每个司机及时了解并掌握车辆的运行状况，以及维护人员下载故障数据进行分析维修。TCMS 总体设计原则是尽可能多地 由中央控制单元通过车辆网络来完成监控功能，从而减少继电器、接触器、车辆布线和接线排等的数量。同时专注为行车和车辆 维护提供辅助来提高运能。本文通过分析和总结 CITADIS302 型有轨电车(即上海松江有轨电车)网络控制系统机理和故障导向 原则，研究了 TCMS 系统的控制逻辑、故障诊断以及故障处理的方法。针对有轨电车的运用和检修经验，提出可行的故障处理方 法及检修方式，提升了 TCMS 系统信息传输的可靠性、稳定性，同时简化了故障处理流程，减短了故障的查找时间，提高了检修能 力，降低了有轨电车运行检修风险及成本，为有轨电车提供了安全保障。

　　关键词：有轨电车;TCMS;网络控制;故障诊断

　　1 概述

　　1.1 引言

　　现代有轨电车作为一种现代公共交通出行方式，适用于中 低客流强度的交通走廊而作为公共交通来发展。对于大中城 市，现代有轨电车可以与城市大中运量地铁、常规公交等共同构 筑城市公共交通体系，这样既加强了城市综合交通体系的形成， 同时又提高了公交绿色出行的吸引力，符合城市公共交通体系 多元化的发展思路。

　　TCMS(Train Control&Monitoring System)系统 是车辆监测的重要组成部分，既保障着乘客在有轨电车内的安 全，也关系着有轨电车的正常运行，因此 TCMS 系统的可靠性， 响应时间非常重要。本文是基于松江有轨电车 TCMS 系统，对该 系统进行介绍和论述，并分析和总结。

　　1.2 TCMS 系统概述

　　TCMS 是有轨电车的中枢神经，对车辆各个子系统进控制 和监控，承担着管理整车功能的责任，并为司机提供行车辅助， 以及为维护人员提供维护辅助。 各子系统具有计算机控制单元，专门用于执行车辆的某一 功能，该单元和 TCMS 相连。车辆上所有的计算机控制单元之间 的信息交互由 TCMS 的 RIOM和总线网络完成。TCMS 的中央处 理器 MPU 执行车辆的监视和控制功能，其它子系统设备执行各 自的功能。车辆控制系统的控制层采用总线方式，符合标准IEC- 61375。

　　1.3 网络冗余性分析

　　1.3.1 MVB 网络冗余性分析

　　MVB 车辆主网络符合 IEC61375 标准。MVB 电缆使用两芯 屏蔽双绞线。A 路和 B 路构成冗余网络。松江项目中对 RIOM和 DDU 设备使用了专用的 MVB 总线 连接器，提高了网络的可用性。每路传输介质有自己的 SubD9 连接器。即使有一路故障、线路损坏或连接器插头松掉，另一路 继续正常工作。 车辆总线(MVB)通过主处理器 MPU 监控，MPU 提供标准的 以太网接口与便携式测试单元 PTU 进行通信，PTU 通过以太网 可访问车辆的任何子控制系统，读取其状态信息(包括各功能模 块的输入 / 输出波形)和故障信息，并实现相应的控制功能和数 据分析。专用连接器拓扑图如下：

　　可见，专用的 MVB 连接器每个插头有 2 个电缆引出口，可 以与 2 根 MVB 电缆连接，在插头内部通过内置电路将两根电 缆进行短接，这样总线就可通过插头处保持连续，当拔下插头 时不会中断传输介质。中 A 路数据线(进线与出线)共 用一个连接器，B 路数据线(进线与出线)共用一个连接器。

　　1.3.2 MPU 冗余性分析

　　有轨电车上电时，两个 MPU 开始启动，一个成为主 MPU， 另一个则成为从 MPU。主 MPU 的选择是随机的，取决于哪个 MPU 先被唤醒。当两个 MPU 同时被唤醒时，这时默认 MPU1 是 主的，MPU2 是从的。 两个 MPU 同时读取 MVB 和以太网总线上的数据，但只有 主 MPU 才可以输出数据到 MVB 和以太网总线上。

　　从 MPU 做主 MPU 所做的所有处理，以备能快速切换。 两个 MPU 之间输出数据的一致性，并不是由 MPU 内部管 理的，而是在两个 MPU 数据交换时由应用软件来实现的。 主 MPU 的识别信号被发送到 MVB 网络上的各个设备以及 连接到以太网与 MPU 有数据交互的设备上。当主 MPU 故障时， 从 MPU 切换成为主。

　　1.3.3 CAN 网络冗余性分析

　　车辆 CAN 网络连接到 RIOM2 和 RIOM5(分别位于 M1 和 M2 车顶低压箱)每个 RIOM 都可以成为 CAN 总线管理器。根 据 RIOM 的通信状态决定是哪个 RIOM 承担总线管理器的任 务。默认为 RIOM2，当 RIOM2 故障时间超过 10S，RIOM5 接替 RIOM2,成为 CAN 总线管理器，从而实现冗余。为了避免无用的 切换，只有当 RIOM5 故障超过 10S 后，才会将 CAN 总线管理器 切回到 RIOM2。

　　2 有轨电车故障诊断分析研究

　　2.1 便携式测试单元

　　PTU 大部分嵌入式电子设备都配有维护软件工具，通过连接到 维护网络或设备本身即可执行某些维护诊断。松江有轨电车所 使用的便携式测试单元是阿尔斯通开发的维护工具—— TrainTracer，可紧密跟踪列车运行状态并对预防性和纠正性的 维护工作做出最有效的响应。

　　2.2 IOS 故障代码

　　TCMS 检测和收集各子系统的故障，通过内部逻辑判断，生 成一个 IOS，并根据故障对车辆的影响分成不同的等级，并给出 了司机操作指南，故障项目和故障等级在司机显示屏上显示， 同时发出警报提醒司机注意。

　　2.3 故障案列诊断分析

　　2.3.1 IOS154 方向故障

　　有轨电车在行驶中 DDU 显示屏上突然报 IOS 154 方向故 障，IOS168 2 个牵引隔离，IOS159 无速度测量，车辆可正常行 驶，按照 IOS 故障等级，掉线处理。 回到检修库，用 TrainTracer 下载故障进行分析，发现故障时 为 M1 端司机室激活，向前向后信号同时得电。先查看 M2 端司机室设备柜断路器上下桩头电压是否正常， 发现电压均正常。登顶检查 M2 低压箱二极管，发现 27V10 正负 极疑似搭接。

　　查接线图为左转向灯控制;到客室内模拟故障，将 M2 转向 灯打到左转位，M1 端激活并将转向灯打到右转位，故障出现。最后确认故障为 27V10 二极管正负极搭接导致。恢复二极 管后，方向故障消失，将 2 个牵引重置后，车辆正常。

　　2.3.2 IOS302 自牵引火灾告警

　　有 轨 电 车 在 行 驶 中 报 IOS302 自 牵 引 火 灾 告 警 ， IOS044HSCB 异常开合，IOS310DCDC 仍在自牵引模式，IOS043 高压小故障，车辆掉线。 用 TrainTracer 下载故障进行分析下载 MPU 故障记录，故障 前辅逆充电模块 1 为 True，自牵引火灾告警后该模块为 False。 判断上述故障主因是“自牵引火灾告警”，检查车顶 56K5 继电器至 DCDC 箱一路接线，未发现异常。后注意到照片中 DDU 面板上超级电容显示 XXXXXXX，怀疑 DCDC 箱无电，登 顶查看，DCDC 箱确实为无电状态。

　　2.3.3 IOS094 车门状态一致性故障

　　DDU 显示“IOS094 车门状态不一致故障”，在正常模式下列 车无法牵引，车门关好旁路之后，列车正常运行。在所有车门关 闭情况，M2 RIOM5 的 LI_DrsLoopRelay 信号为“0”, 正常为 “1”，车顶低压箱内 36Q3 断路器断开。先测量车门关好的回路， 在门关好的情况下，测量 8 门开关 30S1 28、30S2 30 号脚的电， 量到无电，判断车顶低压箱到下面的供电断开。检查 M2 车顶低压箱，车门关好回路的供电 36Q3 断路器跳 掉，合上重启车辆，开关门仍会跳开。

　　因此排查每扇车门的情况， 将所有车门关闭，从 8 门开始量取端子排上 30A- S2 开关线对 地电阻，发现 12 门的对地电阻为 0Ω 对地短路了，因此确认 12 门为故障门。 拆开 12 号门的门机构，发现 S2 的出线，被门机构上固定螺 丝压住，导线损坏严重，导致了 S2 开关对地短路。

　　故障分析:关门一致性故障时是门关好回路的问题，首先查看车顶低压箱到下面的供电有没有，然后量取整个门关好回路 的对地电阻，如果是正常现象时，应该是无穷大的，阻值不会很 小。这次是将门一扇一扇打开，量取每一个门的对地电阻。以后应该先量总的电阻，如果是正常，可直接进行之后的排查，不用 一扇扇查，可以节约用时。

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　　2.4 总结

　　通过对实际案例的分析后我们可以发现列车网络控制系统 的控制逻辑，故障诊断策略，以及故障处置，对实际检修过程中 有巨大帮助，由于有轨电车所运用的工况、场地，条件等限制，本 文在逻辑分析的基础上，结合 TCMS 下载的监控故障记录进行 理论和故障案列的分析，为后续的应急处置提供指导。

　　参考文献

　　[1]倪文波,王雪梅.高速列车网络与控制技术[M].北京：西南交通 大学出版社,2007,1.

　　[2]郑树彬.城市轨道交通列车网络控制技术[M].北京：中国铁道 出版社,2017,6,1.

　　[3]陶艳.列车网络控制技术原理与应用[M].北京：中国电力出版 社,2010,8,1.

　　[4]常振臣,沙淼.高速列车网络控制系统原理与应用[M].中国铁 道出版社,2016,7,19.

　　[5]松江区有轨电车示范线工程.车辆采购合同编号(Tram-SHNSJ0100-2015-SSTIOC)[S].2015,4.

　　作者：张鑫磊