“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控車與制動(dòng)功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

張普亮，汪 楓，姚 翔

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組通過互聯(lián)互通和統(tǒng)型設(shè)計(jì)，采取統(tǒng)一的TCN通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各車輛數(shù)據(jù)共享交互，為子系統(tǒng)溝通協(xié)作、互補(bǔ)控制提供數(shù)據(jù)交互平臺(tái)。制動(dòng)系統(tǒng)利用列車網(wǎng)絡(luò)控車技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)各車輛制動(dòng)控制單元（BCU）間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)充分交互，將分散的各車輛制動(dòng)功能控制整合為統(tǒng)一的列車級(jí)集中控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能的取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同控制，達(dá)到最優(yōu)的制動(dòng)控制效果。

1 列車網(wǎng)絡(luò)控車

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的TCN通信標(biāo)準(zhǔn)，使用列車級(jí)和車輛級(jí)兩級(jí)總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，列車級(jí)總線實(shí)現(xiàn)列車級(jí)控制，車輛級(jí)總線實(shí)現(xiàn)各車輛間數(shù)據(jù)交互和控制命令傳輸。

350公里“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組采用WTB列車級(jí)總線和MVB車輛級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，250公里“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組采用ETB車輛級(jí)總線和ECN車輛級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩套網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全對(duì)等，便于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)傳輸信息的管理和通信協(xié)議的統(tǒng)一。

CCU（中央控制單元）是列車網(wǎng)絡(luò)控制核心單元，具有多功能車輛總線（MVB/ECN）管理能力，能夠進(jìn)行被動(dòng)的主權(quán)轉(zhuǎn)移功能，實(shí)現(xiàn)車輛級(jí)總線管理、邏輯控制以及對(duì)子系統(tǒng)控制等功能。BCU（制動(dòng)控制單元）為制動(dòng)系統(tǒng)核心單元，負(fù)責(zé)車輛制動(dòng)系統(tǒng)功能的控制管理。

1.1 WTB總線+MVB總線

350公里“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組采用WTB列車級(jí)總線和MVB車輛級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，1-4車為一個(gè)車輛牽引單元，5-8車為另一個(gè)車輛牽引單元。兩個(gè)牽引單元間通過WTB總線通信，實(shí)現(xiàn)列車級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸，車輛牽引單元內(nèi)則通過MVB總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，見圖1。

圖1 WTB總線+MVB總線

MVB通信為主從式通信，主站配置設(shè)備調(diào)度表，輪詢各從站設(shè)備，從站應(yīng)答主站命令，采用廣播通信、載波偵聽通信機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。CCU和BCU通過配置設(shè)備通信端口以從站應(yīng)答主站命令方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各設(shè)備根據(jù)車輛通信協(xié)議與需要通信的設(shè)備以源主和宿主的方式，發(fā)送和接收指令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制命令的交互。

1.2 TB總線+ECN總線

250公里“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組采用ETB車輛級(jí)總線和ECN車輛級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1-4車為一個(gè)車輛牽引單元，5-8車為一個(gè)車輛牽引單元。兩個(gè)牽引單元間通過ETB總線通信，實(shí)現(xiàn)列車級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸，車輛牽引單元內(nèi)則通過ECN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，見圖2。

圖2 ETB總線+ECN總線

ECN以太網(wǎng)通信采用組播通信機(jī)制，CCU和BCU通過配置設(shè)備IP地址組建組播群的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。各設(shè)備通過建立組播群形式，根據(jù)車輛通信協(xié)議在組播群發(fā)送和接收指令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制命令的交互。

2 列車級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)控制

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組由兩個(gè)車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)單元組成，每個(gè)車輛網(wǎng)絡(luò)單元包含兩輛拖車和兩輛動(dòng)車。每列車具有列車級(jí)主控功能的BCU（簡(jiǎn)稱TBM）進(jìn)行列車級(jí)制動(dòng)功能管理控制，每個(gè)牽引單元具有單元級(jí)主控功能的BCU（簡(jiǎn)稱SBM）進(jìn)行車輛級(jí)制動(dòng)功能管理控制，各車輛配置一臺(tái)本地BCU進(jìn)行本車輛制動(dòng)功能的執(zhí)行控制，見圖3。

圖3 列車級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)控制架構(gòu)

列車級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)控制通過為各角色BCU設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通信端口被看做是BCU的數(shù)據(jù)通信身份識(shí)別地址，發(fā)布數(shù)據(jù)的端口為源主，接收數(shù)據(jù)的端口為宿主，各BCU依次發(fā)布和接收控制命令。TBM為制動(dòng)系統(tǒng)的中樞大腦，負(fù)責(zé)各項(xiàng)制動(dòng)功能的統(tǒng)一管理控制，通過自身端口向SBM、BCU端口發(fā)布控制命令，同時(shí)接收SBM和BCU的狀態(tài)數(shù)據(jù)。TBM/SBM/BCU通過源地址和宿地址角色的轉(zhuǎn)變，將制動(dòng)功能控制數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信媒介進(jìn)行發(fā)布和接收，實(shí)現(xiàn)各角色間BCU的大數(shù)據(jù)交互，保證制動(dòng)命令的快速、充分和高效傳輸，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的制動(dòng)功能控制，見表1。

表1 端口地址和傳輸方向

3 制動(dòng)功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組采用列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)控車，各系統(tǒng)設(shè)備間進(jìn)行充分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，為列車級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)控制提供充分的數(shù)據(jù)傳輸交互。列車級(jí)制動(dòng)控制技術(shù)將各車輛本地化的制動(dòng)控制功能由TBM統(tǒng)一進(jìn)行管理控制，將分散的本地制動(dòng)控制功能優(yōu)化為集中式控制，實(shí)現(xiàn)各車輛間制動(dòng)功能的優(yōu)化互補(bǔ)、協(xié)作控制，以司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)、制動(dòng)力管理控制、空壓機(jī)管理和制動(dòng)夾鉗防凍結(jié)制動(dòng)功能控制為例，對(duì)比分析各車輛分散制動(dòng)功能控制的不足和難點(diǎn)，探討列車級(jí)制動(dòng)控制技術(shù)對(duì)制動(dòng)功能的優(yōu)化提升。

3.1 司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)

通過司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)對(duì)制動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)鍵功能和關(guān)鍵部件進(jìn)行上線前檢查，以確保車輛運(yùn)營(yíng)前制動(dòng)控制系統(tǒng)狀態(tài)正常。司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)包括氣密性試驗(yàn)、常用制動(dòng)試驗(yàn)、緊急制動(dòng)試驗(yàn)、防滑試驗(yàn)、總風(fēng)貫通試驗(yàn)[1]。

由司機(jī)人工操作的制動(dòng)試驗(yàn)，需多人配合判斷試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)不客觀且占用時(shí)間長(zhǎng)。“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組根據(jù)列車級(jí)（TBM）、車輛級(jí)（SBM）和本地級(jí)（BCU）三級(jí)控制模式見圖4、圖5，設(shè)計(jì)整車自動(dòng)司機(jī)試驗(yàn)，例如常用制動(dòng)試驗(yàn)，TBM負(fù)責(zé)列車級(jí)的試驗(yàn)管理，包括與CCU/HMI交互，向SBM下發(fā)試驗(yàn)指令，匯總SBM上報(bào)的試驗(yàn)結(jié)果等。SBM負(fù)責(zé)所在網(wǎng)段內(nèi)制動(dòng)試驗(yàn)命令的下發(fā)與車輛試驗(yàn)結(jié)果匯總。BCU負(fù)責(zé)本車制動(dòng)試驗(yàn)的執(zhí)行及結(jié)果判斷反饋。整個(gè)試驗(yàn)過程由列車網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行，快速、準(zhǔn)備、高效。

圖4 司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

圖5 司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)界面

3.2 制動(dòng)力管理

優(yōu)先使用電制動(dòng)力是動(dòng)車組制動(dòng)力管理的最優(yōu)模式，能源回收利用的同時(shí)減少閘片磨耗[2]。分散式的車輛制動(dòng)力管理無法將多余的電制動(dòng)力用于全列共享，導(dǎo)致動(dòng)車多余的電制動(dòng)力無法用于拖車制動(dòng)力補(bǔ)充，造成電制動(dòng)力的損失，見圖6。

圖6 動(dòng)車電制動(dòng)力不能用于全列共享

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組采取列車級(jí)制動(dòng)力管，由TBM負(fù)責(zé)列車級(jí)制動(dòng)力的管理，將各動(dòng)車電制動(dòng)力能力通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互匯總至TBM計(jì)算再分配，將動(dòng)車的電制動(dòng)力利用到最大后再使用空氣制動(dòng)力，達(dá)到電制動(dòng)力的最大施加和空氣制動(dòng)力的最小施加，見圖7。

圖7 動(dòng)車電制動(dòng)力可用于全列共享

如圖8所示，350公里“復(fù)興號(hào)”施加5級(jí)常用制動(dòng)時(shí)，在速度180km/h之前全列制動(dòng)力由電制動(dòng)力全部承擔(dān)，在速度25km/h～180km/h區(qū)間電制動(dòng)力不足時(shí)，僅由拖車補(bǔ)充部分空氣制動(dòng)力，25km/h以下電制動(dòng)淡出全部使用空氣制動(dòng)力承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)列車電制動(dòng)力的最大利用[3]。

圖8 常用制動(dòng)5級(jí)制動(dòng)力分配

3.3 空壓機(jī)啟停管理控制

空壓機(jī)為列車制動(dòng)系統(tǒng)和車上用風(fēng)設(shè)備提供滿足要求的壓縮空氣。BCU負(fù)責(zé)空壓機(jī)啟停管理控制，總風(fēng)壓力需滿足用風(fēng)范圍要求（比如7800kPa～950kPa），過低壓力有可能導(dǎo)致列車產(chǎn)生緊急制動(dòng)；過高壓力將可能超過儲(chǔ)氣風(fēng)缸和管路的承載壓力，存在安全隱患。

基于硬線的空壓機(jī)啟停管理為同步啟停控制,見圖9，BCU通過壓力傳感器檢測(cè)本車總風(fēng)壓力低于一定值時(shí)（如780kPa）輸出空壓機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，空壓機(jī)啟動(dòng)命令通過貫通線進(jìn)行全列空壓機(jī)啟停控制，實(shí)現(xiàn)全列空壓機(jī)的同步啟停控制。當(dāng)配備空壓機(jī)的車輛BCU檢測(cè)到總風(fēng)壓力超過空壓機(jī)停機(jī)值時(shí)（如950kPa）控制所有空壓機(jī)同時(shí)停機(jī)。因壓力傳感器的采集誤差或故障，存在空壓機(jī)啟停超過設(shè)定值或空壓機(jī)一直工作不停機(jī)問題。空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流較高，與動(dòng)車組內(nèi)其它系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，可能損壞車輛電源，同時(shí)當(dāng)車輛電源系統(tǒng)存在降級(jí)模式時(shí)，同步啟動(dòng)空壓機(jī)易造成電源過載損壞[4]。

圖9 空壓機(jī)同步啟停控制流程

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組基于列車網(wǎng)絡(luò)，由TBM通過列車級(jí)和車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)，綜合各車總風(fēng)壓力、空壓機(jī)可用性以及車輛電源能力，負(fù)責(zé)全列空壓機(jī)啟停管理，見圖10，并具備空壓機(jī)測(cè)試和總風(fēng)監(jiān)測(cè)功能，確保總風(fēng)貫通和空壓機(jī)工作正常，設(shè)計(jì)優(yōu)化如下：

圖10 列車級(jí)空壓機(jī)啟停控制流程

（1）SBM收集單元內(nèi)各拖車BCU總風(fēng)壓力進(jìn)行有效性判斷后上傳至TBM，TBM進(jìn)行總風(fēng)壓力值計(jì)算，最大值和最小值差值在安全值以內(nèi)取所有壓力平均值用于控制空壓機(jī)啟停；若差值大于安全值，則舍棄最小值取剩余壓力平均值用于控制空壓機(jī)啟停，避免總風(fēng)壓力值異常導(dǎo)致的空壓機(jī)異常啟停。

（2）針對(duì)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流較高，與動(dòng)車組內(nèi)其它系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，可能損壞車輛電源，TBM控制各空壓機(jī)錯(cuò)峰啟動(dòng)；電源系統(tǒng)供電能力通過CCU傳送至TBM，當(dāng)存在降級(jí)模式時(shí)，TBM控制一半的空壓機(jī)啟動(dòng)，節(jié)省用電的同時(shí)保證總風(fēng)壓力的穩(wěn)定。

（3）為保證動(dòng)車組試驗(yàn)等要求，CCU接收司機(jī)屏的空壓機(jī)測(cè)試指令并發(fā)送給TBM。TBM將啟停指令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各BCU控制空壓機(jī)工作，TBM綜合判斷各空壓機(jī)正常工作狀態(tài)與總風(fēng)壓力上升狀態(tài)，向CCU上傳測(cè)試結(jié)果并在司機(jī)操作顯示屏上顯示，用于司機(jī)對(duì)空壓機(jī)工作狀態(tài)、總風(fēng)貫通狀態(tài)的確認(rèn)[5]。

3.4 防凍結(jié)功能

動(dòng)車組在低溫雨雪天氣制動(dòng)夾鉗結(jié)冰導(dǎo)致夾鉗卡滯不動(dòng)作，引起制動(dòng)不施加或不緩解，尤其對(duì)于庫(kù)外過夜停放的動(dòng)車組，早上發(fā)車時(shí)若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)更易引起車輪動(dòng)作不良抱死擦輪問題，影響列車運(yùn)營(yíng)安全效率，見圖11。現(xiàn)行的處理措施為人工除冰或增加制動(dòng)夾鉗電氣除冰功能，其中人工除冰方式存在工作量大、除冰不徹底問題，制動(dòng)夾鉗電氣除冰功能需改造車輛側(cè)制動(dòng)電氣環(huán)路，增設(shè)電氣控制信號(hào)，成本過高。

圖11 制動(dòng)夾鉗凍結(jié)

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組防凍結(jié)功能通過列車級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，建立CCU-TBM-SBM-LBCU四級(jí)防凍結(jié)控制模式，在制動(dòng)狀態(tài)下依次對(duì)各車輛制動(dòng)夾鉗進(jìn)行緩解，控制制動(dòng)夾鉗松開和抱緊制動(dòng)盤，往復(fù)動(dòng)作防止結(jié)冰。其中CCU負(fù)責(zé)防凍結(jié)模式的激活和監(jiān)控，TBM負(fù)責(zé)防凍結(jié)功能的整體控制，SBM負(fù)責(zé)本牽引單元的防凍結(jié)指令傳達(dá)和監(jiān)控，BCU負(fù)責(zé)本車輛防凍結(jié)緩解/制動(dòng)執(zhí)行，控制制動(dòng)夾鉗松開和抱緊制動(dòng)盤，防止結(jié)冰。

圖12 HMI防凍結(jié)界面

具體控制方案見圖13，在列車升弓送電、緩解停放制動(dòng)和緊急制動(dòng)工況下、施加常用制動(dòng)，司機(jī)點(diǎn)擊HMI防凍結(jié)開始按鈕，CCU綜合列車狀態(tài)，滿足預(yù)設(shè)條件后將“防凍結(jié)模式請(qǐng)求”置1通過網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送給TBM。TBM接收到CCU發(fā)送的“防凍結(jié)模式請(qǐng)求”為1，置“防凍結(jié)進(jìn)行中”為1激活防凍結(jié)模式，并通過網(wǎng)絡(luò)端口依次向1～8車BCU發(fā)送防凍結(jié)指令。SBM將防凍結(jié)指令轉(zhuǎn)發(fā)至各車，1～8車依次緩解車輛制動(dòng)，例如1車BCU接收到防凍結(jié)指令，強(qiáng)制緩解本車純空氣制動(dòng)，控制制動(dòng)夾鉗動(dòng)作由制動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榫徑鉅顟B(tài)并持續(xù)T1s后再次施加制動(dòng)，制動(dòng)夾鉗由抱緊制動(dòng)盤變?yōu)樗砷_制動(dòng)盤并再次抱緊制動(dòng)盤，T2s后2車同樣進(jìn)行制動(dòng)-緩解-制動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗的防凍結(jié)功能動(dòng)作[6]，1～8車按照此模式依次進(jìn)行防凍結(jié)控制，直至退出防凍結(jié)模式。

圖13 防凍結(jié)控制過程

4 結(jié)束語

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組采用列車級(jí)制動(dòng)控制技術(shù)，從列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)控車技術(shù)出發(fā)，利用車輛間充分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信機(jī)制，將各車輛制動(dòng)控制功能統(tǒng)一由TBM進(jìn)行管理控制，將車輛間分散的本地制動(dòng)控制功能優(yōu)化為集中式控制，實(shí)現(xiàn)各車輛制動(dòng)功能優(yōu)化互補(bǔ)、協(xié)同控制。本文以司機(jī)制動(dòng)試驗(yàn)、制動(dòng)力管理、空壓機(jī)管理和防凍結(jié)功能設(shè)計(jì)優(yōu)化為例，闡述列車級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為動(dòng)車組系統(tǒng)功能的優(yōu)化提供設(shè)計(jì)思路方法。