城軌制動系統電子控制裝置測試方法的研究*

趙玉其， 王 碩

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

城市軌道交通列車制動系統一般由風源系統、制動控制系統、基礎制動、空氣制動防滑控制裝置、空氣懸掛裝置等設備組成，系統結構框圖示例見圖1。制動控制系統包括制動管路系統和制動電氣控制系統，而制動電氣控制系統的核心是制動控制裝置(簡稱BCU)。

BCU-制動控制單元；PBS1-停放制動施加按鈕；EBS-緊急制動按鈕；HCR-頭車控制繼電器； DCU-牽引控制單元；BCM-總線耦合模塊；PCU-停放制動控制裝置；PBS2-停放制動緩解按鈕； ATPEB ATP-緊急制動繼電器；CPRS-強迫緩解按鈕；AXM-模擬量輸入/輸出模塊。圖1 制動電氣控制系統框圖示例

制動控制裝置(BCU)由制動電子控制裝置(簡稱EBCU)和氣動執行裝置(簡稱PBCU)兩部分組成。制動電子控制裝置是制動系統的大腦，是控制中樞，它的工作狀態的正常與否對地鐵列車的運行安全至關重要。因此，無論對于制動系統的產品研發、控制策略的優化、設備生產檢驗還是設備的故障分析，都需要對制動電子控制裝置進行測試檢查。

1 測試內容和方法

制動電子控制裝置的主要組成部件有制動控制插件、防滑控制插件、網絡通信插件、模擬量輸入輸出插件、開關量輸入輸出插件、存儲顯示插件等。按接口類型分，這些插件包括數字量輸入接口和輸出接口、模擬量輸入接口和輸出接口、PWM輸入接口、PWM輸出接口、MVB接口、CAN接口、其他串口(如標準串口、高速串口等)等。按照接口的應用對象來分，有數字量指令輸入接口、數字量狀態信號輸出接口、電空轉換功能接口、防滑控制功能接口、通信接口等。

制動電子控制裝置檢測包括部件測試和裝置測試，部件測試和裝置測試都需滿足EBCU的性能參數要求。下面分別進行介紹。

1.1 部件測試

部件測試是指對組成EBCU的各類板卡插件的測試，主要測試板卡插件的電氣接口的功能和性能是否滿足應用設計要求，一般只用于生產和維修時的測試檢驗。

部件測試側重于接口通道的輸入輸出信號范圍是否合格，相鄰通道信號是否會發生耦合，信號采樣精度等是否符合系統要求，在特定的模式下響應是否及時等。不同類型的電氣接口測試的內容也有所不同。

開關量輸入測試內容包括狀態切換、跳變電壓和獨立性測試等。開關量輸出測試包括狀態切換和獨立性測試。PWM、模擬量輸入和輸出測試包括通道采樣的輸入輸出范圍測試、測量誤差評判、獨立性測試等。

通信測試根據通信接口類型的不同，采取的測試方法也不同。MVB接口測試采用鏡像測試，測試內容包括請求和響應是否符合要求，響應是否超時、持續測試的通信的準確率和錯誤率等。CAN總線和其他串口的通信測試都采用一對一接口測試方法，測試請求和響應的及時性和一致性。

1.2 裝置測試

裝置測試是指對一臺制動電子控制裝置進行軟硬件集成測試，是對EBCU的功能和邏輯進行整體測試，主要用于評估系統的功能是否滿足要求、控制策略是否需要優化以及分析系統故障的特征和原因等。裝置測試一般根據應用對象的不同進行分類集成測試。

裝置測試時，通常要求被測裝置的軟硬件配置與現場應用的裝置相同。由于目前國內的城市軌道交通制動系統的設備接口和通信協議因線路和項目而不同，設備接口和通信協議都是主機廠和制動系統供應商協商的。因此針對不同項目的測試，EBCU的軟硬件配置、測試的內容和策略都是需要與項目對應一致。

裝置測試內容主要包括通信測試、控制指令輸入和輸出測試 、狀態信號輸入輸出測試、電空轉換功能邏輯測試、防滑控制功能邏輯測試等等。測試的內容互相影響，信號的輸入將影響信號輸出的變化邏輯。測試的主控單元模擬現場信號的變化規律、變化范圍和頻率等，產生仿真信號作為EBCU的輸入信號激勵。在特定信號的激勵下，EBCU將根據特定的控制邏輯，產生信號輸出。測試的主控單元實時采集EBCU輸出信號，并結合EBCU信號輸入狀態，進行綜合判斷。

對于電空轉換功能邏輯的測試，測試的主控單元需要對制動壓力的變化規律進行近似模擬，對不同制動級位下制動壓力變化時的制動減速度和速度的變化規律進行近似模擬，然后根據EBCU的制動控制邏輯對EBCU的制動壓力輸出驅動信號和制動控制閥的輸出控制信號的變化進行綜合判斷。

對于防滑控制功能邏輯的測試，測試的主控單元需要對防滑控制發生的前提條件(速度信號的不一致性)進行信號模擬，然后根據EBCU的防滑控制閥的輸出進行采樣，并綜合判斷。

2 測試系統開發

EBCU專用測試系統，應在產品研發的過程中測試方法靈活方便，在產品檢驗過程中，能夠盡量較少人為因素導致的不確定性，提高自動化程度，加快測試進度，提高可靠性。因此，建設一個符合要求的專用測試系統，能夠使得城軌制動系統電子控制裝置的測試有序、高效的展開，提高測試效率和降低測試成本，保證產品的發布和生產的進度。

2.1 系統方案

城軌制動系統電子控制裝置測試系統主要由測控主機、信號調理轉換模塊、被測對象組成。圖2為測試系統原理示意圖。

測控主機是測試系統的核心部分，主要完成測試系統的資源配置和測試過程的控制管理。測控主機硬件包括CPU單元、數字量輸入輸出接口模塊、模擬量輸入輸出接口模塊、通信接口模塊等；軟件為測試系統主測控程序。

信號調理轉換模塊是對測控主機接口單元和被測對象的外部接口進行匹配調理，使兩邊接口的電氣特性能夠匹配，達到主控單元和被測對象信號連接的目的。

部件測試時，被測對象是指組成EBCU的板卡插件。裝置測試時，被測對象是指完整的制動電子控制裝置。

2.2 硬件設計

制動電子控制裝置的接口信號很多。在測試系統硬件設計時，需要對這些接口信號進行分類、性能參數統計分析，同時考慮部件測試和裝置測試的硬件復用的問題。制動電子控制裝置測試系統硬件結構圖見圖3。

測控主機采用成熟運用的工控計算機和接口模塊。選擇工控機系統時，充分考慮系統功能和性能的要求、以及系統未來的擴展需求，在滿足現有被測對象的測試需求的同時，考慮未來可能增加的新的板卡或裝置類型。

信號調理轉換模塊按照信號接口的類型分類，設計成不同類型接口轉換模塊，并充分預留接口以便擴展。

圖2 測試系統原理示意圖

圖3 制動電子控制裝置測試系統硬件結構圖

測控主機系統與信號調理模塊是在接口匹配的基礎上統一選型設計的。其接口的連接轉換能夠滿足測試系統的測試需求。

2.3 軟件設計

制動電子控制裝置測試系統要實現高效的自動化測試，測控軟件的設計是核心。

第1步，明確測控軟件的需求。根據被測對象的測試需求對軟件的測試內容進行分層分類，并進行特征屬性的提取和定義。

第2步，進行功能模塊劃分。采用模塊化設計思想，將測控軟件分成測試接口驅動、測試模型管理、測試邏輯實現、報表生成等功能模塊，定義各功能模塊的功能和屬性。

第3步，定義各功能模塊之間的接口，設計測控軟件的主程序流程。主程序流程描述測試過程中程序的控制流的情況，處理的執行順序和執行條件。

軟件設計完成后(測試主程序流程圖見圖4)，開始軟件的代碼實現，最后進行測試系統的調試測試。

3 實際應用

目前，城軌制動系統電子控制裝置測試系統已經在集成測試試驗室和生產車間成功應用。作為重要的測試設備，本測試系統在城軌制動系統電子控制裝置的研發過程中的軟硬件模塊測試、裝置測試、產品發布后的優化改進、回歸測試、生產過程中的質量檢測中起到了重要作用。尤其重要的是，許多在現場較難測試的邊界情況，得以在試驗室能夠輕松模擬，并能夠方便快速的進行應對策略驗證，例如防滑控制策略中的車輛的各級軸速度和減速度的模擬及防滑故障判斷，從而預先進行控制方法的優化和改進，減少現場出現極端情況時系統出現的處理漏洞，完善城軌制動系統的安全導向處置策略。部件測試則基本實現了一鍵自動化測試，具有操作方便、進程快速、一致性好的特點，測試結束后將自動形成報表，并以表格形式的通用文件進行存檔。

圖4 測試主程序流程圖

4 結束語

城軌制動系統電子控制裝置測試系統可對制動電子控制裝置的硬件接口的性能進行檢測，對裝置單元的功能進行測試和驗證，因此在城軌制動系統的研發、生產和維護過程中，都是非常重要的驗證設備。