基于列車控制與管理系統(tǒng)的車輛制動(dòng)力管理方案設(shè)計(jì)

王華偉 劉國梁

(中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心， 130062， 長春//工程師)

早期的城市軌道交通車輛中，列車控制與管理系統(tǒng)(train control and management system，TCMS)的硬件可靠性低，整個(gè)系統(tǒng)與各子系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)度也比較低。近年來，隨著我國各大中型城市軌道交通的快速發(fā)展，TCMS技術(shù)也在迅速發(fā)展，無論是硬件研發(fā)還是列車控制軟件復(fù)雜程度都得到了質(zhì)的飛躍，TCMS參與整車控制的功能越來越多。

在傳統(tǒng)列車制動(dòng)力管理策略中，通常由制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行整列車制動(dòng)力需求的計(jì)算和分配。制動(dòng)系統(tǒng)控制的管理方式是平均分配各車電制動(dòng)力，無法最大限度地發(fā)揮電制動(dòng)能力的要求，并存在坡道啟動(dòng)過程沖動(dòng)過大、頻繁補(bǔ)充空氣制動(dòng)等問題。

本文基于深圳地鐵某A型車項(xiàng)目，從TCMS與制動(dòng)系統(tǒng)接口、列車制動(dòng)力的分配原則、制動(dòng)指令的處理及制動(dòng)過程不同階段的處理方案等方面，介紹一種全新的基于TCMS的城市軌道車輛制動(dòng)力管理方案。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)接口

列車為6輛編組，兩個(gè)端車為拖車，中間4個(gè)車輛為動(dòng)車。TCMS通過多功能車輛總線(MVB)與制動(dòng)控制器網(wǎng)關(guān)閥進(jìn)行通信(見圖1)。制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線進(jìn)行通信。為保證信息的實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)之間的控制及狀態(tài)信息的MVB端口輪詢周期設(shè)定為64 ms，故障信息端口輪詢周期設(shè)定為256 ms。

1.2 電空混合制動(dòng)原則

列車制動(dòng)方式包括電制動(dòng)和空氣制動(dòng)，其中電制動(dòng)由牽引系統(tǒng)施加，空氣制動(dòng)由制動(dòng)系統(tǒng)施加。實(shí)施原則是電制動(dòng)優(yōu)先，空氣制動(dòng)作為制動(dòng)力不足時(shí)的補(bǔ)充，電制動(dòng)與空氣制動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)配合。當(dāng)電制動(dòng)不足時(shí)，優(yōu)先在拖車和電制動(dòng)故障的動(dòng)車上補(bǔ)充空氣制動(dòng)，達(dá)到最大黏著后，再在電制動(dòng)正常的動(dòng)車平均補(bǔ)充空氣制動(dòng)。當(dāng)車輛速度低于某一限定值時(shí)，電制動(dòng)逐步由空氣制動(dòng)替代。為了減少對(duì)制動(dòng)閘瓦的磨耗，同時(shí)又保證制動(dòng)需求，電、空制動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)的列車速度要求盡量低,沖動(dòng)率不大于0.75 m/s2。

圖1 TCMS與制動(dòng)系統(tǒng)接口框圖

1.3 電空混合制動(dòng)交互信息

制動(dòng)系統(tǒng)每3輛車為一個(gè)單元編組，每個(gè)單元編組設(shè)有2個(gè)網(wǎng)關(guān)閥，網(wǎng)關(guān)閥通過TCMS與牽引控制單元(DCU)之間進(jìn)行信息交互。相互間傳輸信號(hào)如圖2所示。TCMS、DCU及制動(dòng)系統(tǒng)間信號(hào)流說明如表1所示。

圖2 TCMS、牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)流框圖

1.4 制動(dòng)指令的發(fā)出

TCMS根據(jù)司控器或列車自動(dòng)駕駛(ATO)系統(tǒng)給出的制動(dòng)指令，獲取最大等效減速度百分比，結(jié)合從制動(dòng)系統(tǒng)獲得的各車包含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的車重信息進(jìn)行總制動(dòng)力的計(jì)算，并把計(jì)算值發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)。最大常用制動(dòng)等效減速度初定值一般為技術(shù)條件中規(guī)定的最大常用制動(dòng)值(1.12 m/s2)，該值在列車型式試驗(yàn)過程中需根據(jù)列車的實(shí)際制動(dòng)特性進(jìn)行調(diào)整。

1.5 電制動(dòng)力分配

TCMS根據(jù)制動(dòng)指令和各車牽引變流器的可用電制動(dòng)力信號(hào)，把計(jì)算得到的列車所需總制動(dòng)力分配給4個(gè)牽引變流器。牽引系統(tǒng)結(jié)合沖動(dòng)率限制(≤0.75 m/s3)、車重修正系數(shù)(由TCMS得到)及可用電制動(dòng)力大小等條件施加電制動(dòng)。

表1 TCMS、DUC及制動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)流說明

TCMS發(fā)出制動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)指令值給牽引系統(tǒng)后，牽引系統(tǒng)發(fā)送單車虛擬電制動(dòng)力給TCMS，TCMS轉(zhuǎn)發(fā)此信號(hào)給制動(dòng)系統(tǒng)。為防止在電制動(dòng)建立階段補(bǔ)充空氣制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)在接收到制動(dòng)狀態(tài)后的一段時(shí)間內(nèi)按照此值計(jì)算需要施加的空氣制動(dòng)力。該段時(shí)間過后，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)TCMS發(fā)送的各動(dòng)車實(shí)際施加的電制動(dòng)力情況來施加空氣制動(dòng)。牽引系統(tǒng)電制動(dòng)力上升到最大值的時(shí)間一般在1.5～2.0 s之間，初始值定為1.5 s。

1.6 空氣制動(dòng)分配

制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)空氣制動(dòng)力的分配，空氣制動(dòng)力的分配原則為：當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)優(yōu)先在拖車(若此時(shí)有動(dòng)車電制動(dòng)不可用，則以拖車處理)補(bǔ)充空氣制動(dòng)；若拖車補(bǔ)充的空氣制動(dòng)力達(dá)到拖車最大黏著后整車施加的總制動(dòng)力還未滿足整車制動(dòng)需求，則制動(dòng)系統(tǒng)在各動(dòng)車平均補(bǔ)充空氣制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)保證在此過程中單車不超出最大黏著限制。

牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)將在整車調(diào)試階段對(duì)電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的施加及緩解的速率進(jìn)行調(diào)整，以滿足整車沖動(dòng)限制。

1.7 電制動(dòng)滑行處理

當(dāng)動(dòng)車在施加電制動(dòng)過程中出現(xiàn)滑行時(shí)，牽引系統(tǒng)進(jìn)行防滑控制并發(fā)送電制動(dòng)滑行信號(hào)給TCMS，TCMS發(fā)送滑行信號(hào)給制動(dòng)系統(tǒng)。在牽引系統(tǒng)防滑控制過程中，為防止空氣制動(dòng)補(bǔ)償電制動(dòng)損失值，制動(dòng)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)鎖存發(fā)生電制動(dòng)滑行前的實(shí)際電制動(dòng)力。若該動(dòng)車電制動(dòng)滑行程度達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)規(guī)定的深度滑行或者超過允許的滑行時(shí)間，則制動(dòng)系統(tǒng)向TCMS發(fā)送電制動(dòng)切除指令，TCMS向該動(dòng)車牽引系統(tǒng)發(fā)送電制動(dòng)切除信號(hào)(牽引變流器禁止啟動(dòng)信號(hào))，牽引系統(tǒng)切除該動(dòng)車電制動(dòng)。若在電制動(dòng)滑行過程中制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)切除信號(hào)，則在本次制動(dòng)過程中，制動(dòng)系統(tǒng)禁止已切除電制動(dòng)的牽引變流器再次施加電制動(dòng)。當(dāng)列車靜止或者列車進(jìn)入惰行或者牽引狀態(tài)且速度大于20 km/h時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)撤銷電制動(dòng)切除信號(hào)。

1.8 停車制動(dòng)

停車制動(dòng)分為4個(gè)階段：低速電空轉(zhuǎn)換；純空氣制動(dòng)的停車制動(dòng)；保持制動(dòng)施加；保持制動(dòng)緩解。

1.8.1 低速電空轉(zhuǎn)換

列車制動(dòng)時(shí)，在車速降到某個(gè)速度點(diǎn)時(shí)，開始低速電空混合制動(dòng)，TCMS向制動(dòng)系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)退出信號(hào)(電平信號(hào))，電制動(dòng)衰減，空氣制動(dòng)開始上升。為防止電制動(dòng)和空氣制動(dòng)在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生沖動(dòng)，電制動(dòng)衰減的斜率和空氣制動(dòng)上升的斜率應(yīng)基本一致，通常該斜率折合為加速度的變化率。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，制動(dòng)系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)在電空轉(zhuǎn)換階段的制動(dòng)力變化斜率折合為加速度的變化率值為1 m/s3。

一旦進(jìn)入低速電空混合制動(dòng)階段，制動(dòng)級(jí)位的改變不影響電制動(dòng)按照規(guī)定的斜率退出；低速電空混合制動(dòng)過程中，TCMS發(fā)給制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力需求為司控器或ATO指令的實(shí)際需求值，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)力需求施加空氣制動(dòng)。

若在低速電空轉(zhuǎn)換階段司控器由制動(dòng)位回到惰行位，牽引系統(tǒng)退出電制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)系統(tǒng)緩解空氣制動(dòng)；若在低速電空轉(zhuǎn)換階段司控器由制動(dòng)位回到牽引位，牽引系統(tǒng)退出電制動(dòng)并根據(jù)牽引手柄級(jí)位施加牽引力，制動(dòng)系統(tǒng)緩解空氣制動(dòng)。列車速度在電空轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)及以下時(shí)，若司控器由牽引或者惰行位改變到制動(dòng)位，不施加電制動(dòng)，制動(dòng)完全由空氣制動(dòng)實(shí)施。

1.8.2 純空氣制動(dòng)的停車制動(dòng)

當(dāng)?shù)退匐娍辙D(zhuǎn)換完成時(shí)，電制動(dòng)完全退出，空氣制動(dòng)完全取代電制動(dòng)。空氣制動(dòng)力的值取決于司控器或ATO給出的制動(dòng)指令。制動(dòng)系統(tǒng)在此過程中負(fù)責(zé)控制整車沖動(dòng)限制。

1.8.3 保持制動(dòng)的施加

在人工駕駛模式及網(wǎng)絡(luò)故障和備用模式下，無牽引指令并且當(dāng)列車進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，保持制動(dòng)的施加由制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)完成；在ATO模式下，保持制動(dòng)的施加指令由TCMS發(fā)給制動(dòng)系統(tǒng)來完成；在ATO模式下，若列車已經(jīng)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，如3 s內(nèi)TCMS未發(fā)出保持制動(dòng)施加指令，則制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)施加指令以保持制動(dòng)。保持制動(dòng)施加的邏輯如圖3所示。制動(dòng)系統(tǒng)施加的保持制動(dòng)力，取最大常用制動(dòng)力(經(jīng)載荷修正)的70%和當(dāng)前整車制動(dòng)力需求的最大值。

1.8.4 保持制動(dòng)的緩解

在人工駕駛模式和ATO模式下，當(dāng)滿足以下兩種情況中的任何一種時(shí)，TCMS向制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出保持制動(dòng)緩解指令：

(1) 當(dāng)有牽引指令，并且整車實(shí)際施加的牽引力大于不同載荷下規(guī)定的保持制動(dòng)緩解的牽引力時(shí)，緩解保持制動(dòng)的牽引力從空載(AW0)到超載(AW3)工況線性增加。

(2) 當(dāng)有牽引指令，并且列車速度大于1 km/h時(shí)，為防止在人工駕駛模式和ATO模式下TCMS未及時(shí)發(fā)出保持制動(dòng)緩解指令，制動(dòng)系統(tǒng)在檢測(cè)到有牽引指令且列車速度大于1.5 km/h時(shí)，自動(dòng)緩解保持制動(dòng)。在TCMS與制動(dòng)系統(tǒng)間通信故障模式和備用模式下，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)到有牽引指令時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)緩解保持制動(dòng)。保持制動(dòng)緩解的邏輯如圖4所示。

圖3 保持制動(dòng)施加的邏輯框圖

圖4 保持制動(dòng)緩解的邏輯框圖

1.9 快速制動(dòng)

當(dāng)TCMS檢測(cè)到快速制動(dòng)硬線指令后，對(duì)制動(dòng)力按正常的常用制動(dòng)模式進(jìn)行管理，平均減速度為1.3 m/s2。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于計(jì)算總制動(dòng)力的等效減速度在整車調(diào)試階段確定。

快速制動(dòng)指令優(yōu)先。從安全制動(dòng)優(yōu)先的角度出發(fā)，只要快速制動(dòng)硬線指令激活，不管當(dāng)前來自網(wǎng)絡(luò)或者硬線的牽引和制動(dòng)指令是否激活，制動(dòng)系統(tǒng)均按快速制動(dòng)處理。

在TCMS與制動(dòng)系統(tǒng)間通信正常時(shí)，當(dāng)快速制動(dòng)硬線指令激活，TCMS和制動(dòng)系統(tǒng)各自計(jì)算整車制動(dòng)力需求:TCMS根據(jù)其計(jì)算的整車制動(dòng)力需求,分配電制動(dòng)力；制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)其計(jì)算的整車制動(dòng)力需求和TCMS經(jīng)MVB總線發(fā)送的電制動(dòng)力值，計(jì)算并施加空氣制動(dòng)力。在TCMS與制動(dòng)系統(tǒng)間通信故障或備用模式下，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)到快速制動(dòng)硬線指令被激活，將自行計(jì)算整車制動(dòng)力需求并施加純空氣制動(dòng)力。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本管理方案，制動(dòng)系統(tǒng)除常規(guī)的制動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)外，需增加相關(guān)驗(yàn)證計(jì)算和參數(shù)調(diào)試確定。制動(dòng)系統(tǒng)本身參數(shù)調(diào)試不是本文討論重點(diǎn)，以下僅介紹TCMS與制動(dòng)系統(tǒng)間的相關(guān)接口參數(shù)調(diào)試。

2.1 發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)的總制動(dòng)力需求調(diào)試

在整車調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：① 在主控手柄由最大牽引迅速轉(zhuǎn)換到最大制動(dòng)時(shí)，或者在制動(dòng)級(jí)位由小級(jí)位快速變換為大級(jí)位時(shí)，若TCMS直接發(fā)送制動(dòng)級(jí)位，則制動(dòng)系統(tǒng)在電制動(dòng)建立的過程中會(huì)立刻補(bǔ)充空氣制動(dòng)(見圖5)。這是由于制動(dòng)系統(tǒng)只在2 s內(nèi)檢測(cè)到手柄由牽引位或惰行位轉(zhuǎn)換到制動(dòng)位時(shí)，即使用虛擬電制動(dòng)力值；若手柄由最大牽引位快速轉(zhuǎn)換到最大制動(dòng)位時(shí)，牽引系統(tǒng)由最大牽引狀態(tài)到施加最大電制動(dòng)力需要3 s左右的時(shí)間，故制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在2 s后補(bǔ)充空氣制動(dòng)。② 制動(dòng)級(jí)位由小級(jí)位快速轉(zhuǎn)換到大級(jí)位時(shí)，在電制動(dòng)建立的過程中，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)立刻補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

圖5 制動(dòng)指令按手柄實(shí)際制動(dòng)級(jí)位發(fā)出的界面

為避免上述兩種情況發(fā)生，TCMS軟件最終調(diào)整為在100 ms 的TCMS軟件運(yùn)行周期內(nèi)，牽引/制動(dòng)參考值增加6.67%(快速制動(dòng)時(shí)制動(dòng)指令直接按照最大值計(jì)算)，參考值的變化范圍為-100%～100%。經(jīng)此修改后，可避免上述兩種情況下空氣制動(dòng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充的發(fā)生(見圖6)。

2.2 最大常用制動(dòng)等效減速值調(diào)試

TCMS根據(jù)加速度公式計(jì)算列車總制動(dòng)力。在列車型式試驗(yàn)時(shí)，需以列車最大常用制動(dòng)的減速度(1.12 m/s2)為目標(biāo)調(diào)整計(jì)算公式中的加速度值a。最終調(diào)試后確定a=1.14 m/s2。

圖6 制動(dòng)指令以一定斜率發(fā)出的界面

2.3 空氣制動(dòng)延時(shí)施加時(shí)間參數(shù)調(diào)試

在調(diào)試過程中，需調(diào)整電制動(dòng)施加初期制動(dòng)系統(tǒng)禁止施加空氣制動(dòng)的時(shí)間，該時(shí)間參數(shù)初始值為1.5 s。該時(shí)間參數(shù)確定方法為：最大載荷情況下，列車施加最大常用制動(dòng)，牽引系統(tǒng)觀測(cè)電制動(dòng)力上升到最大值的時(shí)間，即確定為最終的參數(shù)。通過試驗(yàn)，本方案此時(shí)間參數(shù)設(shè)定為2 s。

2.4 制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送的電制動(dòng)切除時(shí)間參數(shù)調(diào)試

當(dāng)出現(xiàn)電制動(dòng)滑行后，制動(dòng)系統(tǒng)切除電制動(dòng)信號(hào)的處理直接影響到制動(dòng)性能。若牽引系統(tǒng)調(diào)整滑行時(shí)間過長，則制動(dòng)距離增加，列車可能會(huì)冒進(jìn)或者發(fā)生停車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)。更為嚴(yán)重的是，若發(fā)生嚴(yán)重的電制動(dòng)滑行，而制動(dòng)系統(tǒng)未及時(shí)切除電制動(dòng)，可能會(huì)造成輪對(duì)擦傷的嚴(yán)重故障。

電制動(dòng)切除時(shí)間參數(shù)確定在滑行試驗(yàn)過程中進(jìn)行，該時(shí)間參數(shù)會(huì)由于列車采用不同供應(yīng)商的制動(dòng)系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)而發(fā)生變化，但確定該參數(shù)的原則只有一個(gè)，即保證制動(dòng)距離并且最大程度防止輪對(duì)的擦傷。經(jīng)過調(diào)試，本方案確定：當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重滑行時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)立即切除電制動(dòng)；如果電制動(dòng)滑行未達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)規(guī)定的滑行深度5 s后，制動(dòng)系統(tǒng)切除電制動(dòng)。

2.5 低速電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)調(diào)試

低速電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)的確定對(duì)于制動(dòng)閘瓦的磨耗及乘客舒適度有著相當(dāng)大的影響：若設(shè)定的速度點(diǎn)過高，則電制動(dòng)過早退出，空氣制動(dòng)過早施加，制動(dòng)閘瓦使用率增大，導(dǎo)致閘瓦損耗增加；若電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)過低，則在低速段，由于牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)控制不精確，電制動(dòng)的退出斜率不能穩(wěn)定在規(guī)定值，導(dǎo)致列車沖動(dòng)過大，影響旅客舒適度。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，電空轉(zhuǎn)換點(diǎn)選擇在6～8 km/h之間。本方案最終確定低速電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)為8 km/h。

2.6 低速電空轉(zhuǎn)換電制動(dòng)退出信號(hào)時(shí)間參數(shù)調(diào)試

由于電制動(dòng)施加的速率快于空氣制動(dòng)的速率，為保證兩種制動(dòng)變化的一致性，在低速電空轉(zhuǎn)換時(shí)，電制動(dòng)一般應(yīng)延后于空氣制動(dòng)動(dòng)作。經(jīng)現(xiàn)車調(diào)試，本方案TCMS在向制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送電制動(dòng)退出信號(hào)后，延時(shí)200 ms向牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)退出信號(hào)。

2.7 緩解保持制動(dòng)牽引力參數(shù)調(diào)試

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)緩解保持制動(dòng)的條件之一為整車實(shí)際施加的牽引力大于規(guī)定值，該值的確定主要考慮以下兩方面問題：① 保證列車的啟動(dòng)舒適性；② 防止起車階段，列車倒溜。若緩解保持制動(dòng)的牽引力設(shè)置偏大，則起車時(shí)司機(jī)需給出較大的牽引級(jí)位，列車沖動(dòng)較大；若緩解保持制動(dòng)的牽引力設(shè)置偏小，則在坡道較大的線路起車時(shí)，由于牽引力小于列車的下滑力，容易引起向后溜車的安全事故。經(jīng)現(xiàn)車調(diào)試，本方案緩解保持制動(dòng)的牽引力根據(jù)整車不同載荷，確定為從AW0到AW3載荷按照115 kN到180 kN線性增加。

3 結(jié)語

本文介紹了一種新的城市軌道交通車輛制動(dòng)力管理策略。該策略優(yōu)點(diǎn)主要有：① 充分利用電制動(dòng)力，減少空氣制動(dòng)閘瓦損耗，既節(jié)約了能源，又降低了維修成本；② 減小電制動(dòng)和空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中的沖動(dòng)率，增強(qiáng)乘客舒適度；③ 加強(qiáng)TCMS對(duì)列車的控制能力，加強(qiáng)TCMS、制動(dòng)系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)在列車制動(dòng)過程中的協(xié)同性。該制動(dòng)力管理方案已應(yīng)用于多個(gè)城市軌道交通線路的車輛系統(tǒng)中，運(yùn)用效果良好，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。