传统地铁列车控制电路大多采用有触点继电器实现，但面临一些问题，如硬线控制电路没有采用冗余设计，存在单点失效隐患，一旦控制回路中某个关键节点继电器出现卡位、不吸合等故障，就会引起整条回路控制失效，严重影响列车安全；地铁车辆所处环境复杂，继电器长期处在高温、湿热等工作环境下，其触点老化速度大大加快，严重影响继电器工作寿命；触点继电器触头因电弧烧蚀会造成接触面凹凸不平及毛刺，使面触点变成点触点，导致动、静触头接触不良，严重时导致电路不导通。据统计，地铁车辆控制故障 60% 以上是由继电器故障引起，而且继电器数量众多，分布于各个控制回路，给维护及故障排查工作带来不便。
因此，采用逻辑控制单元 LCU，利用光耦和场效应管等无触点控制电路取代传统的中间、时间继电器等有触点电路，通过软件逻辑实现地铁车辆接触器和电空阀等元件的控制和驱动，可有效降低运营维护成本、降低车辆故障和风险。而且 LCU 采用热备冗余控制方案，工作系故障后，热备系会快速切换至工作状态，大大提高了车辆运行的安全性和可靠性。
LCU 作为车辆逻辑控制执行单元，主要由输入单元、逻辑处理单元和输出单元组成。输入单元主要采集司控器、按钮开关等硬线 110 V 指令，以及断路器、隔离开关、接触器等辅助触点反馈信号；逻辑处理单元主要完成逻辑运算、逻辑控制、故障保护、数据记录及故障诊断、与列车控制网络 TCMS 通信等功能；输出单元则通过光耦和 CMOS 管（互补金属氧化物半导体）驱动接触器、电磁阀、门控器等车辆负载，并具备过流及短路保护功能。LCU 功能框图如图 1 所示。
图1 LCU 功能框图
对于地铁车辆应用场景，逻辑控制单元采用分布式网络架构，其 6 辆编组 LCU 系统拓扑图如图 2 所示。每列车每节车厢设置 1 台 LCU，通过以太网或多功能车辆总线MVB 与列车网络控制系统 TCMS相连，相邻车厢间LCU 通过以太网或控制器局域网络 CAN 网络相连，构成 LCU 内网。
根据以往的设计经验来看，城市居民供水系统多会采取管道分流方式，从城市给水系统中分流至各大住宅小区当中，目的在于及时供给人们日常饮用水源。针对于此，建筑施工单位在进行给排水设计过程中，需要在住宅小区的管道处安装倒流防止阀装置，这样做的主要目的在于避免水流出现严重的倒流问题，造成供水压力的明显提升。
图2 LCU 系统拓扑图
LCU 机箱根据项目需求，配置 2 块电源板、1 块通信板、2 块主控板，以及若干数字量输入模块、数字量输出模块和模拟量采集模块。机箱配置如图 3 所示。
LCU 采用热备冗余设计，包含 2 组（A组和 B 组）功能相同的控制系统。当 1 组LCU 控制系统发生供电故障、控制模块故障、输入输出模块故障、通信故障时，另1 组能够自动切换，接管工作。
图3 LCU 机箱配置图
LCU 采用热备冗余控制方案，具备 2 套一样的电源板、主控板、输入板和输出板。正常运行过程中，2 组板卡同时工作，但只有主板卡进行逻辑输出，热备板卡监控主板卡工作状态。当主板卡发生故障时，进行无缝切换，热备板卡接管工作（图 4）。
LCU 支持 IO 板卡二乘二取二架构，每个功能模块由 4 套独立冗余的电路组成，按照安全设计进行串、并联接线，并协同控制。2 套为 1 组且单组配置独立的诊断模块，对组内板件进行故障诊断（图 5）。
图4 热备冗余设计
图5 二乘二取二冗余设计
LCU 电源分为 A/B 2 组冗余供电，A 组电源板给 A组板卡供电，B 组电源板给 B 组板卡供电。每组电源板均具备过欠压保护、过温保护、短路保护、自检及故障自恢复功能，并设有状态指示灯，便于查看电源板输入和输出状态。
5.犊牛地方流行性肺炎。在鼻腔、咽、喉可见急性、卡他性炎症。腔窦内有渗出物和血液。扁桃体肿胀、充血。支气管黏膜肿胀、出血，支气管腔常充满纤维蛋白、粘液和血液的混合物。在肺切面上，可见肺炎区与健肺交界处水肿。肺小叶与纤维蛋白粘连。胸膜上有许多出血点。纤维素性心包炎。慢性感染时，肺小叶纤维化。
冗余电源板外部电源输入母线完全独立，并在远端设置独立的控制开关（如空气开关），保证 1 组输入母线故障情况下，LCU 仍能正常工作。
一天课间，班主任将一张印有小象图案的明信片交给了安吉。卡片上说，小象在玫瑰岛生活得很好，工作人员会好好照料它的。
DI、DO 板卡均由冗余的 2 块板卡组成。2 块冗余 DI 板卡接收同一数字量信号，并带有自诊断模块，触发自诊断时，可对 DI 通道进行故障判断。主控板通过 CAN 获取 2 块 DI 板采集信息，并周期对比 2 组输入信号，若对比不一致，则判断自检信号，自检故障一路为故障通道，触发冗余切换。
2 块冗余 DO 板卡通过 CAN 获取主控板输出控制指令，进行并联输出。DO 板卡具有输出检测电路，具备过流及短路保护功能，若检测到通道故障，则第一时间进行保护，并上报故障至主控板，由主控板执行切换功能。
如图1所示，水源从进水管进入，由于水流量较大，当水流进到筒体冲击筒体底板再反冲到过滤钢板，这样就形成翻滚式［4-5］的水流，形成“旋涡”式的水源，由于水流翻滚不断，过滤钢板倾斜放置，翻滚水流不断“冲洗”过滤钢板，这样就形成了一个水流内循环，起到自我清洗过滤钢板作用，并且水中的杂质，比如树叶、树枝等杂质基本都漂浮在水表面，过滤板上部三分之一没开孔就阻止了杂物通过过滤钢板，由于有2层过滤板并且错开布孔，这也进一步拦截了杂质，当清水泵停止运行时，定期打开排污阀，打开进水管闸阀，筒内杂物顺着水流全部排出［6］。
在“南航”读完学士、硕士，又到“上海交大”读完博士，再到“北京大学”博士后出站；一直坚持“计算机软件开发、研究”的梅宏，1999年3月，到美国贝尔实验室作访问科学家。
对于同一输入信号，二乘二取二输入单板分 4 路进行采集，通过 CAN 分别传递至 2组主控板，并具备通道自检诊断功能。输出单板则分 4 路进行输出，2 路串联组成硬线表决电路，并与另外 2 组并联输出，同时将输出信息反馈至主控板，由主控板进行故障判断及冗余切换。
背板采用双 CAN 总线冗余设计，所有板卡均通过 2 路 CAN 总线进行数据交互。当一路总线异常时，另一路仍能保证通信数据的有效性。通信协议栈中内置确认握手机制及数据校验，可保证数据传输的准确性。
LCU 软件系统分为运行系统与开发系统 2 部分，其系统软件架构如图 6 所示。
噬菌粒被认为是一种有效的递送方式，因为已有研究证明其可以有效地将针对特定DNA序列的RNA引导的核酸酶递送到细菌细胞中。然而该途径受限于噬菌粒具有与它们来源的噬菌体相同的窄宿主范围的事实。这大大限制了可以接受CRISPR/Cas质粒的细菌种类的数量，因为只有那些表达合适噬菌体受体的细菌对噬菌粒敏感。
图6 LCU 系统软件架构图
3.1.1 LCU 运行系统
作为 LCU 底层控制软件，LCU 采用实时性较好的QNX 实时操作系统，具备通信管理、任务调度、逻辑控制、数据存储、在线调试等功能。通过与上位机连接，可进行日志下载、故障分析、实时波形显示、历史 IO 时序分析，并支持变量观测、强制等功能。
采用GE OPTIMA660 64层螺旋CT机，自胸廓入口至膈肌横断面行常规胸部平扫20例，平扫加增强扫描32例，扫描参数设置：电压为120 kV，电流为200 mA，层厚为5 mm，螺距为1～3，时间为27 s，部分患者病灶区加2～3 mm厚层扫描，增强扫描时，经肘静脉注射80～100 ml 碘海醇(300 mg/ml)，流速为3 ml/s，扫描时间为38 s。
3.1.2 LCU 开发系统
人体脊柱出现损伤后便有可能导致脊髓神经压迫,从而对患者运动功能造成不良影响。传统固定方法虽然具有一定的治疗效果,但脊柱损伤患者受伤位置难以复位,且患者预后效果相对不足。在脊柱损伤疾病治疗方面,经椎弓根固定方法具有一定的优势,患者术中出血量与创伤都相对较小,且螺钉固定效果较好。另外,术者可以通过经椎弓根螺钉固定手段确定脊柱损伤患者螺钉固定位置,有利于提高术者手术治疗效果。
LCU 应用程序开发环境采用 Control Build 软件，支持 IEC 61131 图形化编程语言，可利用梯形图、功能块图等标准编程语言编写控制应用程序，具备开放的满足行业标准的二次开发环境（图 7）。
图7 图形化编程
基于热备冗余控制方案的 LCU 系统软件流程如图 8所示。
（1）系统初始化及配置。主要包括硬件环境启动、驱动初始化、QNX 运行环境启动（内核、文件系统等）、硬件资源获取（机箱编码、槽位信息等），以及系统参数配置。
（2）输入输出管理。主系和热备系均进行输入采集、逻辑处理，但只有主系执行控制输出。
（3）系统冗余切换。热备系通过诊断链路，实时监视主系工作状态。若主系故障，热备系需快速升为主系，保证 LCU 正常运行。
图8 系统软件流程图
厦门地铁 2 号线在 2 列列车上安装无触点逻辑控制单元 LCU 来代替部分继电器，实现车辆控制。
根据 LCU 技术参数要求，负载电流大于 2A 的电路（如窗加热、客室内照明），电源性质不同的电路（如动力供电回路的 AC380V 交流继电器）、安全等级要求 SIL4 的电路、交流回路等，不适合使用 LCU 代替。根据其他地铁项目应用经验以及厦门地铁 2 号线基础编组控制电路，2 列 LCU 代用继电器范围集中在 20 和 44 功能组，这 2 个功能组中除列车激活相关继电器、紧急制动继电器、零速继电器、涉及给信号系统输入的继电器、备用模式继电器等继电器外，均用 LCU 代替。
厦门地铁 2 号线 2 列列车的 LCU 是作为原继电器硬线逻辑功能的对等替换，其职责严格遵循硬线逻辑的角色划分。它不与 TCMS 系统进行功能的混合，其独立于 TCMS 的逻辑控制，在 TCMS 系统异常时，其依然能够维持车辆基本动车功能。
厦门地铁 2 号线列车采用“TC1+MP1+M1+M2+MP2+TC2”6 节编组配置，整车LCU 需要采用分布式控制，两端司机室各部署 2 台 LCU，4 个客室车厢各部署 1 台 LCU，共 8 台 LCU，组成结构如图 9 所示。整车所有 LCU 均具备 MVB 网络及以太网络 2 种与 TCMS 通信的接口功能。
图9 整车 LCU 和网络部署
软件逻辑测试主要由通信、列车逻辑、接口功能、冗余等 4 个部分组成，以提高 LCU 的稳定性和准确性，确保列车的安全。测试内容及要求见表 1。
本文针对地铁车辆传统有触点控制回路的缺点，进行了基于热备冗余控制方案的地铁车辆逻辑控制应用研究。通过 LCU 系统方案研究、硬件冗余设计、软件冗余设计，以及采用软逻辑代替硬逻辑、LCU无触点代替传统继电器触点，有效地降低了运营维护成本，大大提高了地铁车辆逻辑控制回路的安全性及可靠性，提升了车辆智能化及信息化水平。
表1 软件逻辑测试内容及要求
测试项目 测试内容 测试要求通信功能单个 LCU 内部通信 功能板能与主控板正常通信LCU 模块组级联通信 级联机箱的各业务板能与主机箱的主控板正常通信列车逻辑升弓、降弓 功能正常空气制动施加、缓解 功能正常司机室占有 相关功能正常门控开关 门控控制正常门控监测 门控相关功能正常ATC 切除 牵引、制动功能工作正常ATC 制动 牵引、制动功能工作正常快速制动 功能正常车间电源 功能正常警惕功能 功能正常钥匙解锁 功能正常向前、向后控制 功能正常紧急停车 功能正常接口功能 可通过 USB 维护口进行日志下载 能够记录至少 24 h 的日志信息，记录变化的数据时间间隔不大于 100 ms 可通过 ETH 进行大容量日志数据下载 可通过 ETH 进行整车大容量日志数据的下载，可记录至少 3 个月的日志数据冗余单板冗余切换 可以自动实现主板和备板切换，在主板判断到故障后，备板可以自动升到主板通信冗余 2 路 CAN 同时通信，当检测到 1 路通信中断时，不进行切换，保持单线通信；当冗余的 2 路通信均故障时，进行降备导向安全处理
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