高鐵快運動車組關鍵系統應急處理研究

鄒 穎， 趙佳穎， 宋君君

（中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心， 河北 唐山 063035）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，高附加值貨物的種類和數量有了較大的變化，以汽車配件、電子信息、醫藥、服裝、鮮花、海鮮等為代表的快運貨物需求發展較快，這類貨物對運輸能力、 運輸速度和運輸條件有較高的要求。目前我國鐵路開行的行包行郵專列在運輸能力、服務水平與客戶的要求還存在差距， 尚不能完全滿足社會需求。隨著客運專線進一步建設，為高鐵快運動車組的開行提供了前提條件。

據統計，2020 年我國快遞業務量達到833.6 億件，同比增長31.2%，快捷貨運市場潛力巨大。 因此，發揮高速鐵路快速、準時、安全的特點，利用高速動車組列車運輸小批量、高附加值的貨物，提高運輸資源利用率，增加運輸經濟收益，拓展鐵路快捷貨運服務十分重要。

1 高鐵快運動車組簡介

高鐵快運動車組是基于時速350 公里復興號動車組技術平臺，編組、速度等級及動力配置與復興號動車組相同，重點對貨物快速裝卸、一體化運輸以及在途管理等與貨運相關的關鍵技術進行研究。

普通動車組單車內電氣柜集成了單車所有的空開、繼電器、隔離開關，司機無法解決的故障，一般都是由機械師到故障發生車廂的電氣柜進行檢查處理，高鐵快運動車組為保證裝載空間的最大化，車廂中間不設貫通道，原車內電氣柜放置于車下，各車廂封閉。 機械師無法在車內直達故障所在車廂對故障進行處理，必須提出新的方案。

2 關鍵系統應急處理方案選擇

因電氣柜安裝在車下， 應急處理最簡單的方案就是停車后，機械師下車處理，但有兩個問題。 一個是車下電氣柜的操作如正好在站臺側，人無法接觸；另一個是動車組原則上不允許途中停車， 特殊情況需要向行車調度申請，動車組涉及應急處理的系統（火警、制動、軸溫、失穩等）并不少，不能總申請停車。

第2 種方案為將各車需要應急處理操作的開關、按鈕通過硬線引到頭車，此方案問題更多，首先要在機械師處增設操作處理裝置；1 個開關至少需增加2 根車內貫穿線（到兩個頭車），新增的車內貫穿線就超過了車端跨接線的預留。

第3 種方案為在頭車通過人機接口顯示屏 （HMI）觸發MVB 網絡控制單車繼電器動作，繼電器輔助觸點接入動作回路實現，此方案易實施，由于加入了網絡，需要提升方案可靠性，初步選定此方案。

3 關鍵系統應急處理方案

以制動系統為例， 需要實現單車制動系統的切除和復位。 方案包括總體方案、硬線和網絡。

3.1 總體方案

單車空氣制動切除原通過機械師操作實現， 本項目仍只能讓機械師操作。 具體通過機械師HMI 實現，在HMI 中增加單車空氣制動切除顯示界面，通過HMI 軟鍵對單車空氣制動進行切除，中央控制單元（CCU）接收到HMI 軟鍵切除指令后， 通過車廂網絡傳遞給單車I/O 信號，控制本車空氣制動切除繼電器，由該繼電器控制單車空氣制動切除，制動控制單元（BCU）將單車空氣制動切除狀態傳輸至HMI，CCU 對單車空氣制動切除狀態進行診斷，HMI 進行單車空氣制動切除狀態顯示。

單車制動復位方案與空氣制動切除方案類似。

3.2 硬線方案

硬線方案分為制動切除和制動復位兩部分。

3.2.1 制動切除

制動切除需要在停車狀態下操作， 原通過位于單車的手動開關觸發，通過硬線直連到本車BCU。現通過網絡的DO 脈沖信號觸發雙穩態繼電器， 其觸點通過硬線直連到BCU。 使用雙穩態繼電器的好處是可以長期保持住接收的信號，直到重新接收到信號，這樣就避免了網絡信號長時間輸出造成的信號不穩定。為了提高可靠性，一個網絡信號通過兩個不同IO 機箱上的板卡輸出。

=28-K17 為雙穩態繼電器， 其A1 端口和B1 端口都同時接收來自網絡=24-T37 和=24-T50 IO 機箱的輸出信號，A1 端口得電后， 其輔助觸點動作并長期保持這一狀態， 直到B1 端口得電；=28-K17 的13、14 常開觸點接入BCU，詳見圖1、圖2。

圖1 制動切除觸發電路圖

圖2 制動切除電路圖

3.2.2 制動復位

單車制動復位原通過直接復位故障BCU 的空開實現， 現在BCU 供電線路中串入繼電器常閉輔助觸點，繼電器通過網絡的DO 脈沖信號觸發。 制動復位使用的普通繼電器， 因網絡的DO 脈沖信號只需維持很短時間。 為了提高可靠性，一個網絡信號通過兩個不同IO 機箱上的板卡輸出。

=28-K20 和=28-K21 為制動復位繼電器，都同時接收來自=24-T33 和=24-T34 IO 機箱的輸出信號，=28-K21 的21、22，31、32 常閉觸點分別接入BCU 第一個供電回路的正負極，=28-K20 的21、22，31、32 常 閉 觸點分別接入BCU 第二個供電回路的正負極，詳見圖3、圖4。

圖3 制動復位觸發電路

圖4 制動復位電路

3.3 網絡方案

網絡方案包括診斷邏輯設計和HMI 方案。

3.3.1 診斷邏輯設計

動車組網絡診斷系統由中央診斷系統和子系統診斷兩部分組成。 中央診斷系統集成在HMI 上，對子系統上報的故障代碼進行存儲、分類、顯示和評估。 子系統診斷主要涉及CCU、牽引、BCU、安全環路、轉向架、給水衛生、照明等關鍵和重要系統。

診斷代碼故障等級分為3 級，1 級故障為嚴重故障，需立即處理；2 級故障為車輛功能受限，可以繼續運行；3級故障為車輛可以繼續運行，但需入庫后維護。

針對單車制動切除和復位，網絡對HMI 指令狀態和IO 機箱上的板卡輸出信號進行比對，顯示2 級故障代碼；對雙穩態繼電器和復位繼電器輔助觸點進行雙路監控，顯示3 級故障代碼。

3.3.2 HMI 方案HMI 界面將BCU 切除和復位功能拆分成2 個界面。在HMI 制動切除界面上，各車均設置2 個按鈕，實現切除和取消切除功能。

若想切除某車BCU，通過軟按鍵來選擇相應的車號。CCU 收到HMI 軟按鍵按下BCU 斷電指令時， 通過單車DO 輸出高電平，控制單車BCU 復位繼電器得電，BCU 供電電路上串接的該繼電器常閉觸點斷開，BCU 斷電；延時15s 后，BCU 斷電指令消除，單車DO 輸出低電平，相應繼電器不得電， 串接在BCU 供電電路上的常閉觸點閉合，BCU 得電。 以上復位操作必須在動車組速度小于5 km/h信號有效時才能實現。

操作完成后，切除（字樣）下的灰色按鈕按鈕顯示紅色， 通過在制動切除界面查看單車制動缸壓力為0 判斷是否制動切除成功，見圖5。

圖5 制動切除HMI 設置

對于01/08，03/06 車， 通過在HMI 界面上增加2 個按鈕，實現單個BCU 復位。 當需要復位某車的BCU 時，在HMI 的BCU 復位界面，選擇相應車的BCU 復位鍵（即復位BCU1 字樣所在處），HMI 發出3s 脈沖后HMI 復位鍵回彈到初始狀態。

操作完成后， 圖6 中復位BCU1 下的灰色按鈕顯示綠色。 在HMI 的通信狀態界面查看BCU 是否重新在線。

圖6 制動復位HMI 設置

4 安全評估

由于制動切除功能涉及行車安全， 對此做了安全評估， 詳見表1。

表1 制動切除功能安全評估

5 裝車驗證

高鐵快運動車組已完成廠內調試， 對各項功能進行了驗證，試驗結果各功能正常。

6 結論

高鐵快運動車組關鍵系統應急處理采用網絡驅動單車繼電器方案，易于實現，經評估，電路各環節都有監控，網絡板卡進行了冗余設置，控制邏輯合理。 未來隨著高鐵快運動車開展廠外試驗，以進一步驗證可靠性。