和諧號動車組制動系統與其他系統的接口關系

龐玉林，陳 偉，曹宏發，孟紅芳

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

和諧號動車組是我國近年來高速鐵路蓬勃發展的重要成果，其設計水平和裝備制造水平都位于國際領先地位。CRH3動車組具有功能豐富的各類子系統，通過列車通訊網絡（TCN）和硬線互相接口和通訊。作為其關鍵子系統之一，制動系統采用了先進的微機電空制動系統，同時保留備用制動系統，增加了其安全性。根據列車安全運行的總體要求和各子系統實現其功能的不同需求，制動系統與其他子系統的接口也具有特定的方式方法。

1 和諧號動車組制動系統概述

和諧號動車組制動系統主要由制動控制單元、基礎制動裝置、風源系統和制動指令系統等部分組成。制動控制系統采用空氣制動和動力制動相復合、優先使用動力制動的制動模式。

和諧號動車組制動系統的主要功能包括：

（1）實現緊急制動功能，保證安全距離內可靠停車；

（2）常用制動實現正常運營的調速和停車，包括對列車空氣制動力和動力制動力的分配與控制；

（3）停放制動實現坡道上的可靠停放；

（4）車輪滑行保護功能實現對低黏著條件下的制動力施加和防止車輪出現防滑；

（5）相關部件和系統的診斷功能。

制動系統與列車其他子系統的接口也主要圍繞這些功能的實現展開。

動車組的每輛車都配有一套制動控制單元，包含制動系統的控制核心組件——EBCU和PBCU，具有本車空氣制動和動力制動的管理功能。考慮到每輛車的功能差異，制動控制單元的組件和功能也略有區別，圖1給出了制動控制單元的全部功能組件，各制動控制單元根據車輛配置來對這些功能組件進行組合：

圖1 制動控制單元功能組件

制動控制單元的功能結構從硬件上決定了制動系統能夠提供的全部功能、狀態和接口形式，是接口關系分析的基礎。

2 制動系統與其他子系統的接口方式

2.1 通過列車網絡進行數據交互

CRH3和諧號動車組的各控制子系統通過多功能車輛總線（MVB）接入列車通訊網絡（TCN）進行通訊。每4輛車組成的一個牽引單元構成一個相對獨立的MVB網段（即：對于8輛編組的列車而言就有兩個MVB網段）。每個 MVB網段內部，制動系統、列車控制系統、牽引系統和TD－HMI（列車—司機人機接口）等子系統通過MVB總線通信。兩個MVB網段通過網關間接進行通信，網關間通過 WTB總線相連。MVB總線和WTB總線統稱為TCN系統。如圖2所示。值得一提的是，對于制動系統而言，它是由分布于各車的多個制動控制單元（BCU）組成的。

圖2 制動子系統與其他子系統通過MVB通訊

2.2 通過列車安全環路進行故障導向安全控制

和諧號動車組列車配備有緊急制動環路、停放制動監控環路、制動緩解環路、旅客緊急制動環路、轉向架監控環路和火災報警環路，這些環路貫穿全列，都有復雜的連鎖邏輯關系，能夠起到故障導向安全的作用。制動系統通過環路上的繼電器等裝置能夠實時監測環路的通／斷狀態，一旦環路斷開，表示出現了危及列車運行安全的緊急事件，則會立即觸發制動系統動作，自動施加制動減速或停車，從而避免可能出現的危險。

2.3 通過列車線進行停放制動控制等

和諧號動車組列車配備有停放制動施加、停放制動緩解和緊急驅動模式等列車線。列車線傳遞司機的控制指令，不依賴于網絡，其實時性和可靠性更有保障。列車線的高低電平狀態被制動系統接收作為實現相應控制和診斷功能的依據。

3 制動系統與列車控制系統的接口關系

列車控制系統主要負責對列車整體運行狀態（包括網絡通訊系統和硬線回路系統）進行監控和管理，保證列車設備和通訊網絡的可靠運轉，并處理列車異常狀態及多種行車和檢測功能。

制動系統通過列車控制系統可以獲取列車的運行狀態，作為制動系統實現其各種功能所必須的判據，大致包括：

（1）列車運行方向，用于撒沙控制；（2）列車各安全環路狀態及其是否被旁路，用于緊急制動、壓力檢查和自動制動測試（ABT）等功能；（3）司機室占用狀態，用于頭車確立和列車制動管理（TBM）實現；（4）參考輪徑值和列車速度，用于速度計算和防滑計算；（5）各部分的電源供電狀態，用于空壓機管理和停放制動管理；（6）空氣干燥設備狀態，用于空氣干燥設備管理。

制動系統也響應列車控制系統傳來的命令及請求，以實現列車控制系統發起的與制動系統有關的要求，主要包括：

（1）自動制動測試（ABT）；（2）常用全制動請求；（3）緊急制動請求；（4）自動速度控制（ASC）；（5）全列撒沙；（6）BCU 試燈；（7）輔助空壓機控制；（8）ATP制動控制。

和諧號動車組的首要設計原則是＂故障導向安全＂原則，對于制動系統而言，也需要實時對本身系統進行故障診斷，并執行應對措施，因此也需實時獲取列車控制系統傳來的診斷信息，內容主要包括：

（1）各安全環路是否被旁路；（2）列車實際牽引能力；（3）各牽引單元各車UIC編號；（4）停放制動是否施加；（5）輔助空壓機是否可用。

制動系統也通過列車控制系統獲得列車的相關配置信息，用于列車的配置檢查和初始化；以及時間信息，保證制動系統與列車的時間同步。

與此同時，制動系統也向列車控制系統報告其當前工作狀態，供列車控制系統實現相應功能，主要包括：列車管壓力、主風管壓力、制動控制器設定、緊急制動狀態、空氣制動狀態、停放制動狀態、乘客緊急制動狀態、備用制動狀態、空氣制動能力發揮比率、含負載的列車車質重、各轉向架加速度、防滑系統狀態、速度傳感器狀態、各軸工作狀態和參考軸實際速度等。主要用于列車系統執行列車自動速度控制（ASC）和實施緊急制動時的判據；另外通過掌握這些狀態信息，列車控制系統可以完整地監控制動系統工作狀態，實時進行故障診斷和處理。

4 制動系統與牽引系統的接口關系

制動系統與牽引系統的接口主要目的是實現空氣制動／再生制動的復合控制功能及其相應的防滑控制功能。空電復合功能統一由制動系統進行控制，而空氣防滑控制和電制動防滑控制則分別由制動系統和牽引系統各自管理，以協作形式實現列車的防滑功能，共同保障列車的制動安全。

制動系統通過牽引系統可以獲得電制動的可用功率和執行狀態等信息，包括：逆變器是否激活、動力單元工作模式（牽引／制動）、是否響應了電制動減小命令、當前各動力單元最大電制動能力和實際發揮電制動力等。這些狀態和數據信息經制動系統處理，被用于空氣制動／電制動復合制動的管理，以及以空氣制動為主的防滑管理。

另一方面，牽引系統也響應制動系統發出的控制指令，包括：各動力單元電制發揮比例的設定值反饋、動力單元激活電制動模式、緊急制動、防滑動作等。

牽引系統還需要從制動系統獲得相關工作狀態，以實現對電制動的防滑管理和診斷功能，這些信息包括：各動車防滑系統是否正常、是否有軸進行空氣制動、速度是否超過5km／h、傳感器有無硬件故障和電制動是否被允許等。如果出現故障或者異常，便會采取相應“故障導向安全”措施以保證列車制動安全。

5 制動系統與TD－HMI

作為司機獲取列車狀態的直接途徑，TD－HMI具備強大的信息獲取能力和交互功能，將列車各系統工作狀態和功能執行狀態顯示于屏幕，使司機全面而有效地掌握列車運行狀態，更好的發現和處理問題和故障，從而保證列車安全。

對于制動系統而言，需要為TD－HMI提供全面而詳細的制動設備運行狀態和制動功能執行狀態，包括各制動功能信息：

（1）常用／緊急制動功能：列車管壓力值、總風管壓力值、列車制動可用率、列車制動模式、列車管充風閥狀態、各車空氣制動切除／施加／緩解；（2）自動制動測試功能：測試狀態、測試階段、測試是否取消、測試是否出錯、距上次完成制動測試的時間；（3）制動管理：司機室占用狀態；（4）停放制動功能：全列所有停放制動狀態和診斷、停放制動是否切除、停放制動緊急緩解；（5）撒沙功能：全列撒沙禁止、撒沙烘干禁止、空壓機可用狀態。

司機通過操作TD－HMI可以對制動系統發出特定命令，如：禁止列車管充風、禁止空壓機啟動、關閉撒沙烘干、制動能力測試和停放制動緊急緩解等，用于列車特殊情況的處理。

制動系統與TD－HMI完成的另一項重要功能就是允許司機在人機交互界面上，按照編排好的菜單順序逐步執行各項制動測試，即菜單制動測試（MBT），以檢驗各車制動系統的各項功能是否正常。

在MBT過程中，司機是測試內容和進度的掌控者，通過TD－HMI所提供的菜單，一步一步向制動系統發出測試功能請求。司機在本階段測試內容完成的提示后，決定何時繼續下一步測試。MBT測試按照以下步驟進行：

① 直接制動（Direct Brake）測試；②緊急制動（EB）測試；③總風管貫通性（MRP）測試；④列車管（BP）泄露測試；⑤間接制動（Indirect Brake）測試；⑥列車管（BP）貫通性測試。

菜單制動測試功能有助于在維護和例行檢查時預先發現問題和解決問題，保證列車運行時的安全和可靠。

6 制動系統與門控系統

制動系統通過MVB網絡發送給門控制系統總風缸壓力和空壓機狀態信息，供門控系統用風的控制和判斷。同時將速度傳感器獲取的車輛速度值判斷后發給門控系統，控制是否運行開門的診斷功能。

7 結束語

和諧號動車組制動系統采用列車通訊總線和硬線的方式，與列車的其他各子系統接口與通信。通過完善的信號交互規則，有效地滿足了各子系統的接口需求，并遵循了“故障導向安全”設計原則，實現了實時診斷與安全措施，有效地保證列車的安全運行。