城市轨道交通线路坡度参数对列车运行控制系统的影响

何 潇

(天津轨道交通运营集团有限公司，天津 300000)

天津地铁5号线采用的基于无线通信的列车运行自动控制系统，在一次信号系统车载软件升级测试时出现了列车ATO模式动车折返后，丢失定位发生紧急制动的情况，导致列车只能以全人工模式运行至折返站站台。本文从列车丢失定位为切入点，分别对设备升级后列车紧急制动的发生机制和原因进行分析，提出相应的整改措施，以提高列车运行的可靠性。

1 故障现象概述

升级信号车载软件后报多列车出现两端折返站紧急制动无法缓解现象，需改全人工模式缓解制动；后尝试点式ATP模式发车仍出现紧急制动无法缓解现象，全人工模式运行至下一站后恢复ATO模式。

2 列车紧急制动无法缓解原因分析

通过对车载日志的分析，列车在折返轨换端后，司机以ATP模式发车，在列车施加牵引时，车载控制器检测到2轴有空转/打滑的情况，导致两轴的速度不一致从而丢失定位，ATP模式不可用，重启车载控制器后故障恢复。从日志分析，车载控制器、速度传感器和加速度传感器等设备均并不存在硬件和干扰问题，列车制动无法缓解应属于信号系统故障—安全原则下的保护机制，本故障应属于软件工作发生异常所致，因此应从数据传输路径及数据处理角度深入分析故障原因。数据及传输路径则主要涉及列车定位和列车空转/打滑状态采集。

2.1 列车定位原理

列车安全定位主要通过地面应答器、车载控制器及车地通信系统实现。车载控制器通过速度传感器、加速度传感器确定列车的安全位置，并通过车地数据通信系统将安全位置发送至轨旁区域控制器，并通过联锁系统显示在列车自动监控系统，同时车载控制器通过应答器读取器所采集到的轨旁静态应答器信息修正列车运行过程产生的位置偏差。

区域控制器通过计算该区域内所有列车的位置信息和运行方向，生成并持续更新和传输各列车的移动授权指令，车载控制器获取移动授权指令后生成列车的自动控制命令，从而在保证列车安全距离的前提下，实现列车最小的运行间隔。以上列车自动控制系统功能的实现，是基于车载控制器装载的存储列车运行轨道线路的数据库系统，主要数据有线路限速信息、传感器识别号和位置信息、转辙机状态信息、障碍位置信息以及其他线路相关信息。

2.2 空转 /打滑

速度传感器检测车轮空转/打滑的“异常”情况。异常情况包括各速度传感器的极高（正或负）加速率，和/或各速度传感器之间的显著差别。速度传感器也能检测到消除空转/打滑的情况，如检测到打滑后，清除异常测量，和/或正加速。越过空转/打滑段后，速度传感器会重新开始测量。在空转/打滑过程中，应根据上次有效的速度测量，利用加速度传感器来补偿加速度。在空转/滑行的情况下，速度传感器的测量变得不大精确，因此，需要使用加速度传感器测量进行弥补。

加速度传感器为两套互为冗余配的设置，每套由两个不同的加速度传感器组成，两套设备提高了系统的可靠性。为确认输出的有效性，必须对每套加速度传感器的运算结果进行比较，当列车发生空转/打滑开始时，列车的实际运行速度和位置将由列车空转/打滑开始前的速度和加速度传感器提供的补偿修正来确定。当空转/打滑消失后，列车速度和位移的测量再次转换至速度传感器。由于每一套的两个加速传感器都由不同硬件和软件的组成，当只有一个故障时，就不会影响列车的正常运行，即其中某一个加速度传感器失效也不会影响到车载控制器的正常输出。

列车运行过程中，车载控制器将持续采集速度传感器和加速度传感器的实时数据，并对两者输出数据的关联性进行计算。当检测到列车速度的非常规变化或速度传感器信息的非常规变化时，即时记录异常情况，当检测到列车发生空转/打滑现象时，会出现列车速度和位置信息不能更新和列车定位出现偏差的问题，对于第一个问题，车载控制器将通过采集加速度传感器实际加速或减速信息计算出列车的实际速度来解决，对于第二个问题，则通过读取轨旁应答器的数据即可更新。如果上述状况持续超过设定时间，车载控制器将发出空转/打滑的报警信息。

列车发生打滑和空转时，车载控制器通过速度传感器读取异常打滑的情况，异常情况包括各速度传感器的极高（正或负）加速率，和各速度传感器之间的显著差别。速度传感器也能检测到消除空转/打滑的情况，如检测到打滑后清除异常测量，和正加速。越过空转/打滑段后，速度传感器将重新开始测量。在空转/打滑过程中，应根据最近一次测量的有效速度，通过加速度传感器补偿加速度的偏差。在空转/滑行的情况下，速度传感器的测量出现误差，因此，需要使用加速度传感器测量进行校准。

2.3 故障原因分析

基于定位原理及空转打滑原理分析，首先对车载控制器负责相关数据处理的PCM板卡进行了数据重新刷写，测试仍然存在该问题。其次，对加速度传感器及速度传感器的硬件及连接件进行了深入的排查，也未发现异常，对两套冗余的速度传感器和加速度传感器数据进行了对比分析，不存在数据同步等方面的问题。最后通过对故障现行及故障复现采集数据分析，上版软件运营中发现折返站下行站台发生加速度传感器报警问题的频次较高，通过对比类似站台的加速度传感器校准值，发现该站台的校准值与其他站差距较大。判断其实际坡度应与输入数据存在差别，误差在千分之四左右，经过现场测量，验证了折返站站台坡度/平顺度的坡度差异。这一差异导致列车在该站台较大概率发车时出现空转/打滑的情况，并且如果车辆出库，会在站台基于错误输入坡度校准，进而导致车载控制器在折返站检测到长时间空转打滑，引起一系列报警。为提高列车运行效率及优化加速度传感器/速传报警和自锁管理，新版软件放宽了对加速度传感器/速传的判定条件，降低了加速度传感器/速传报警和自锁的可能性，从安全考虑，进一步增加系统对输入的安全检查，其对坡度的错误更为敏感，导致上述问题。故此次故障主要原因为现场部分碎石砟道床线路坡度与软件数据库中坡度存在较大偏差，将故障点锁定在车载控制器内存储列车运行线路的轨道数据库系统上。

2.4 故障处理措施

针对升级后坡度异常带来的故障，工务专业配合对折返站站台进行轨道坡度平整，由于工务专业很难保证在维护要求调整的需求下使轨道线形变化将保持在CBTC系统可接受的范围内。因此，存在这样一种风险，即随着时间的推移，轨道线形坡度的变化将引发与先前确定的相同的问题，尤其是在碎石砟道床区域。

因此，信号专业提出两阶段处理措施：第一阶段ATO设计轨道坡度误差为+/-0.05%。在碎石砟道床区域特别是折返站站台、转换轨，需要坡度保持与现有实际测量坡度一致。

（1）在该阶段以周为单位收集列车折返轨站台的日志，监测其折返轨站台的加速度传感器校准值的变化趋势，并将运行情况和收集的日志作为基础，提供给研发部门进行深入分析。

（2）通过与工务专业的沟通，争取对坡度误差的容忍性达成一致。跟进了解工务的维护标准和作业情况，结合加速度传感器校准值的变化趋势不定期地对碎石砟道床区域进行坡度测量，根据测量结果进行下一步的工作。

（3）协调工务专业进行道床平整或者根据实际测量值进行数据库升级。

第二阶段是在收集大量的数据进行后台分析的基础上，再次修订软件，增大对于坡度不确定性的容忍，增大加速度传感器计算时对坡度不确定性的容忍。这两个方向的目的均是通过增大系统对于坡度不确定性的容忍来规避之前出现的问题。

3 结束语

本次测试发现的问题属首次出现，因此该故障的处理有一定的挑战性，但也丰富了信号专业人员的故障处理经验，对于线网其他线路的系统升级等也有极大的借鉴及指导意义。从软件设计角度考虑，在引入环境变量时应首先掌握环境参数的变化范围，其次需要充分论证该变量对自身设备系统的安全性和可靠性的影响程度；从运营维护的角度考虑，在车载系统相比于一般轨旁设备开放程度较低，因此基于车载日志分析的故障数据深度挖掘已迫在眉睫，不能仅依靠经验以及故障现象去分析和处理故障，应该对系统数据路径和处理机制有更深入的认识，才能满足未来城市轨道交通智能运行维护的发展方向。