有軌電車列車控制與管理系統的優化設計

杜 飛 孫景輝 趙佳穎

(中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心， 唐山， 063035∥第一作者， 工程師)

TCMS(列車控制與管理系統)用于城市軌道交通列車的控制、監視及管理等方面，具有接口多、集成化要求高等特點，是列車設計的核心技術之一。在地鐵、輕軌、高鐵等項目中，TCMS普遍采用分布式總線控制，并根據功能劃分為列車網絡控制、牽引、制動、乘客信息等子系統。業內對TCMS等系統進行了廣泛的研究，如:文獻[1]闡述了高速動車組TCMS的發展，圍繞TCMS的通信原理及系統設計進行了研究；文獻[2-4]中針對列車的系統融合進行了研究。本文在以往項目經驗總結及業內專家前期研究成果的基礎上，基于某有軌電車原型車項目，針對TCMS與牽引、制動系統的控制方式，以及TCMS和PIS(乘客信息系統)的功能融合等方面進行優化設計。

1 TCMS優化設計方案

TCMS對列車的各子系統采取監視、控制和管理3類策略，主要體現為：①采集各子系統的信息，評估各子系統的設備狀態；②根據司機的操作指令，輸出牽引/制動指令、空調溫度調節等控制信號，并要求子系統做出響應；③對各子系統的故障進行評估及顯示,記錄列車的運行里程、運行時間及能耗等數據。

如圖1所示，本文TCMS設計主要依托TCN(列車通信網絡)控制架構，其中:VCU(車輛控制單元)為主設備，其他子系統為從設備；VCU與HMI(人機接口)之間采用以太網通信，遵循Modbus TCP協議；HMI與PIS主機之間設置獨立的以太網接口，用于傳輸視頻信息。

2 列車控制功能

依托圖1的網絡控制結構，本文重點研究以TCMS為主導的有軌電車的坡道起動和制動過程的控制，以及HMI與PIS監控屏的融合。

2.1 列車起動控制

在以往項目中，有軌電車的坡道起動是根據列車質量、線路坡度等情況預先設置1個制動緩解的力，當牽引力達到該特定值后緩解制動，列車起動運行。這種方式在一定程度上會影響列車起動時的安全性和舒適性。本優化方案中，TCMS以司機牽引手柄級位信號、列車載重、線路坡度及阻力等信息作為設計輸入，實施列車的起動控制。列車起動運行受牽引力Ft、保持制動力Fb、列車重力G、坡道阻力fp、起動阻力fq、風阻力fw等的影響(忽略運行阻力)[5]。列車運行線路坡度θ由坡道傳感器采集獲得；Fb由TCMS根據列車車重及列車所處的坡度計算獲得，并將該制動力值發送給牽引系統。

注：ACU為輔助控制單元；AP為無線接入點；BCU為制動控制單元；DRU為數據記錄儀；Ethernet 為以太網；EDCU為車門控制單元；ERM為事件記錄儀；ESW為TCMS以太網交換機；F為浮車；FAS為火災報警系統(此處為主機)；HVAC為空調控制單元；Mc為帶司機室的動車；MVB為多功能車輛總線；PIS-ESW為PIS以太網交換機； RIOM為遠程輸入輸出模塊；RPT為中繼器；TCU為牽引控制單元；Tp為帶受電弓的拖車；VCU為車輛控制單元。

當列車靜止時，需要制動系統施加保持制動，用于抵消由于列車自重產生的分力；列車起動時，列車控制指令需要按照設計好的控制時序對列車受力進行控制。由于客觀因素的影響，各列車指令在執行時存在一定的網絡延時和指令執行耗時。如圖2所示，由司機觸發駕駛手柄牽引命令，經網絡延時(t1)后由TCMS將牽引指令發送給牽引系統；完成TCU的電機勵磁自檢(t2)和預加轉矩建立(t3)；在預加轉矩建立后，TCU請求的制動緩解信號經過網絡延時(t4、t5)后由TCMS轉發給BCU；經制動緩解(t6)后列車制動緩解完成；牽引需求轉矩建立(t7)后列車起動。

圖2中，BCU接收到制動緩解請求后，經t5時間后BCU施加的保持制動力Fb開始減小，如圖3所示。T1時刻Fb開始減小，T2時刻當Ft增大至坡道阻力fp后，列車處于平衡狀態，Fb按約定斜率減小至T3時刻后完全緩解。此時，Ft繼續增大并抵消fq，列車向前運行，列車坡道起動完成(此處未考慮風阻力fw)。優化后的TCMS控制方式可減少列車沖擊和溜車的風險。

注：箭頭表示控制信號發送方向。

圖3 列車起動時力的施加情況

分析列車靜態受力平衡模型，得出其在起動運行時的受力為：

Ft=ma+f

(1)

式中：

m——列車質量；

a——起動加速度；

f——列車總阻力。

總阻力f的計算式為：

f=fp+fq+fw

(2)

列車起動時，坡道阻力和起動阻力為主要因素，其中:fp為列車重力的分力；fq主要用于克服機械摩擦及慣性。

坡道阻力fp的計算式為：

fp=θG

(3)

參考該有軌電車原型車項目牽引系統計算報告，fq和fw的計算式分別為：

fq=Qmg

(4)

fw=0.004 905ρV2CA

(5)

式中：

Q——列車啟動的阻力系數；

m——列車質量，kg;

g——重力加速度，m/s2;

ρ——空氣密度，kg/m3；

V——風速，m/s；

C——空氣阻力系數；

A——風的作用面積，m2。

2.2 列車制動力分配

以往項目通常由制動系統分配列車的制動力，電制動力的請求值和實際的發揮值往往存在差值，導致液壓制動誤投而磨損閘瓦的情況時有發生。而且，由于指令的多次轉發，影響制動效率。如圖4所示，本方案中，TCMS根據制動級位、列車載重等參數計算列車所需的制動力并分配液壓制動力，同時牽引系統根據TCMS發送的指令，計算并優先施加電制動。

圖4 列車制動力分配方案

如圖4所示，在本方案中,TCMS實時監控牽引系統電制動力施加情況，并將需要補充的液壓制動力延時發送給T-BCU(拖車的制動控制單元)。由于該車兩端Mc車的制動系統為簡配，不具備對液壓制動力的實時調節功能，在列車施加常用制動時，當Mc車的2個TCU同時報出電制動狀態不正常信號時，VCU將觸發替代制動命令發送給M-BCU(動車的制動控制單元)，并施加固定液壓制動力，此時需修正發送給T-BCU的補充液壓制動力。此外，當Mc車制動系統接收到停車制動信號后，且當列車速度≤6 km/h時，列車進入停車制動階段，制動系統按固定液壓制動力和固定斜率予以施加。本方案在電/液制動轉換點后，牽引系統向TCMS發送電制動力退出信號，TCMS實時將該信號發送給M-BCU和T-BCU，牽引系統延時300 ms后退出電制動力施加，T-BCU根據列車需求施加制動力，M-BCU按固定值施加制動力。當列車運行速度≤1 km/h且司機手柄處于制動位，或者TCMS判斷列車速度為0時，TCMS將輸出保持制動施加的指令，制動系統按固定斜率施加保持制動力。

常用制動模式時序如圖5所示，TCMS采集司機手柄制動級位，經硬線采集時間(t1)后獲取制動級位信號，開始計算列車制動力需求，并由TCMS將制動級位發送給牽引系統；網絡延時(t2)后TCMS獲取牽引系統電制動力能力值，用于預估制動系統需要施加的液壓制動力；牽引系統電制動能力值經網絡延時(t3)和采信延時(t4)后獲取牽引系統電制動力實際值；網絡延時(t5)后TCMS計算得到實際液壓制動力需求，并在網絡延時(t6)后將液壓制動力需求發送給制動系統；經液壓制動空走和施加時間(t7)后，制動系統完成TCMS發送的液壓制動力需求，直至后續指令改變或者進入保持制動。

圖5 列車常用制動模式時序

參考該有軌電車原型車項目的制動系統計算報告，列車目標制動力FB的計算式為:

FB=[mAW0(1+φ)+L]β

(6)

式中：

mAW0——空車時的質量；

φ——慣性系數；

L——乘客總質量；

β——列車的制動減速度。

有軌電車牽引系統發送電制動力能力值Fdn、實際電制動力能力值Fds的計算式分別為：

Fdn=Fdn,1+Fdn,2+Fdn,3+Fdn,4

(7)

Fds=Fds,1+Fds,2+Fds,3+Fds,4

(8)

式中：

Fdn,i——牽引系統中第i個電機預計能發揮的電制動力；

Fds,i——牽引系統中第i個電機發揮的實際電制動力。

分配給Tp03車液壓制動力FTp的計算式為：

FTp=FB-Fd-2FRB

(9)

式中：

Fd——電制動力；

FRB——Mc車施加的替代制動力。

式(9)中，當且僅當2FRB>F-Fd時，FTp取值為0。

2.3 TCMS與PIS的功能融合

基于有軌電車的集成化、智能化及列車成本等市場需求[6-7]，本文對TCMS和PIS的部分功能融合進行研究，主要的優化措施是取消PIS監控屏，將PIS監控屏所有操作和顯示信息在TCMS顯示屏HMI上實現。HMI與PIS通過RTSP(實時流協議)連接，以調取視頻流和解碼切換[8]。司機可通過HMI調看實時視頻和歷史視頻。

圖6為完成功能融合后的有軌電車顯示屏HMI。顯示界面的下方為菜單選擇按鈕，可以查看列車牽引、制動等常規狀態信息。界面上方為公共顯示區域，用于顯示列車編號、速度、網壓及站點等信息。界面中部為主顯示區域，中部左側的上方顯示外部后視攝像頭信息；中部左側的下方顯示車門狀態、司機手柄、運行模式及故障提示等信息；中部右側的上方為攝像頭分屏視頻信息，該車共15個攝像頭，可進行分屏輪詢顯示；中部右側的下方為攝像頭狀態顯示，可設置攝像頭自動輪詢和手動查看等功能。

3 實車驗證

本設計方案分別通過實驗室和實車測試，驗證TCMS功能設計是否滿足項目需要。圖7所示為列車動態調試數據顯示曲線，該試驗為制動手柄的小級位電/液制動轉換經典試驗。將列車的速度提升至30 km/h后，司機手柄進入制動位并保持，如圖7中的B點所示，制動級位固定為36%。在電/液制動轉換點之前，列車制動力由TCMS和牽引系統控制，牽引系統將電制動能力值和實際值發送給TCMS。通過計算后，TCMS將列車需要的液壓制動力分配給液壓制動系統。

本文的制動力分配方式可滿足0～70 km/h速度段和不同制動模式下對有軌電車制動減速度和制動距離的要求。如表1所示，在最大常用制動時，分別施加電制動和液壓制動，制動減速度≥1.2 m/s2。在緊急制動時，撒砂系統動作，分別施加電制動、液壓制動和磁軌制動，制動減速度≥2.5 m/s2。

圖6 功能融合后的HMI顯示截圖

圖7 實車運行試驗數據曲線截圖

表1 AW3載荷下的列車制動性能測試

4 結語

本文針對有軌電車的牽引控制和制動控制提出優化思路，優化了TCMS關于列車起動、運行及制動過程的邏輯功能控制。試驗證明，通過引入坡度實時采集傳感器實現的列車起動控制方法可以有效地減少列車的起動沖擊和溜車風險。該設計方案通過TCMS計算列車所需的制動力，并根據牽引系統發揮的電制動力值向制動系統分配液壓制動力，可以快速響應列車制動指令和制動需求，滿足制動性能要求。本方案完成了TCMS和PIS的部分功能融合，解決了TCMS與PIS的軟/硬件接口匹配問題，實現了HMI視頻實時監控和歷史視頻回放等功能，提高了有軌電車的集成化程度。