有轨电车控制系统应用与研究

张鑫磊

（上海申凯公共交通运营有限公司，上海200000）

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。TCMS 与各子系统之间的关系如图1 所示。

图1 TCMS 总体设计

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（如图2）。

图2 MVB 总线连接

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。（如图3）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。

图3 MVB 总线连接器拓扑图

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（如图4）。

图4 MPU 主从示意图

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（如图5）。

图5 TrainTracer 下载故障

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（如图6）。

图6 二极管故障点

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（如图7）。

图7 司机室模拟故障

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（如图8）。

图8 DDU 超级电容

对车辆重启后故障全部消失，故依次断开与超级电容相关的19 前缀断路器做试验，断19Q6 断路器时也出现四个故障，但现象不一致，继续断其他断路器模拟故障。

在断开19Q1 断路器后，打应急牵引旋钮，试了2 次故障复现，与原故障现象相同。应急牵引旋钮恢复后故障还在，恢复19Q1 断路器后故障仍在，重启车辆2 次依旧如此（如图9）。

图9 超级电容原理图

因断19Q1 后故障复现，故判断故障应在该线路，量正极-CM-DCXS1/A1 及 -CM-DCXS1/A2 正 常 ， 量 负 极-CM-DCXS1/A7 及-CM-DCXS1/A8 发现有大约15V 电压异常，将超级电容箱插头-CM-SCXS2 拆下，量得DCDC 箱正负极电压正常，疑超级电容箱为故障点。但发现拆下-CM-SCXS2 后，DCDC 箱仍无电，故判断问题可能出在负极处，检查发现-BB38-2/14 端子虚接，重新压接后正常。

故障分析：-BB38-2/14 端子虚接，相当于此处多出一个电阻，故而使A7、A8 号脚处分得约15V 电压，致使DCDC 箱内电压过小，才导致此次故障。

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（如图2-6）。

图10 8 车门接线图

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。

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。