和諧號動車組制動系統故障再現及分析

曹宏發，喬 峰，溫熙圓，安志鵬

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國北車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

和諧號動車組制動系統直接關系到列車運行安全，制動能力須滿足列車制動距離的要求，制動系統須保證列車可靠的的制動作用和管理，制動系統須具有故障導向安全控制功能。這些都要求制動系統必須具備良好的故障診斷能力和故障存儲功能，可確認、評估、報告在制動系統各種工況下的各種故障，包括故障對系統自身以及對其他系統的影響，早期發現故障及其原因，并能預報故障發展趨勢。

和諧號動車組制動系統涉及流固熱耦合、材料、熱機疲勞、電子技術、控制技術、軟件科學等，是一個十分復雜的系統。同時和諧號動車組制動、牽引、列車控制系統等各主要系統之間通過列車網絡、硬線等，有機組合為一個整體，各系統之間有著直接或間接的作用和影響。列車級的故障診斷和故障導向安全設計功能，使得各個系統的故障均將有可能引起列車級的聯鎖動作與控制，以保證列車受控的安全運行，包括故障情況下的列車自動限速運行。這些都增加了故障的復雜程度和故障排查難度，在分析故障原因時，將需要在現車或者利用試驗臺等可靠性試驗手段再現故障發生的工況，排查故障的根本原因從而消除故障隱患。

1 良好的故障診斷能力是故障再現和分析的基礎

隨著微電子技術、計算機技術、嵌入式技術、自動控制技術等在和諧號動車組制動系統的廣泛應用，使得制動系統具有強大的信號分析與數據管理功能，能全面記錄反映系統運行狀態變化的各種信息，實現故障的精確診斷。同時，隨著網絡技術的發展，強化了和諧號動車組列車級故障診斷和遠程分布式監測診斷系統的功能。

1.1 制動系統的故障診斷體系

和諧號動車組制動系統具備良好的故障診斷能力，能夠對系統運行狀態和異常情況作出判斷，為系統故障恢復提供依據，以便故障快速定位和維護。制動系統的運行故障數據在自身存儲的同時，經列車網絡實時傳輸至列車診斷中心，列車診斷中心的故障數據經遠程傳輸系統傳輸至地面服務中心，用于制動系統的故障處理、維護檢修等。同時列車診斷系統同時也將列車的狀態、故障信息實時傳輸給制動系統，用于制動系統的聯鎖診斷和故障導向安全控制，制動系統自身存儲的故障數據也可經系統維護終端監視、下載，用于故障定性分析、定位查找。

1.2 制動系統的故障診斷任務

和諧號動車組制動系統可確認、評估、報告在各種工況下的各種故障，包括故障對系統自身以及對其他系統的影響。在發生制動系統故障時，對故障類型、故障部位及原因進行診斷，最終給出解決方案，實現故障恢復。制動系統的故障診斷包含3種操作模式。

（1）開車前的系統檢查

動車組開車前，需對制動系統進行自動或手動的制動測試，用以檢查列車制動系統的工作狀態，包括緊急制動功能、常用制動功能、緊急制動安全環路狀態等。檢測結果傳給動車組列車中央診斷系統并存儲，同時將制動測試結果提供給司機或操作人員。

（2）動車組運行過程中的實時診斷

動車組在運行過程中，有關運行參數、過程數據、故障數據經由MVB接口實時傳輸至中央診斷系統，用于實時監控列車狀態并報告發生的故障和錯誤。當檢測到制動系統故障時，列車將根據故障等級自動進行“故障－安全”控制，保證列車安全、受控地運行。列車診斷系統將故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司機、列車員，便于采取相關的補救措施。

（3）系統檢查和維修時的診斷

在制動系統例行的檢查和維護過程中，制動系統提供的診斷信息、數據可對維修人員提供支持，為此制動系統滿足下列診斷要求：

①制動系統提供的診斷信息可被維修人員讀取并參考；

②制動系統的診斷報告為系統檢查和維修提供指導方法。

圖1 和諧號動車組制動系統的故障診斷體系

1.3 制動系統的故障分級管理

制動系統的每個診斷事件都有對應的維修優先級見表1。和諧號動車組制動系統，根據故障發生時的工況和故障部位對運營成本的影響，設定了5個不同的運用維修優先級。優先級最高級為暫停運營，最低為在下一次專項修時進行故障處理。

表1 制動系統診斷事件的運用維護優先級

1.4 制動系統的故障診斷系統性能指標

制動系統根據實際運用條件來分析判斷哪些性能是主要的，哪些是次要的，然后對診斷結果進行分析，經過適當的取舍后得出最終的診斷結論。評價動車組故障診斷系統的性能指標有：

（1）故障辨識能力。制動系統的診斷系統具有良好的故障辨識能力，便于對故障評價和指導維修。

（2）故障分離能力。制動系統的診斷系統能夠對不同故障進行區別，實現故障的精確定位。

（3）故障檢測的及時性。在制動系統發生故障后，故障診斷系統能夠在最短時間內檢測到故障的能力。

（4）故障的誤報率和漏報率。誤報指制動系統沒有出現故障卻被錯誤檢測出發生故障；漏報是指自動系統發生故障卻沒有被檢測出來。和諧號動車組可靠的故障診斷系統能盡可能使誤報率和漏報率最小化。

（5）魯棒性。是制動系統的診斷系統在存在噪聲、干擾等的情況下仍能夠正確完成故障診斷任務，同時保持低誤報率和漏報率的能力。

（6）自適應能力。制動系統的故障診斷系統對于變化的被測對象具有自適應能力，能夠充分利用變化產生的新信息來改善自身的診斷結果。

2 現車故障再現與分析技術

和諧號動車組是制動系統、牽引系統、列車控制系統、轉向架系統等諸多復雜系統的有機結合體，制動系統本身涉及諸多學科、多組份模塊、多種控制功能和控制方式等，是一個十分復雜的系統。為保證列車安全受控的運行，和諧號動車組采用了交互式診斷技術，實現多系統間的信息共享和互操作，各個系統的故障均將有可能引起列車級的聯鎖控制與保護，從而增加了故障的多樣性和故障排查難度。為排查故障的根本原因從而消除故障隱患，需要針對現車故障采用數據分析和提取技術、甚至現車故障模擬技術來再現故障發生時刻的情景。

2.1 現車故障數據提取與分析技術

制動系統的故障診斷結果通過列車網絡系統發送到列車中央控制單元，供不同的對象使用。在制動系統發生各級故障的時候，將通過列車自動限速運行或者安全停車，以保障行車安全。采用現車故障數據分析和提取技術，能夠還原故障發生的時間、故障出現時系統的狀況、故障經過、故障的原因、故障特征和效果等，從而為故障定位和維修奠定基礎。以某型車為例，在試運行過程匯總共發生列車4次停車故障，最終提取了制動系統、列車控制系統、人機交互系統等所有相關系統的故障記錄，進行故障匯總和深入分析后將故障定位為制動系統產生了車輪處于抱死狀態的警告，從而導致前3次列車自動施加最大常用制動，最后一次因產生司機報警信息而人工停車。車輪處于抱死故障排除后，列車繼續投入了正常運用。

圖2 現車故障提取與分析實例

2.2 現車故障模擬技術

和諧號動車組制動故障診斷系統，可對系統級和部件級的功能、性能和工作狀態進行診斷，可確認、評估、報告在各種工況發生的多數故障。制動系統是一個復雜的系統，產生同一故障的環節較多，如制動系統電子制動控制單元通訊故障可能涉及到內部所有控制板的工作狀態。由于列車在實際運用過程中，工作環境和列車操作狀態等會實時發生改變，從而導致制動系統的某一故障只有在特定的條件下才能夠出現。因此有些故障需要結合現車模擬技術，才能查找故障的根本原因。以某型車為例，制動系統報告其控制系統通訊異常，從而導致列車限速運行，經現車故障模擬與深入分析，確認該故障是由某擴展接口板工作狀態不穩定導致。

圖3 現車故障模擬實例

3 試驗平臺故障再現與分析技術

和諧號動車組制動系統應用車載診斷技術，通過故障容錯控制技術、信息處理技術和故障診斷模型等快速準確識別故障并判定故障位置，盡可能在故障剛剛發生時就能識別，自動收集故障原因，用數據和量化的方法分析和診斷故障，大大提高了工作效率。但是對于一些復雜故障，特別是在現車難以模擬的故障，可通過試驗平臺中的制動系統綜合試驗臺、部件試驗臺、硬件在回路仿真平臺來進行故障在線、模擬與分析，避免了現車故障模擬帶來的高成本和長試驗周期等問題。

3.1 利用制動系統綜合試驗臺進行故障再現和分析

制動系統綜合試驗臺以實際8輛編組的動車組制動系統為基礎進行配置，主要由列車級、車輛級控制系統和基礎制動裝置組成，能夠充分反映和諧號動車組制動系統功能、性能以及零部件的真實情況。

對于現車的復雜故障、疑難故障、系統故障，應用制動系統綜合試驗臺進行故障模擬、再現和分析，能早期發現故障成因，并能預報故障發展趨勢。通過制動系統試驗平臺研究故障發生機理并對現車提出有針對性的改進建議，進一步提高制動系統的固有可靠性，從而保證和諧號動車組制動系統運行的安全性與可靠性。

圖4 和諧號動車組制動系統實尺試驗臺

3.2 利用制動系統部件試驗臺進行故障再現和分析

和諧號動車組制動系統應用車載診斷技術能夠快速準確識別故障并判定故障位置，向維修人員提出指導建議。但是對于諸如制動盤和閘片等與運用工況、環境密切相關核心部件，以及中繼閥、溢流閥等結構復雜的氣動控制類元件等，明確故障成因則需要專用的部件試驗臺來完成。利用安裝在部件試驗臺上的傳感器、計算機等監測裝置或監控系統，實時記錄監測點的性能參數，再通過計算機分析處理，來確認部件的故障點。

圖5 一種和諧號動車組制動系統部件試驗臺

利用制動系統部件試驗臺可進行關鍵部件的功能試驗、性能試驗、可靠性試驗、疲勞試驗等。對于故障部件和元件，采用性能參數分析法和部件分解法等試驗方法和手段，排查故障根本原因。對于典型部件故障可通過改進與優化設計，增強其固有可靠性。

3.3 利用制動系統硬件在回路仿真測試平臺進行故障再現和分析

對于制動系統的故障，很多環境條件無法再現的，抑或要付出高昂的代價，如不同工況，不同環境（雨、雪、風、冰等）下的測試，如果用真實的動車組必然要花費相當長的時間，付出高昂測試費用。硬件在回路仿真平臺（HIL）是一整套計算機輔助測試的工具和方法，通過HIL系統可以在虛擬環境中對制動系統及軟件進行大量故障試驗，而無需真實的高速動車組或制動系統原型。這種試驗系統性強，成本低，而且非常安全，即使測試中超過極限條件，也不會造成任何損壞。并且可以模擬制動系統不同的工作環境和工作條件，自動的對控制系統進行全面批量測試。

硬件在回路仿真平臺屬于半實物仿真。半實物仿真是目前流行的對復雜系統進行研究和開發的手段，半實物仿真即避免了全虛擬仿真帶來的眾多參數的選取獲得和復雜實物系統難以模擬的問題，又解決了全部采用實物試驗帶來的高成本和長試驗周期的問題。在建立制動系統的虛擬仿真模型基礎上，通過通信協議和硬件進行聯合的半實物仿真，然后在硬件在回路仿真測試系統中進行典型的故障注入來測試系統對故障的響應和處理能力。

圖6 制動系統硬件在回路仿真測試平臺

4 結論

和諧號制動系統具有良好的故障診斷和故障導向安全控制功能，與動車組其他系統之間采用了車載交互式診斷技術，即使制動系統出現故障，也能保證列車安全停車，或在可控狀態下安全運行。

針對和諧號動車組制動系統的現車故障再現和分析技術，能夠真實的還原故障發生時的工況、故障經過、故障的原因、故障特征等，從而指導故障定位和維修。

針對和諧號制動系統的復雜故障、疑難故障等，結合試驗臺等故障再現和分析手段和方法，可排查故障原因并消除故障隱患。

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