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摘要 地铁列车控制与管理系统（TCMS）作为列车的“大脑”，负责列车信号采集与处理、指令输出及关键数据存储等，地铁列车的安全运行离不开TCMS系统的可靠工作。为了使TCMS系统在故障状态下不影响列车的正常行车，减小对运营的影响，本文结合TCMS系统实际故障案例对列车关键信号采集及冗余设计方案进行分析，根据信号采集及输出的不同要求提出相应的改进建议，为TCMS系统信号采集及冗余设计提供参考。
关键词 地铁列车；列车控制与管理系统；冗余设计
Abstract As the “brain” of the train，the metro train control and management system（TCMS）is responsible for train signal acquisition and processing，command output，and key data storage. The safe operation of the subway train is inseparable from the reliable work of the TCMS system. In order to make the TCMS system not affect the normal running of the train under the fault condition and reduce the impact on the operation，this paper analyzes the train key signal acquisition and redundancy design scheme based on the actual fault cases of the TCMS system，according to the different requirements of signal acquisition and output. Proposed the corresponding improvement suggestions，provide reference for signal acquisition and redundant design of TCMS system.
Key words：metro train，train control and management system，redundancy design
为确保列车控制、诊断和信息采集不间断地正常工作，一般情况下列车控制与管理系统在每列车配备有两个中央控制单元（VCU），其中一个为主控单元，另一个为热备。当主控单元故障时，热备单元立即转为主控单元，接管列车控制功能。此外列车装有若干输入输出模块（RIOM）通过多功能车辆总线MVB（EMD）与其它系统设备通信，并具备监控信号采集（将车辆间电气信号转换成网络控制信号，经由列车控制网络传送给VCU，完成各系统状态监控）、控制信号输出（将网络控制信号转换成电气信号，控制指示灯、继电器等设备）、设备地址输入（通过外部跳线配置设备地址）等功能。为保证列车在控制与管理系统（TCMS）相关部件故障时的行车能力，本文结合厦门地铁1号线列控系统构成，对列车需要优化冗余采集的信号及网络控制系统软件逻辑进行分析，提出安全、可靠的冗余方案。
1 列车控制与管理系统方案简介
厦门地铁1号线电客车列车控制与管理系统采用分布式总线控制系统，系统分为两级：列车控制级、车辆控制级。列车控制级总线和车辆控制级总线均采用EMD电气中距离介质的MVB多功能车辆总线，系统中各子系统之间的通信和数据传输主要通过MVB总线完成，具有对列车进行通讯、监测、控制和储存等功能。中继模块REP将列车级总线和车辆级总线连接，实现列车级和车辆级总线的数据转发功能。VCU通过MVB与HMI和ERM数据记录仪连接，维护人员可以在车上通过其进行检查、记录及分析软件信号。系统的通信线路和关键设备均具有冗余结构，如果系统中的任何一个元件
发生故障，在整体上不会影响车辆的运行能力。与车辆运行安全有关的重要指令，如门控指令和紧急制动，均使用硬线控制。
从图1可知，厦门地铁1号线电客车共配置2个VCU、8个RIOM、6个HUB和6个REP，各功能模块均以板卡组合的型式安装在机箱（标准3U机箱）中，机箱均为电源板卡与各功能模块的组合形式，电源板卡通过机箱背板为各功能模块供電。
VCU+ERM机箱由VCU模块（电源板卡、CPU板卡、MVB板卡）和ERM模块（电源板卡、CPU板卡、MVB板卡）组成。
RIOM11/RIOM61机箱由电源板卡、MVB模块、DX/AX模块（共有6个16路DI（数字量输入）板卡，1个8路DO（数字量输出）板卡，1个8路AI（模拟量输入）板卡）和中继器组成。
RIOM12/RIOM62机箱主要由RIOM模块电源板卡、DX模块（共有1个16路DI板卡，1个8路DO板卡，1个8路AI板卡）、MVB模块和HUB模块组成。
RIOM21/RIOM51机箱主要由电源板卡、DX模块（共有2个16路DI板卡，2个8路DO板卡）、MVB模块组成。
RIOM31/RIOM41机箱主要由电源板卡、DX模块（共有1个16路DI板卡，1个8路DO板卡）、MVB模块组成。
2 缺陷分析
厦门地铁1号线TCMS系统共有8个输入输出模块，其采集的关键信号如下：
当单个RIOM板卡功能模块故障或电源板卡故障（由于机箱采用电源板卡对功能模块供电的型式，RIOM功能模块将无法实现信号收发功能）时，因关键信号丢失后TCMS系统将实施牵引封锁等严重故障。
厦门地铁1号线牵引/制动指令信号会通过两种方式传输发给牵引系统：一是通过硬线电路给到网络RIOM模块的DI板卡，并传输给VCU，然后VCU通过MVB将该信号发送给牵引/制动系统。二是通过硬线电路中牵引/制动列车线的硬线信号发送给牵引/制动系统。在网络正常情况下，网络控制优先，硬线冗余备份的原则，所以在网络系统正常情况下，牵引/制动指令信号的传输优先采用第一种方式（即网络传输方式）。 厦门地铁1号线电客车网络系统中虽然已对1车/6车的关键数字量输入信号进行了冗余控制处理，当1车RIOM11无法接收牵引信号时，网络VCU可以接收6车RIOM61的牵引信号，在RIOM11单个模块故障时，可以保证牵引信号通过网络系统正常发送给牵引系统，确保列车功能不降级。但是当1车RIOM11的电源板故障时，会导致“RIOM11通信故障”，按照网络系统VCU控制逻辑，只有在VCU与RIOM11通信正常情况下，VCU才会接收并信任RIOM11模块发送的数据，因此当RIOM11通信故障时，VCU将无法通过RIOM11接收到列车的牵引指令信号，造成牵引封锁。
3 改进方案
旁路信号冗余措施。以厦门地铁1号线电客车为例，当RIOM11或RIOM61板卡功能模块故障或电源板卡故障时停放制动缓解及停放制动不缓解旁路信号均丢失，导致停放制动缓解信号丢失造成牵引封锁，合停放制动不缓解旁路无效。为保证列车正常功能，建议状态信号与旁路信号需分开采集，如图2所示。
网络输出信号冗余措施。厦门地铁1号线RIOM机箱的DO输出板卡主要输出受电弓切除指令、空压机启动指令、超速紧急制动、蜂鸣器、升降弓及旁路状态指示灯。为保障网络控制输出的控
制指令可靠有效，避免控制指令异常输出，建议将涉及行车安全的输出指令进行叠加后再输出，如图3所示。
头车关键信号冗余措施。考虑到厦门地铁1号线电客车Tc车配备2个RIOM机箱且机箱单独供电，如图5方案一所示Tc车可对关键信号（如：司机室占用、所有停放制动缓解、运行模式）采用双RIOM机箱冗余采集的方式，即RIOM11和RIOM12同时采集相同的关键信号。贯穿列车的关键信号（如：列车完整性等），建议采用双端采集的冗余方式，即RIOM11和RIOM61均采集相同的关键信号。
中间车关键信号冗余措施。因厦门地铁1号线电客车Mp车及M车仅配1个RIOM机箱，建议通过相邻车厢的RIOM机箱内对关键信号（如：升弓到位信号等）进行冗余采集，即可采用图5方案一或者图6方案二的冗余方式，具体可根据RIOM板卡备用采集口的数量进行选择。
4 结论
本文通过厦门地铁1号线网络故障案例分析，对缺陷问题进行改进、优化，提高网络系统的可靠性及稳定性，以满足列车安全运营的要求。
综上分析，为保证列车故障状态下的行车能力、网络信号采集及输出的可靠性，建议在列车网络关键信号采集及冗余设计中采取下列措施：
1、对影响行车的牵引、制动及车门状态信号，建议在本单元内采用双采集模块（且模块需独立供電）对此类状态信号进行采集。
2、为保证列车正常功能，建议状态信号（门全关好、制动缓解、警惕等）与旁路信号（门全关好旁路、制动不缓解旁路、警惕旁路等）需在不同模块进行采集。
3、为避免网络控制输出的控制指令可靠有效，避免控制指令异常输出，建议将涉及行车安全的输出指令进行叠加后再输出。
4、贯穿列车的关键信号，建议采用头尾车双端采集的冗余方式。
参考文献：
[1]赵磊.北京地铁7号线列车网络控制系统[J].城市轨道交通研究，2014，（5）：109-114
[2]曲晶.成都地铁4号线列车网络控制系统[J]. 铁道机车与动车. 2017（07）
[3]张津津.西安地铁三号线车辆网络系统分析[J]. 轨道交通装备与技术. . 2015（05）
[4]李宝泉、任小玲、李如石.福州地铁1号线车辆网络控制系统[J] 铁道机车与动车. 2017（01）
关键词 地铁列车；列车控制与管理系统；冗余设计
Abstract As the “brain” of the train，the metro train control and management system（TCMS）is responsible for train signal acquisition and processing，command output，and key data storage. The safe operation of the subway train is inseparable from the reliable work of the TCMS system. In order to make the TCMS system not affect the normal running of the train under the fault condition and reduce the impact on the operation，this paper analyzes the train key signal acquisition and redundancy design scheme based on the actual fault cases of the TCMS system，according to the different requirements of signal acquisition and output. Proposed the corresponding improvement suggestions，provide reference for signal acquisition and redundant design of TCMS system.
Key words：metro train，train control and management system，redundancy design
为确保列车控制、诊断和信息采集不间断地正常工作，一般情况下列车控制与管理系统在每列车配备有两个中央控制单元（VCU），其中一个为主控单元，另一个为热备。当主控单元故障时，热备单元立即转为主控单元，接管列车控制功能。此外列车装有若干输入输出模块（RIOM）通过多功能车辆总线MVB（EMD）与其它系统设备通信，并具备监控信号采集（将车辆间电气信号转换成网络控制信号，经由列车控制网络传送给VCU，完成各系统状态监控）、控制信号输出（将网络控制信号转换成电气信号，控制指示灯、继电器等设备）、设备地址输入（通过外部跳线配置设备地址）等功能。为保证列车在控制与管理系统（TCMS）相关部件故障时的行车能力，本文结合厦门地铁1号线列控系统构成，对列车需要优化冗余采集的信号及网络控制系统软件逻辑进行分析，提出安全、可靠的冗余方案。
1 列车控制与管理系统方案简介
厦门地铁1号线电客车列车控制与管理系统采用分布式总线控制系统，系统分为两级：列车控制级、车辆控制级。列车控制级总线和车辆控制级总线均采用EMD电气中距离介质的MVB多功能车辆总线，系统中各子系统之间的通信和数据传输主要通过MVB总线完成，具有对列车进行通讯、监测、控制和储存等功能。中继模块REP将列车级总线和车辆级总线连接，实现列车级和车辆级总线的数据转发功能。VCU通过MVB与HMI和ERM数据记录仪连接，维护人员可以在车上通过其进行检查、记录及分析软件信号。系统的通信线路和关键设备均具有冗余结构，如果系统中的任何一个元件
发生故障，在整体上不会影响车辆的运行能力。与车辆运行安全有关的重要指令，如门控指令和紧急制动，均使用硬线控制。
从图1可知，厦门地铁1号线电客车共配置2个VCU、8个RIOM、6个HUB和6个REP，各功能模块均以板卡组合的型式安装在机箱（标准3U机箱）中，机箱均为电源板卡与各功能模块的组合形式，电源板卡通过机箱背板为各功能模块供電。
VCU+ERM机箱由VCU模块（电源板卡、CPU板卡、MVB板卡）和ERM模块（电源板卡、CPU板卡、MVB板卡）组成。
RIOM11/RIOM61机箱由电源板卡、MVB模块、DX/AX模块（共有6个16路DI（数字量输入）板卡，1个8路DO（数字量输出）板卡，1个8路AI（模拟量输入）板卡）和中继器组成。
RIOM12/RIOM62机箱主要由RIOM模块电源板卡、DX模块（共有1个16路DI板卡，1个8路DO板卡，1个8路AI板卡）、MVB模块和HUB模块组成。
RIOM21/RIOM51机箱主要由电源板卡、DX模块（共有2个16路DI板卡，2个8路DO板卡）、MVB模块组成。
RIOM31/RIOM41机箱主要由电源板卡、DX模块（共有1个16路DI板卡，1个8路DO板卡）、MVB模块组成。
2 缺陷分析
厦门地铁1号线TCMS系统共有8个输入输出模块，其采集的关键信号如下：
当单个RIOM板卡功能模块故障或电源板卡故障（由于机箱采用电源板卡对功能模块供电的型式，RIOM功能模块将无法实现信号收发功能）时，因关键信号丢失后TCMS系统将实施牵引封锁等严重故障。
厦门地铁1号线牵引/制动指令信号会通过两种方式传输发给牵引系统：一是通过硬线电路给到网络RIOM模块的DI板卡，并传输给VCU，然后VCU通过MVB将该信号发送给牵引/制动系统。二是通过硬线电路中牵引/制动列车线的硬线信号发送给牵引/制动系统。在网络正常情况下，网络控制优先，硬线冗余备份的原则，所以在网络系统正常情况下，牵引/制动指令信号的传输优先采用第一种方式（即网络传输方式）。 厦门地铁1号线电客车网络系统中虽然已对1车/6车的关键数字量输入信号进行了冗余控制处理，当1车RIOM11无法接收牵引信号时，网络VCU可以接收6车RIOM61的牵引信号，在RIOM11单个模块故障时，可以保证牵引信号通过网络系统正常发送给牵引系统，确保列车功能不降级。但是当1车RIOM11的电源板故障时，会导致“RIOM11通信故障”，按照网络系统VCU控制逻辑，只有在VCU与RIOM11通信正常情况下，VCU才会接收并信任RIOM11模块发送的数据，因此当RIOM11通信故障时，VCU将无法通过RIOM11接收到列车的牵引指令信号，造成牵引封锁。
3 改进方案
旁路信号冗余措施。以厦门地铁1号线电客车为例，当RIOM11或RIOM61板卡功能模块故障或电源板卡故障时停放制动缓解及停放制动不缓解旁路信号均丢失，导致停放制动缓解信号丢失造成牵引封锁，合停放制动不缓解旁路无效。为保证列车正常功能，建议状态信号与旁路信号需分开采集，如图2所示。
网络输出信号冗余措施。厦门地铁1号线RIOM机箱的DO输出板卡主要输出受电弓切除指令、空压机启动指令、超速紧急制动、蜂鸣器、升降弓及旁路状态指示灯。为保障网络控制输出的控
制指令可靠有效，避免控制指令异常输出，建议将涉及行车安全的输出指令进行叠加后再输出，如图3所示。
头车关键信号冗余措施。考虑到厦门地铁1号线电客车Tc车配备2个RIOM机箱且机箱单独供电，如图5方案一所示Tc车可对关键信号（如：司机室占用、所有停放制动缓解、运行模式）采用双RIOM机箱冗余采集的方式，即RIOM11和RIOM12同时采集相同的关键信号。贯穿列车的关键信号（如：列车完整性等），建议采用双端采集的冗余方式，即RIOM11和RIOM61均采集相同的关键信号。
中间车关键信号冗余措施。因厦门地铁1号线电客车Mp车及M车仅配1个RIOM机箱，建议通过相邻车厢的RIOM机箱内对关键信号（如：升弓到位信号等）进行冗余采集，即可采用图5方案一或者图6方案二的冗余方式，具体可根据RIOM板卡备用采集口的数量进行选择。
4 结论
本文通过厦门地铁1号线网络故障案例分析，对缺陷问题进行改进、优化，提高网络系统的可靠性及稳定性，以满足列车安全运营的要求。
综上分析，为保证列车故障状态下的行车能力、网络信号采集及输出的可靠性，建议在列车网络关键信号采集及冗余设计中采取下列措施：
1、对影响行车的牵引、制动及车门状态信号，建议在本单元内采用双采集模块（且模块需独立供電）对此类状态信号进行采集。
2、为保证列车正常功能，建议状态信号（门全关好、制动缓解、警惕等）与旁路信号（门全关好旁路、制动不缓解旁路、警惕旁路等）需在不同模块进行采集。
3、为避免网络控制输出的控制指令可靠有效，避免控制指令异常输出，建议将涉及行车安全的输出指令进行叠加后再输出。
4、贯穿列车的关键信号，建议采用头尾车双端采集的冗余方式。
参考文献：
[1]赵磊.北京地铁7号线列车网络控制系统[J].城市轨道交通研究，2014，（5）：109-114
[2]曲晶.成都地铁4号线列车网络控制系统[J]. 铁道机车与动车. 2017（07）
[3]张津津.西安地铁三号线车辆网络系统分析[J]. 轨道交通装备与技术. . 2015（05）
[4]李宝泉、任小玲、李如石.福州地铁1号线车辆网络控制系统[J] 铁道机车与动车. 2017（01）