高速列車防滑系統仿真臺架試驗標準和方法研究＊

周 軍，曹宏發，陳 偉，李和平

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

對于現代軌道車輛，尤其是高速列車，通過配置車輪防滑保護系統（Wheel Slide Protection，WSP）來防止輪軌間低黏著條件時輪對的滑行和抱死，并盡可能的保證制動距離。因此，在其投入使用前須通過相應測試，以驗證其性能和安全性。鑒于防滑系統的重要性，相關機構制定了防滑系統相關標準，以 UIC 541－05［1］和BS EN 15595［2］最具有通用性和指導性。BS EN 15595標準為適應防滑系統的最新發展，與UIC 541－05標準相比，其內容更具體更完善，尤其是對防滑系統試驗的相關規定更為詳盡，其標準等級更高，對防滑系統的設計、開發和試驗更具有指導作用，因此本文主要參考BS EN 15595標準進行WSP系統試驗研究。

BS EN 15595標準規定，防滑系統的試驗內容包括強制性試驗、客戶指定試驗和合同要求的一些附加性試驗。強制性試驗即為型式試驗（Type test），可通過線路試驗（Track test）和經過驗證的仿真臺架試驗（Test on simulation rig）相結合的方式實現。原則上線路試驗的內容可在仿真臺架上完成，但基于既有防滑系統已經批量成熟運用，因此仿真臺架試驗可以部分的被線路試驗代替（或提供等效線路試驗證明）。客戶指定試驗是指客戶或鐵路部門為驗證防滑系統能滿足特殊線路需求而制定的與WSP性能相關的試驗，一般通過仿真臺架試驗來完成。附加性試驗則是對強制性試驗的補充，也可通過仿真臺架試驗來完成，但在某些特殊情況除外，如用于高速運行的WSP系統的非常低黏著試驗。

由于防滑系統線路試驗的成本高、耗時長、管理難，新研制的防滑系統或者基于原防滑系統進行參數優化，可采用基于硬件在環系統的仿真臺架試驗來代替線路試驗。硬件在環 HIL（Hardware－In－Loop）仿真測試系統是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態，通過I／O接口與被測的WSP連接，對被測WSP進行全方面的、系統的測試。從安全性、可行性和合理的成本上考慮，HIL仿真試驗已經成為WSP開發流程中非常重要的一環，它不但減少了線路測試的次數、縮短開發時間和降低成本，同時還提高了WSP的軟件質量。

本文在深入分析BS EN 15595標準對防滑系統仿真臺架試驗要求的基礎上，結合CRH3高速動車組制動防滑系統的開發和測試經驗，對高速列車防滑系統仿真臺架試驗設計、防滑仿真模型建立及其模型標定進行了研究。

1 仿真臺架試驗標準要求

BS EN 15595標準對防滑系統仿真臺架試驗的要求進行了詳細規定，包括防滑系統仿真臺架試驗內容及其驗證指標、仿真臺架設計需求、防滑仿真模型以及仿真試驗臺架的驗證指標。有關仿真臺架試驗內容及其驗證指標詳見BS EN 15595標準規定，本文主要對后三者進行簡要概述。

1.1 仿真臺架設計需求

BS EN 15595規定，仿真試驗臺架應體現“HIL”原理，其設計應具有軟硬件集成特點，可對車輛系統和軌道狀況進行最真實的建模。在試驗過程中，WSP應把單車輛模型作為最小需求，仿真試驗臺架所需的設備如表1。但是，根據防滑系統試驗內容的不同，組成臺架所需設備也不同。

表1 仿真試驗臺架所需設備

硬件選擇總是優于軟件模型，如果軟件模型是強制性的，則硬件選擇應適應軟件模型。

1.2 仿真模型需求

1.2.1 黏著模型

黏著模型應能表示真實和模擬的軌道狀況，黏著曲線應基于理論模型或實際軌道測量數據，可表示隨著車輪打滑變化而變化的最大黏著水平。

（1）恒定黏著

①干軌

黏著仿真模型能表示正常等級的制動性能（無WSP干擾），可根據模擬數據或軌道測量數據建立。

②恒定低黏著

黏著仿真模型能表示黏著連續峰值水平且具有實際軌道污穢滑動特性的黏著曲線，可使用軌道測量數據建立。

（2）可變黏著

①人造污穢

黏著仿真模型能表示在軌道試驗中采用的人造污穢產生的黏著曲線，可使用模擬數據或軌道測量數據來建立。

②自然產生可變黏著

黏著仿真模型能表示黏著可變峰值水平且具有自然產生軌道污穢（油、油脂、燃油、煤泥、樹葉、水／鐵銹污穢）的滑動特性，可使用軌道測量數據來建立。

（3）黏著條件因素

①黏著與速度關系

黏著仿真模型可表示與模型車輛初始速度相關的黏著曲線峰值變化。

②車輪狀況

黏著仿真模型分別對每個輪對計算改善黏著的參數，特別是滑行中產生自身狀態變化的輪對。

1.2.2 試驗和性能模型

試驗和性能模型負責計算與車輛特性和試驗中使用的黏著曲線相關的WSP性能。

（1）仿真器性能

其所有計算的周期時間至少是試驗中WSP周期時間的一半；同時報告建模中仿真器產生的誤差。

（2）試驗需求

建立上坡度和下坡度模型、加速度和試驗中的制動階段、調節每一試驗階段的參數（持續時間，最大加速度，試驗開始和終止速度）。

（3）制動性能

絕對制動距離（單車）、列車絕對制動距離、絕對制動距離與干軌制動距離之比。

（4）輪損傷

識別試驗過程中發生的輪抱死、每個輪發生輪抱死的持續時間、由于過度輪滑但未產生輪抱死的輪損傷預判。

（5）空氣系統

相對空氣消耗量。

（6）驗證指標

對于強制性試驗，采用標準中定義的驗證指標；對于非強制性試驗，允許引入用戶定義的驗證指標。

（7）故障狀態

傳感器開路、傳感器短路、放泄閥開路、放泄閥短路、開門狗定時器操作、速度計數器輸出。

（8）WSP輸出

記錄WSP故障顯示、WSP排風閥動作、WSP參考速度。

1.2.3 車輛性能模型

車輛性能模型用于表示與WSP操作相關的車輛特性，它對整個列車、車輛的制動性能產生影響。在車輛性能模型中應包括下列內容。

（1）摩擦材料

制動材料的平均摩擦系數、隨著初始列車速度變化的摩擦值變化、隨著瞬時車輪速度變化的摩擦變化、隨著接觸力變化的摩擦變化、有效制動直徑。

（2）氣動驅動器、制動需求

確定制動力與需求壓力的關系、升降力曲線的滯后、隨著速度變化的制動需求變化；用戶定義的制動需求等級。

（3）車體、轉向架、車輪動態模型

輪徑變化對車輪慣量的影響、動車輪對和拖車輪對的慣量差異、輪對動態加載和動態卸載的影響、車體總重轉移對制動性能的影響、內部車輛力的作用對整個列車制動性能的影響。

1.2.4 車輛功能模型

車輛功能模型用于模擬由WSP使用的以確定其狀態的車輛控制信號，這些信號不會對試驗結果產生影響。

功能輸入包括：制動模式；牽引模式；模式選擇（動車、拖車、其他）；緊急制動模式。

1.3 仿真臺架驗證指標

為驗證仿真臺架產生實際效果的有效性和可靠性，應滿足下列指標。

（1）制動距離

仿真制動距離和實際制動距離的誤差應小于一個給定量，即：

（2）速度曲線

實際制動速度曲線和仿真速度曲線應在制動開始到車輛速度達到15km／h期間進行比較。對于速度曲線上的每一點，在i時刻，實際速度和仿真速度的誤差應小于下面的給定量：

（3）滑動量

計算車輪在確定滑動量范圍內的總的制動時間百分比，應在一個給定的范圍內，計算方法詳見BS EN 15595標準。

2 高速列車防滑系統仿真臺架設計

由于軌道車輛防滑系統仿真臺架試驗屬于核心技術，其相關文獻資料并不多見。國外應用比較成功的例子是意大利鐵路公司Trenitalia SPA與佛羅倫薩大學合作開發的軌道車輛HIL測試臺架－MI6［3］。從2004年至今，MI6測試臺架已經為許多世界著名鐵路公司的WSP系統進行了成功測試，但是為了保護相關信息，這些測試結果并沒有發布。MI6測試臺架可用于許多與鐵路安全相關的電子系統試驗，如WSP、ATP和ATC。

本文結合CRH3高速列車制動防滑系統的開發和測試經驗，設計了一種滿足相關標準規定的模塊化的防滑系統仿真臺架試驗結構［3］，如圖1所示。為適應電子設備的不同電氣接口，所設計的仿真試驗臺架是一個比較容易配置和定制的開放系統。根據測試子系統的技術改進情況，仿真試驗臺架的軟硬件能比較容易更新。

2.1 WSP控制器

WSP控制器能檢測輪對滑行，為了改善制動性能，防止踏面擦傷和車輪抱死，對制動缸內部壓力進行調節。

圖1 防滑仿真臺架結構

WSP控制器是仿真臺架試驗的測試對象，對其硬件強制要求，不能模擬。軟件包含防滑控制算法。

高速列車制動防滑系統的WSP輸入輸出信號為：

①輸入：速度傳感器信號（電流型頻率信號）；

②輸出：防滑閥的控制信號（電壓型數字信號）；

③接口：與速度傳感器單向通訊、與防滑閥雙向通訊、與實時HIL硬件平臺單向通訊。

2.2 防滑閥和氣動設備

防滑閥和氣動設備又稱為驅動器。制動缸內部壓力通過EV、HV雙電磁防滑閥調節，直接由WSP系統的BCU控制。WSP的響應動作受具有制動氣動部件的EV、HV雙電磁閥的影響，從而控制制動缸的充風時間。制動缸壓力通過壓力傳感器實時測量，實時模型使用制動缸的測量壓力來估算下一個計算周期受車輪動態性能影響的制動力變化。為保證實時模型和驅動器的整合性，應采用一個恒定的采樣頻率，使HIL的滯后時間與產生的動態性能相比可以忽略不計。如果對防滑閥和氣動設備進行模擬，則需要在實際設備上對下列性能進行試驗驗證（與真實設備相比較）：

（1）相同的閥響應延遲；

（2）相同的響應時間；

（3）基于典型防滑閥動作的具有相同的空氣消耗量。

高速列車防滑系統的防滑閥和氣動設備的采用硬件、軟件強制要求。制動防滑系統的防滑閥和氣動設備的輸入輸出信號為：

（1）輸入：中繼閥壓力，WSP控制命令（數字量）；

（2）輸出：調節后的制動缸壓力；

（3）接口：與WSP電子元件雙向通訊、與實時HIL硬件平臺雙向通訊。

2.3 軸速系統

軸速系統包括與電動機耦合在一起的軸末端速度傳感器，該電動機的軸速值由測試車輛的計算機模擬給出。軸速系統也可以使用車輛模型來產生軸速輸出，模擬的速度傳感器應產生與實際的速度傳感器相同的波形，但WSP控制單元的速度電氣接口不能模擬。高速列車防滑系統采用模擬速度。

接口：與WSP電子元件單向通訊、與實時HIL硬件平臺雙向通訊；

2.4 HIL硬件平臺

試驗臺架由運行在HIL硬件多處理器平臺上的實時軟件控制。硬件平臺的電氣接口對于不同的應用比較容易配置。硬件平臺主要組成部分包括：實時處理器、I／O接口、故障注入單元（FIU），通信接口、FPGA模塊、信號調理單元、電源及連接線等。

高速列車防滑系統仿真試驗臺架的實時硬件平臺采用ETAS的ES1000系統，如圖2所示。

圖2 ES1000系統

ES1000系統及其ETAS產品ASCET－SD和INCA用于產品的快速原型和標定［4］。控制單元采用摩托羅拉 MPC750處理器，具有366MHz時鐘頻率。ES1000系統通過仿真器ETK、K線或CAN總線連接到BCU，具有附加的模擬量和數字量輸入輸出信號的接口卡。

接口：與仿真模型雙向通訊、與WSP單向通訊、與速度傳感器雙向通訊、與防滑閥和氣動設備雙向通訊。

2.5 實時仿真模型

仿真模型的設計應在結果的精確性和可用計算資源之間進行優化。為了模擬不同的軌道車輛（具有不同輪對、制動系統等），模型必須參數化。為了滿足上述要求，仿真模型可分為一系列的模塊子系統，如機械結構、制動系統、黏著模型等。實時仿真模型能根據模擬軌道車輛的主要機械和功能特點來計算車輛的動態特性。

接口：與實時HIL硬件平臺雙向通訊；

3 防滑仿真模型

結合CRH3高速動車組制動防滑系統的開發和測試過程，建立高速列車制動防滑仿真模型。

3.1 標準黏著模型

標準黏著模型用于建立干軌、基于清潔劑和樹葉膜層的濕滑軌道狀況。一般采用黏著系數與滑移率的關系曲線［5］來建立黏著模型，如圖3所示。

圖3 黏著系數與滑移率的關系曲線

3.1.1 干軌黏著模型

干軌黏著模型表示正常等級的制動性能（無WSP干擾），可根據模擬數據或軌道測量數據建立。

（1）黏著系數與滑移率

黏著系數和滑移率如下式定義：

式（4）中v為軸速。

3.1.2 濕軌低黏著模型

濕滑軌道狀況（基于清潔劑和樹葉膜層）的黏著仿真模型可使用軌道測量數據建立，黏著系數與滑移率關系曲線的建立方法同干軌黏著模型。但濕滑鋼軌影響黏著系數公式［6］如下：式（3）中μ為黏著系數；Fa最大切向力；W 車輛垂直負載；λ 滑移率；vtrain車速；vaxis軸速；

根據圖3采用離散數據表的形式建立滑移率和黏著系數的關系。

（2）影響黏著系數

模型中需建立一個反應軌道狀態的影響黏著系數，可采用日本干軌黏著系數公式［6］：

3.2 車輛性能模型

車輛性能模型主要包括車輪運動模型、車輛運動模型、車輪自身狀態模型、軌道狀態模型，概括如下：

3.2.1 車輛性能參數

需要設定的車輛性能參數包括：

（1）輪徑；

（2）車重／軸重；

（3）負載軸重條件下的轉動慣量；

（4）制動材料的平均摩擦系數；

（5）有效制動半徑；

（6）閘片表面積；

（7）彈簧恢復力；

（8）杠桿傳動比；

（9）傳動效率；

（10）制動夾鉗數（動軸／從動軸）；

3.2.2 黏著力和制動力

黏著力和制動力的關系如圖4所示［7］。

圖4 黏著力與制動力關系模型

圖4中：W 為輪軌垂直負載；μ為輪軌黏著系數；v為輪對線速度；ω為輪對角速度；I為輪對轉動慣量；r為車輪半徑；Fa為粘著力；Fb為制動力。

在制動過程中，必須保證Fb≤Fa，否則車輪就會發生打滑危險。

根據可利用黏著系數μaa（μaa≤μ），由式（6）可以計算出輪軌間的瞬時可用黏著力Faa：

其中mt輪對制動質量（kg）；g重力加速度（m／s2）。

制動力模型計算作用于輪對制動盤的閘片摩擦力，此時需要考慮基礎制動的部件特性，包括傳動特性、摩擦特性等，其核心是根據制動缸壓力Pc計算得出作用于制動盤表面的制動力，如下式所示：

其中α，β為常數參數；D為輪徑。

3.2.3 制動輪對動態性能

根據圖4，在制動過程中，輪對的動態特性（減速度、黏著力和制動力矩的關系）可由下式描述：

將式（7）帶入式（8），即可得出輪對角加速度與制動缸壓力的關系。

3.3 防滑控制模型

3.3.1 防滑控制系統結構

典型防滑控制系統閉環控制結構如圖5所示［8］。一個非接觸型速度傳感器裝于車軸，其與車輪的速度成比例的脈沖信號傳輸到電子控制單元。電子控制單元對本車或本轉向架的速度脈沖信號進行處理，根據速度差和減速度判據對已經發生滑行情況發出防滑控制指令，操縱防滑電磁閥，控制制動缸的壓力。防滑系統能最佳利用有效黏著，以保證最短的制動距離。

圖5 防滑控制系統結構

3.3.2 防滑控制邏輯

制動缸壓力是升壓、降壓和保壓3種控制指令進行控制的，防滑閥的動作如表2所示。

表2 防滑閥動作表

制動缸壓力的調節根據防滑排風閥的作用效果分類如下：

（1）快速排風；

（2）脈沖式排風；

（3）保壓；

（4）脈沖式充風；

（5）快速充風。

選用以上哪種方式一般取決于加速度判據和速度判據。在防滑過程中，根據速度差和減速度的變化情況，制動缸的排風顯示脈沖特性，其排風曲線中尚有穩定段，過快的排風會出現制動力不必要的喪失。制動壓力防滑控制過程如圖6所示。

本節結合CRH3高速動車組制動試驗平臺的設計和開發經驗，設計了一種基于速度差和減速度的復合矩陣式防滑控制策略。將速度差判據和減速度判據組合為一個參數化的復合式判據矩陣，根據速度差和減速度的不同，采用不同的閥控制狀態。

圖6 制動壓力防滑控制

3.4 仿真模型建立

采用ETAS公司的開發工具ASCET6.0來建立防滑模型，主要包括參數模塊、速度模塊和主控制器模塊。

3.4.1 參數模塊

參數模塊定義一些其他模塊用到的參數，包括靜態參數和可變參數。

（1）靜態參數

閘片表面積、軸重、彈簧恢復力、杠桿傳動比、傳動效率、平均制動半徑、輪徑和摩擦系數。

（2）可變參數

轉動慣量、轉動質量系數、軸制動夾鉗數、初始速度、黏著系數與滑移率關系數值表、黏著系數與列車速度關系數值表。

3.4.2 列車速度模塊

該模塊根據公式（9）計算列車的實時速度：

其中v（t）為列車實時速度，v0為列車初始速度，a為減速度。

3.4.3 主控制模塊

該模塊主要包括初始化子模塊、摩擦子模塊、黏著子模塊、角速度子模塊、防滑控制邏輯模塊、其他子模塊等。

（1）初始化模塊用于計算列車速度和輪軸角速度，給滑移率賦初值；

（2）摩擦子模塊根據制動缸壓力計算摩擦力和摩擦力矩；

（3）黏著子模塊根據滑移率計算黏著系數、黏著力和制動力矩；

（4）角速度子模塊根據黏著制動力矩和摩擦制動力矩，通過積分求得實時軸角速度；

（5）防滑控制邏輯模塊根據軸速度差和減速度來控制防滑閥動作，從而調節制動缸壓力；

（6）其他子模塊根據角速度計算軸線速度，根據列車速度和軸速計算滑移率。

ASCET模型環境如圖7所示。

圖7 ASCET模型環境

4 模型標定

仿真模型建立之后，需要對模型進行標定，把仿真結果和試驗數據進行比較，應滿足1.3節規定的指標要求。對于指標（1），可參考選定車輛類型與速度相關的實際制動距離進行比較。對于指標（2）和指標（3）來說，需要參考大量的實際防滑試驗數據來驗證，由于試驗條件的局限性，本文只對指標（1）進行驗證。

在高速列車制動防滑系統試驗臺上，以單車打滑試驗為例，進行了10次恒定黏著的干軌緊急制動試驗（無WSP作用），濕軌低黏著打滑緊急制動試驗（無WSP作用和有WSP作用）。基于ES1000實時處理器的防滑仿真系統如圖8所示，仿真試驗條件如表3。仿真試驗測試結果如圖9所示。

圖8 基于ES1000的仿真試驗系統

表3 WSP仿真試驗條件

圖9 試驗臺架模型仿真測試

由圖9（a）可以看出，在制動過程中，可用粘著系數未超過干軌實際黏著系數（0.1），未出現輪對滑行和軸抱死現象，10次試驗的平均制動距離為3 263m，與實車300km／h純空氣緊急制動的緊急距離3 300m相比，誤差為1.1%，滿足標準規定要求。

圖9（b）為濕軌軌道的純空氣緊急制動，設定的最大黏著系數為0.05。從圖中可以看出，在制動過程中，如果沒有WSP系統的參與，輪對很快出現滑行，直至軸抱死。與干軌試驗對比可以發現，以列車速度139 km／h時為例，實際可用黏著系數為0.04，遠小于維持制動力需要的黏著系數0.09（干軌），這就驗證了黏著模型的有效性。

圖9（c）為濕軌試驗的純空氣緊急制動，最大黏著系數0.05，但增加了 WSP對制動缸壓力的調節功能。在制動過程中，通過 WSP對制動缸壓力的調節作用，使得實際施加于輪對的制動力未超過輪軌黏著可以提供的最大黏著力，避免了輪對滑行。

上述仿真試驗結果滿足標準對制動距離的指標要求，因此驗證了實時仿真模型的有效性和可靠性。

5 結束語

本文通過對國際上現行防滑標準的深入分析，系統研究了防滑系統的試驗要求和仿真臺架試驗的標準規定，并對仿真試驗臺架的結構組成、子系統建立、標定驗證等進行了詳細說明。結合高速動車組防滑系統的開發和測試經驗，提出了基于HIL系統的防滑試驗臺架設計方法，并進行了防滑仿真試驗，仿真結果滿足標準規定指標。

現有的ES1000實時仿真系統雖然具有一定實時計算能力，但主要還是限于軟件的快速原型仿真應用，如果需要半實物混合仿真，ES1000的接口形式和數據處理能力就顯得力不從心了。現有的成熟方案主要有基于dSPACE和LABCAR的硬件在環仿真系統，能夠滿足防滑試驗臺的仿真需求。因此，論文的下一步研究工作將針對防滑標準中對于試驗臺架的規定進行完善。同時，防滑系統的仿真臺架試驗將結合實際運用線路的輪軌關系和現車防滑試驗進行反復優化與改進。

［1］ UIC CODE 541－05.Brakes－Specifications for the construction of various brake arts－Wheel Slide Protection device（WSP）［R］，2005，2nd edition.

［2］ British Standard.Railway applications－Braking－Wheel slide protection［R］.BS EN 15595：2009.

［3］ L.Pugi，M.Malvezzi，A.Tarasconi，et al.HIL simulation of WSP systems on MI－6test rig［J］.Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility，2006，44（Supplement）：843－852.

［4］ ETAS GmbH.ES1000Overview［M］.ETAS GmbH，2000，5－7.

［5］ Jiangyong Zuo，Mengling Wu.Research on anti－sliding control of railway brake system based on adhesion－creep theory［J］.Proceedings of the 2010IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，August 4－7，2010，Xi＇an，China，Piscataway，NJ，USA：IEEE，2010：1690－1694.

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