一、概述

1．轨道列车运营现状

目前，传统继电器作为轨道列车整个电路逻辑实现的重要控制器件，主要依靠检修人员的状态普查来确保列车正常运行，不仅占用大量人力物力资源，而且存在诸多不可控因素影响行车安全。随着轨道交通智能化、信息化的不断发展，对列车控制电路提出更高的需求，提升其智能化水平成为目前轨道交通发展的趋势。

2．LCU简介

LCU（Logic Control Unit，逻辑控制单元）采用计算机及网络技术，通过光耦和场效应管等无触点电路替代列车传统的继电器等有触点控制电路，实现列车逻辑控制、故障诊断及综合保护等功能。

光耦和场效应管等无触点电子元件与继电器触点相比主要有以下优点：

1) 元件体积更小，便于集成化，节省安装空间及电缆；

2) 控制灵活，无需向线圈供电；

3) 无触点粘连、拉弧、密封不良等不良影响，环境适应性强；

4) 便于集成检测模块，可在板卡内部处理回路状态数据；

5) 模块化设计便于冗余扩展，可通过软件实现冗余、联锁等逻辑设计。

3．LCU技术在轨道列车上的应用前景

轨道列车上采用LCU技术能够实现智能化运营，在状态监控、趋势预判、逻辑控制、冗余联锁、故障保护等方面提高列车性能。主要体现在以下几个方面：

1) 智能运维，降低全寿命周期成本；

2) 效率提升，模块化设计大大提高生产效率；

3) 性能优化，根据各回路数据进行针对性优化设计；

4) 改造升级，通过更新软件即可实现用户新需求。

二、LCU技术优势

1．实现智能化运维

利用LCU集成度高、体积小的优势，集数据采集、趋势判断、断电复位等功能于一体，将各电气回路的控制置于统一管理之下，主要体现在：

（1）电源管理

采用MOSFET控制各设备电源正负极，不仅控制灵活，便于电源分级管理；而且可以进一步细化保护机制，通过电气参数的变化趋势、相互之间对比分析等措施采取不同的保护措施，进而识别失效隐患，做到提前预警。

（2）故障定位

采用MOSFET管代替继电器触点，并辅以状态监测手段，不仅响应时间快，而且能够捕捉瞬态异常变化提前预警或者及时切断故障回路，从而避免运行过程中发生故障影响运营秩序。

2．提高可用性和可靠性指标

采用LCU技术可以发挥其集成度高、体积小、编程灵活的优点，主要体现在：

（1）多样化冗余联锁手段

控制、采集、数据处理等各项功能可集成在一个板卡上完成，体积小、功能完善，可实现多路冗余设计、比较运算输出等功能，能及时判断故障状态，在确保行车安全的前提下大大提高列车的可用性指标。

（2）方便快捷的测试方法

可在地面搭建整车逻辑电路控制系统，充分验证模拟故障、控制紊乱、正/向逻辑、浪涌冲击、空间耦合等极端情况下的各回路状态，确保控车安全可靠。

（3）海量数据全寿命管理

LCU不仅可以综合处理本车厢的实时数据，为应急处置、检修维护提供支持，也可以在地面服务器集中分析长时间周期内的变化趋势，通过优化算法建立有效仿真模型以指导预防维修工作，从而在全寿命周期内确保列车性能的同时有效降低维修成本。

3．提高生产效率

采用LCU技术后可以将各工序独立开来，从而有效提高批量生产效率。主要体现在：

（1）集成化功能模块

LCU采用标准板卡集成功能模块，可以根据各车厢功能需求将不同板卡集成到标准机箱中，取消了各继电器线圈与触点之间的连线，并且标准化生产也能避免手工接线的失误。

（2）标准化配线接线

LCU控制电路采用脉冲触发，可通过指令编码或者通信协议等方式控制逻辑电路，而且电压制式比较灵活。对于整车而言，采用统一的指令线进行控制即可，无需针对每个继电器线圈单独设置指令线，简化了接线、校线工作量。

（3）智能化批量调试

LCU完善的触发、采集、计算功能可以实现整车调试过程的自动化，借助LCU强大的数据采集功能、辅助以不断优化的电路模型，通过枚举、对比、模拟故障等方式逐一验证不同驾驶模式下的各项功能，同时生成测试报告。

4．功能扩展一键升级

LCU技术的模块化设计将电路控制功能与现车施工独立开来，高度集成化的各功能模块不仅可以在不增加成本的基础上预留足够的功能接口以便扩展；而且控制指令不再依赖各条独立的指令线，功能扩展时无需更改接线，仅软件升级即可完成。

三、LCU技术发展方向及技术难点

考虑到列车控制的可靠性及安全性指标要求极高，LCU代替继电器电路的原则应该是保留继电器电路优点的基础上尽量消除其弱点，不能过分放大无触点器件的优点而导致本末倒置，应重点解决以下几项难点：

1．抗干扰技术

LCU采用低压脉冲触发的形式控制各回路通断，并且由软件算法搭建各回路之间的逻辑关系，考虑到整车电气回路距离长、电磁环境恶劣等种种因素，LCU技术应从各方面提高软硬件抗干扰能力。

主要有以下几个方面：

（1）传输方式

对于实时性要求不高的信号可采用以太网、MVB等TCMS系统常用的通信方式。此类信号主要用于报警、趋势分析等辅助工作，不涉及控车安全，因此可通过数据对比分析、数据校验等方式剔除干扰信号。

（2）硬件系统

LCU采用低压脉冲的方式驱动各逻辑电路，整车的电压波动、浪涌冲击、空间辐射等各种因素都极易误触发此类敏感器件，因此需要在电路板卡层面加强抗干扰设计，增加滤波电路、多路冗余设计等方式确保单点失效后整个系统的可靠性。

（3）软件算法

LCU系统简化的电路模型是一个信号采集->数据处理->判断输出的过程，最显著的特点是数据量大、判断逻辑复杂、响应速度要求高。因此软件算法的开发、验证、逻辑应参考列控信号系统的开发过程，一方面提高软件响应速度，一方面在有效时间内滤除无效信息，确保及时控制各回路通断。

2．大数据处理及趋势预判算法

（1）单车数据处理

LCU可综合管理本车厢各电气回路的状态，通过不断优化数据采集算法，从时域、频域角度筛选数据特征，拟合各回路的仿真曲线，进而推导出各回路的传递函数，从而不断完善各电路模型。

（2）整车数据判断

LCU算法应具备自学习能力，在对整车系统各回路电气特性进行综合判断的同时，不断对比分析不同回路之间的状态差异，从而不断优化整车电气系统动态模型。随着动态模型的不断完善，列车可实现地面调度中心的全息智能化运行，及时掌握运行过程中的异常动态。

（3）趋势变化预测

LCU算法针对某一系统、某一回路进行长时间状态监测及评估，建立单独的全寿命周期模型。通过大数据积累分析、检修维护过程中的现车验证等手段不断优化各系统、各模块的等效模型，从而最终实现故障修/状态修到预防修的转变。

参考文献：

[1]侯文军.深圳地铁列车下一代LCU技术创新方案[J].电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives & Mass Transit Vehicles,湖南:电力机车与城轨车辆,2019.(3):58-62.

[2]王云灏,尹智勇,栾岚.基于LCU的地铁车辆控制电路改造研究[J].铁道车辆 Rolling Stock,山东:铁道车辆,2019.(6):16-19.

作者简介：迟鹏飞（1989-），男，本科，工程师，研究方向：城际动车组整车电气系统集成设计。