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0 引言
地铁出行逐步成为城市居民的主要交通方式，如何保证和持续提高其运行的可靠性一直是行业研究的重点。逻辑控制单元（LCU）的出现为解决该问题提供了一种重要手段。LCU 采用无触点技术，具有寿命长、冗余性高等特点，主要用于替代传统电气回路中的中间继电器，具备逻辑控制、I/O 输入、输出和通信等功能，且其I/O 驱动性能相较列车控制控制系统（TCMS）的I/O 单元有所提升[1]。据统计，在国内新开通的地铁线路车辆项目中，LCU 的应用率已经超过60%。 但是，在既有的LCU 应用项目中，由于LCU 和TCMS 均具备（承担）I/O 功能且中间车的继电器数量少，单独应用LCU 的成本较高，还会占用额外的空间，一般不在项目中应用LCU，因此会导致列车存在I/O 设备重复设置、LCU 替代继电器比率低、占用空间偏大以及系统控制构架不够简洁等问题。为了解决该问题，考虑将LCU 和TCMS 进行功能融合。该文结合某科研项目设计对融合方案进行详细阐述，并 重点对融合机箱架构、通信策略以及系统应用策略等方面进行描述。绍兴哪个古镇最值得去
1 系统拓扑分析
融合方案主要指将LCU 和TCMS 的I/O 设备进行融合，
TCMS 仅保留主控、存储和显示功能，而LCU 除了承担本地逻辑控制功能外，还承担TCMS 的I/O 功能。融合前后的系统拓扑变化如图1所示。
从设备层面来看，融合方案提升了系统的集成度，利于中间车应用LCU，进而可以进一步降低车载设备的数量，节约安装空间；从通信层面来看，融合方案减少了信号传输节点，可以帮助降低列车牵引、制动等关键控制信号出现传输迟滞的概率，有利于优化列车控制曲线，提高低速段的平稳性，降低全过程能耗，同时还可以改善列车对标表[2]。
2 应用方案分析2.1 系统方案
将该文所述方案应用于某4编组列车，编组形式为TMC-MP-MP-TMC。在TMC 车应用2台LCU，在MP 车应用1台LCU。同时，LCU 融合了TCMS 系统的全部DIMe、DXMe 和AXMe 模块。其中，在TMC 的2台LCU 机箱中，1台机箱主要用于融合原来网络I/O 模块的数据，具体仅负责TCMS 需要的DI/DO 的转发，不对数据进行任何处理，另一台机箱主要用于实现逻辑控制的功能。同时两者公用的I/O 由
其中一台负责采集，并通过车辆MVB 或者LCU 之间的内网传递给另一台，不进行重复采集。
地铁车辆融合LCU智能网络控制系统
应用研究
周根华1 邓长海1 肖 晓2
（1.福州地铁集团有限公司，福建 福州 350004；2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）摘 要：融合LCU 智能网络控制系统主要是指将传统网络控制系统（TCMS）和逻辑控制系统（LCU）进行系统级功能融合，具体是指对I/O 单元进行融合，可进一步提升系统的集成度，优化车载设备的空间占用情况。该文以某项目列车为研究对象，详细阐述了融合LCU 智能网络控制系统在该列车上的应用策略，并重点论述了提高其可靠性的措施，还通过模拟测试的方法，验证了融合LCU 智能网络控制系统各层次故障模式下系统的可靠性情况，可为后续项目提供参考。关键词：LCU ；融合；网络控制系统；可靠性研究；冗余性设计中图分类号： U 231；U 266.2 文献标志码：A 图1 融合方案拓扑变化
网络I/O 单元
中央控制单元
网络融合LCU
中央控制单元
融合LCU （网络I/O）
LCU
车辆硬线电路（开关按钮、指示灯、接触器以及电磁阀等）
数字量输入输出数字量输入输出
网络总线
TCMS
数字量输入输出
模量
输入输出
三门峡值得去的景点
模量
输入输出
网络总线
网络总线
易水湖门票车辆硬线电路（开关按钮、指示灯、接触器以及电磁阀等）
其他车载设备
其他车载设备
仪表司控器信号系统电流环
仪表司控器信号系统电流环
I/O 设备
I/O 设备
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2.2 应用功能设计
LCU 参与控制回路见表1。
表1 LCU 控制回路清单
序号回路类型回路名称
1
高压供电控制
受电弓控制和监视、高速断路器控制和监视以及车间电源
监视2列车控制
司机室占用、方向控制、牵引控制、零速控制、常用制动控制、快速制动控制、摩擦制动监视、停放制动控制、停
放制动监视以及中压母线接触器控制3辅助控制
外部照明控制、内部照明控制、调光控制、空调控制、车
钩控制、车门紧急解锁控制以及轮缘润滑控控制
为了在充分保证车辆在紧急牵引模式下的运行能力的同时不影响列车的安全性，需要使一部分回路仍然采用硬线继电器控制，见表2。
表2 保留继电器控制回路
序号回路类型回路名称
1可用性相关回路紧急牵引控制回路、大旁路控制回路以
及低压供电控制回路2
安全性相关回路
紧急制动控制回路、ATP控制回路
基于以上原则进行LCU 替代应用，全车一共177个继电器，一共替代了89个，替代率为50.3%。另外，融合方案对原IOM 机箱和LCU 机箱需要采集的I/O 进行整合，仅对部分关键I/O 采用2个机箱进行冗余采集，以提高方案整体的可靠性。重复采集I/O 一共58个，融合后仅剩8个，节省率为86.2%。
3 可靠性策略
3.1 机箱架构可靠性策略
LCU 本身采用1oo2D 架构，符合故障-安全原则，安全性满足SIL2级要求。机箱电源、主控、输入以及输出均采用A/B 系冗余设计，任意一系故障都不会对整机运行产生影响。LCU 整体冗余架构如图2所示。
所有I/O 均采用输入侧一分为二的方式进行采集，输出侧采用双通道并联的方式，支持多点故障，例如某一系DI 和另外一系DO 同时故障，此时系统输入输出功能
仍然完整[3]。同时，输入和输出均具备完善的自检和过流保护功能，输出发生故障保护时，对应通道不再输出，导向安全。
3.2 通信可靠性策略
LCU 除了替代继电器进行基本逻辑控制以外，还替代部分列车线。以“列车停放制动监视”为例，当传统列车采用继电器进行控制时，通过列车线对各个“单车停放制动状态”继电器的触点进行串联，然后驱动头车的“列车停放制动状态”继电器，实现对列车停放制动状态的监视。而该项目则是在各个车LCU 机箱采集到“单车停放制动状态”后，通过MVB 通信传输给头车LCU，由头车LCU 机箱进行组合逻辑控制[4]。
同时，在各车LCU 机箱之间设置冗余以太网内网，如图3所示。这样即便在列车TCMS 故障、MVB 通信无法建立时，LCU 机箱之间仍然可以通过内网传输数据，确保列车级逻辑控制可以正常执行。
3.3 系统应用可靠性策略
3.3.1 关键回路冗余监视和控制
考虑最严苛情况，即任一单机箱仍然存在完全故障的情况（机箱热备冗余的两系同时故障）。在系统应用设计上，以避免救援，使列车在任一单点故障时仍然具备动车能力为设计原则[5]。因此，仍然保珠穆朗玛峰旅游景点
留部分关键信号的冗余采集；同时，对个别关键信号采用2机箱冗余并联输出[6]。
关键回路冗余输出控制主要是为了使列车维持基本动车能力，避免因单机箱完全故障而引起救援[7]。
3.3.2 紧急牵引说明
紧急牵引主要在列车TCMS 网络系统故障时启用，例如发生操作端HMI 黑屏、AXMe 故障等。牵引和制动系统在收到紧急牵引指令时，将不再信任来自于TCMS 系统的任何指令，包括牵引制动命令、牵引制动级位、方向和司机室占有等，而是通过其硬线I/O 采集的牵引制动命令，并以固定
图2 机箱冗余架构
DI DI
DI
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MCU MCU MCU CPU CPU MCU DI 注：DI 为数字量输入；MCU 为微处理单元；DO 为数字量输出；CPU 为中央处理器；MVB 为多功能列车总线；ETH 为以太网。
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的级位进行牵引或制动，以维持列车的基本运行能力。对该项目来说，由于各LCU 机箱之间有内网，在TCMS 故障时，跨车信号可以通过内网维持传输，不影响其控制功能[8]。
4 装车测试
针对上述提高可靠性的措施，在车辆调试阶段进行相应的故障模拟，以验证对应故障工况下系统功能的维持情况。
4.1 模拟LCU 单系故障
单个LCU 机箱通过两系控制电源独立供电，任一系供电故障，机箱正常工作不受影响。此处，以“列车停放制动监视”为例，其控制逻辑为1车“本车停放施加=1”& 2车“本车停放施加=1”& 3车“本车停放施
加=1”& 4车“本车停放施加=1”&“司机室占用激活=1”时输出高电平。通过调试软件，模拟各车均已施加停放制动。试验过程中断开A 系电源空开，模拟该系故障的情况，测试输出是否维持[9]
。测试时，即便A 系电源故障，列车停放制动施加输出仍然维持正常，不受影响。
4.2 模拟LCU 单机箱掉线
LCU 机箱之间有以太网内网，在单LCU 机箱与TCMS 网络通信故障的情况下，LCU 机箱仍然可以通过内网传输数据，使列车级控制功能不受影响。仍然以‘列车停放制动监视’控制功能为例，通过断开LCU 机箱的MVB 插头模拟该机箱MVB 掉线，模拟LCU 单机箱MVB 掉线时，列车停放制动施加输出仍然维持正常，不受影响。
4.3 模拟LCU 单机箱故障
主要针对列车紧急牵引功能进行测试。通过断开任意一台LCU 的两系控制电源，模拟该机箱LCU 故障工况，并测试是否能够进行紧急牵引动车。测试结果见表3。
表3 模拟机箱故障试验情况
序号故障工况紧急牵引可否动车
1TMC车LCU1机箱故障是2TMC车LCU2机箱故障是3
MP车LCU机箱故障
是
试验结果证明，LCU 应用设计可以保证任意机箱故障都不会影响列车紧急牵引，充分保证了列车的可用性。
5 结语
该文对地铁车辆融合LCU 智能网络控制系统技术方案进行了说明，尤其从产品建构、通信和系统应用3个层面进行了详细阐述和论证，最后通过模拟测试的方法对方案进行可靠性验证，可为后续更多项目实施提供参考。融合LCU 智能网络控制系统提升了车辆电气系统的集成度，减少了车载设备的数量，节约了设备安装空间，并能够优化列车运行参数，具有良好的推广应用价值。
参考文献
[1]李小庆，吴金贤，李松，等.地铁车辆逻辑控制单元优化设计[J].城市轨道交通研究，2020，23（2）：112-115，120.[2]何晔.地铁车辆控制系统融合LCU 的发展趋势探讨[J].铁道机车车辆，2019（增刊1）：29-31，39.
[3]李天一.地铁列车LCU 逻辑控制系统二乘二取二的两系输入输出交叉冗余复用课题研究[J].中国标准化，2019（增刊2）：235-237，245.
[4]谢志平.地铁车辆的LCU 应用及旁路设计[J].机电工程技术，2019，48（8）：186-187，219.咸宁旅游景点大全排名
[5]傅思良，王文辉.深圳地铁列车LCU 控制电路备用模式方案设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2019，42（4）：40-43.[6]周杨，吕红强，陈煌，等.基于双重模块化冗余技术的地铁列车逻辑控制单元优化设计[J]. 机车电传动，2021（2）：42-51.
[7]汪婷，肖曦，彭冬良.逻辑控制单元输出电路故障原因分析及改进措施[J].机械设计，2020，37（合刊2）：224-226.[8]何晔，袁浩智，彭冬良，等.热备双冗余逻辑控制单元冗余、安全导向及可靠性分析[J].技术与市场，2020，27（11）：13-17.
[9]罗志骁.逻辑控制单元在地铁车辆上的应用及改进措施[J].铁道车辆，2020，58（4）：42-44.
图3 冗余通信架构
TMC 车LCU1TMC 车LCU2TMC 车LCU2TMC 车LCU1
MP 车LCU MP 车LCU 注：ETH 为以太网；TMC 车为带司机的半动半拖车；MP 车为带受电弓的动车。
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