上海轨道交通5号线车载广播系统关键部件改造方案的研究与实现

2018-11-02夏海兵

城市轨道交通研究 2018年10期

夏海兵

(上海地铁维护保障有限公司车辆分公司,201109,上海//工程师)

上海轨道交通5号线AC11型电动列车广播系统采用的是阿尔斯通的产品，目前已在线使用10多年。系统设备老化、故障多，备品备件采购困难，功能难以满足运营的新需要。本文在分析原有系统的基础上，提出了改造方案，替代原有系统，增加了新的功能，以满足运行需求。

车载广播系统改造总体思路为:①若原车线缆无故障且满足现场要求时，利用原车已有线缆; ②不改变车载系统与广播系统的电气和机械连接方式;③功能覆盖原广播系统;④采用进口工业级器件，系统设计模块化，整个广播系统功能和性能优于原广播系统;⑤采用模块化设计，使修改、升级和维护费用低，操作方便;⑥具有故障检测功能;⑦广播系统发生故障时，不影响司机控制台和其他设备，故障范围不会扩大。

1 上海轨道交通5号线列车广播系统分析

1.1 系统结构分析

音频系统的结构布置图见图1,原理图见图2。

现有广播系统由以下部件组成：①ACU(音频通信单元)，安装于每节Tc(带有司机室的拖车)车各1台；②具有DVA(数字语音广播)功能的MPU(主处理单元)，安装于每节Tc车各1台；③PECU (乘客紧急呼叫单元)，每节Tc车和Mp(动车)车安装3台；④司机室各安装1台麦克风和1只扬声器；⑤各客室安装6只扬声器。

ACU通过5条二进制输入/输出列车线和调制列车线实现如下广播功能：公共广播(PA),数字语音广播(DVA),乘客紧急呼叫(PEC),司机室通话。5条二进制输入/输出列车线为：PA请求列车线,乘客紧急呼叫通信(PEI)请求列车线,PEI响应列车线,司机室通话响应列车线,司机室通话请求列车线。

1.2 系统功能分析

(1)PA:图3为PA示意流程图。司机按下PA按钮,司机室麦克风连接到音频列车线;各车厢PECU的扬声器连接到音频列车线;通信线路建立后，司机即可对各车厢播音;司机松开PA按钮，司机室麦克风、各车厢扬声器均与音频列车线分离，通信即结束。

(2)DVA:图4为播音过程示意图。本系统数字广播信息存储于MPU中，经司机选定播报线路，由TMIS(列车信息管理系统)自动触发。

(3)PEI:图5为PEI过程示意图。

图1 5号线车载音频系统结构布置图

图2 5号线车载音频系统原理图

图3 PA示意流程图

2 改造技术方案及实现

2.1 改造技术方案

经分析和调研，需要改造的对象为ACU,其改造原则为：原有物理接口不变,原有控制协议不变,原有功能不能少,原物理尺寸不变。

经对原有广播系统功能进行分析，重新设计ACU结构，包括音频处理单元、接口处理单元、通信单元、中央处理单元、电源模块、功放模块。ACU组成结构如图6所示。

注:RIOM为输入输出设备图4 播音过程示意图

图5 PEI过程示意图

对ACU设计如下:

(1)接口单元设计。采用稳压管与光电隔离器的新型设计方案，采集外部输入信号供CPU(中央处理单元)处理。接口电路原理图如图7所示。

(2)音频处理单元设计。采用集成运放和先进数字音频处理器，对各路音频信号进行预放大和选择处理。音频处理电路原理图如图8所示。

图6 ACU组成结构

(3)电源处理单元设计。采用国际先进的开关电源设计方案，列车提供DC 110 V的电压作为输入，输出多路电压给各系统使用。允许输入区间为DC 77 V～DC 137.5 V，输出功率各为150 W，输出效率大于85%,并具有输入过压、输出过流、输出短路保护等功能。电源参数详见表1。

(4)通信部分设计。通信原理如图9所示。

图7 接口电路原理图

(5)中央处理部分设计。CPU部分采用嵌入式处理器对输入、输出信号进行处理，其具有低电压、低功耗、稳定性高等特点和片内集成程序跑飞处理、过流过压保护等功能。中央控制单元原理如图10所示。

(6)音频功率放大处理部分设计。采用稳定的集成功放芯片对输出信号进行放大处理，具有低电压、低功耗、稳定性高、过流过压保护等特点。音频功率放大原理如图11所示。

2.2 改造方案的实现

2.2.1 执行标准

TB/T 3058—2002《铁路应用-机车车辆设备-冲击和振动试验》;GB/T 17626.4—2008《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》;GB/T 17626.5—2008《浪涌抗扰度试验》;GB/T 17626.11—2008《电压波动试验》;TB/T 2402《非金属材料阻燃要求》。

2.2.2 工作条件

该设备安装于地铁列车上。工作环境温度-20 ℃～+55 ℃。最大月份平均最大相对湿度不大于99%。存储温度-20 ℃～+55 ℃。

2.2.3 技术参数

输入电压DC 76～158 V。列车输入控制信号电压DC 110 V。列车输出控制信号电压DC 110 V。列车音频信号幅度20 dBm(100 Ω),3.2 V。司机室功率输出2×9 W(4 Ω)。客室功率输出3×9 W(4 Ω)。温度变化率2%。机箱尺寸265 mm×245 mm×78 mm。冷却方式自然冷却。工作温度-20 ℃～+55 ℃。相对湿度99%。

图8 音频处理电路原理图表1 电源参数表

项目参数值或说明输入额定电压DC 110 V允许输入电压范围DC 77 V～DC 137.5 V输出电压DC 24 V电压设定精度额定负载、输入额定电压、输出电压应符合24×(1±0.01) V线性电压调整率额定负载、输入电压从DC 77 V调至137.5 V,在整个电压变化范围内,输出电压变化率≤±0.5%负载调整率额定电压输入、负载从10%调至100%,输出电压变化率≤±2%输出纹波及噪声≤±1%冗余特性电源内部由150 W回路组成,只有一个回路损坏,另一个可正常工作功率测定总输出功率150 W电源效率≥85%输入过压保护点电压≥170 V,电源停止工作,故障排除后,电源恢复正常工作输出短路保护输出短路,电源停止工作;排除短路故障,电源恢复正常工作输出过流保护输出电流过大时,超过限值,停止输出,排除故障后,电源恢复正常工作过热保护电源控制芯片90 ℃自动保护,降温后自动恢复冷却方式自然冷却

2.2.4 系统软件

系统软件采用C语言编写，主要功能有通信、磁盘管理和解码播放。软件流程如图12所示。

2.2.5 系统协议

全车采用FIP(文件传输协议)网络进行通信，底层采用RS485通信协议。

2.2.6 新功能

除原有系统功能外，改造后系统增加了OCC(运行控制中心)通信功能，总调度可通过无线列车调度电话，对列车车厢进行应急广播。

经对原有广播系统功能进行分析，决定在司机室ACU增加一个OCC音频输入通道和OCC控制信号输入通道。从上述对原系统的分析可知，ACU侧，音源输入只有两路，即司机麦克风输入和数字语音DVA输入，ACU直接控制公共列车线和调制音频列车线。新功能直接利用现有列车总线。本设计的关键是解决新增电路和原系统的接口问题。

通过对原系统的分析，新增的OCC接口设计如下：正常情况下，新增电路内部电子开关倒向ACU，新电路不影响原系统功能;当需OCC广播时，司机按下面板上的OCC广播按钮，内部开关倒向新电路，新电路使OCC线有效，ACU接收OCC广播的内容，该内容输出到列车音频调制线上。