龐玉林，陳 偉，曹宏發(fā)，孟紅芳

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

和諧號動車組是我國近年來高速鐵路蓬勃發(fā)展的重要成果，其設(shè)計(jì)水平和裝備制造水平都位于國際領(lǐng)先地位。CRH3動車組具有功能豐富的各類子系統(tǒng)，通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)（TCN）和硬線互相接口和通訊。作為其關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，制動系統(tǒng)采用了先進(jìn)的微機(jī)電空制動系統(tǒng)，同時(shí)保留備用制動系統(tǒng)，增加了其安全性。根據(jù)列車安全運(yùn)行的總體要求和各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的不同需求，制動系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的接口也具有特定的方式方法。

1 和諧號動車組制動系統(tǒng)概述

和諧號動車組制動系統(tǒng)主要由制動控制單元、基礎(chǔ)制動裝置、風(fēng)源系統(tǒng)和制動指令系統(tǒng)等部分組成。制動控制系統(tǒng)采用空氣制動和動力制動相復(fù)合、優(yōu)先使用動力制動的制動模式。

和諧號動車組制動系統(tǒng)的主要功能包括：

（1）實(shí)現(xiàn)緊急制動功能，保證安全距離內(nèi)可靠停車；

（2）常用制動實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)營的調(diào)速和停車，包括對列車空氣制動力和動力制動力的分配與控制；

（3）停放制動實(shí)現(xiàn)坡道上的可靠停放；

（4）車輪滑行保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)對低黏著條件下的制動力施加和防止車輪出現(xiàn)防滑；

（5）相關(guān)部件和系統(tǒng)的診斷功能。

制動系統(tǒng)與列車其他子系統(tǒng)的接口也主要圍繞這些功能的實(shí)現(xiàn)展開。

動車組的每輛車都配有一套制動控制單元，包含制動系統(tǒng)的控制核心組件——EBCU和PBCU，具有本車空氣制動和動力制動的管理功能。考慮到每輛車的功能差異，制動控制單元的組件和功能也略有區(qū)別，圖1給出了制動控制單元的全部功能組件，各制動控制單元根據(jù)車輛配置來對這些功能組件進(jìn)行組合：

圖1 制動控制單元功能組件

制動控制單元的功能結(jié)構(gòu)從硬件上決定了制動系統(tǒng)能夠提供的全部功能、狀態(tài)和接口形式，是接口關(guān)系分析的基礎(chǔ)。

2 制動系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的接口方式

2.1 通過列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互

CRH3和諧號動車組的各控制子系統(tǒng)通過多功能車輛總線（MVB）接入列車通訊網(wǎng)絡(luò)（TCN）進(jìn)行通訊。每4輛車組成的一個(gè)牽引單元構(gòu)成一個(gè)相對獨(dú)立的MVB網(wǎng)段（即：對于8輛編組的列車而言就有兩個(gè)MVB網(wǎng)段）。每個(gè) MVB網(wǎng)段內(nèi)部，制動系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和TD－HMI（列車—司機(jī)人機(jī)接口）等子系統(tǒng)通過MVB總線通信。兩個(gè)MVB網(wǎng)段通過網(wǎng)關(guān)間接進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)間通過 WTB總線相連。MVB總線和WTB總線統(tǒng)稱為TCN系統(tǒng)。如圖2所示。值得一提的是，對于制動系統(tǒng)而言，它是由分布于各車的多個(gè)制動控制單元（BCU）組成的。

圖2 制動子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)通過MVB通訊

2.2 通過列車安全環(huán)路進(jìn)行故障導(dǎo)向安全控制

和諧號動車組列車配備有緊急制動環(huán)路、停放制動監(jiān)控環(huán)路、制動緩解環(huán)路、旅客緊急制動環(huán)路、轉(zhuǎn)向架監(jiān)控環(huán)路和火災(zāi)報(bào)警環(huán)路，這些環(huán)路貫穿全列，都有復(fù)雜的連鎖邏輯關(guān)系，能夠起到故障導(dǎo)向安全的作用。制動系統(tǒng)通過環(huán)路上的繼電器等裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測環(huán)路的通／斷狀態(tài)，一旦環(huán)路斷開，表示出現(xiàn)了危及列車運(yùn)行安全的緊急事件，則會立即觸發(fā)制動系統(tǒng)動作，自動施加制動減速或停車，從而避免可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)。

2.3 通過列車線進(jìn)行停放制動控制等

和諧號動車組列車配備有停放制動施加、停放制動緩解和緊急驅(qū)動模式等列車線。列車線傳遞司機(jī)的控制指令，不依賴于網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)時(shí)性和可靠性更有保障。列車線的高低電平狀態(tài)被制動系統(tǒng)接收作為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制和診斷功能的依據(jù)。

3 制動系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)的接口關(guān)系

列車控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對列車整體運(yùn)行狀態(tài)（包括網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)和硬線回路系統(tǒng)）進(jìn)行監(jiān)控和管理，保證列車設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，并處理列車異常狀態(tài)及多種行車和檢測功能。

制動系統(tǒng)通過列車控制系統(tǒng)可以獲取列車的運(yùn)行狀態(tài)，作為制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其各種功能所必須的判據(jù)，大致包括：

（1）列車運(yùn)行方向，用于撒沙控制；（2）列車各安全環(huán)路狀態(tài)及其是否被旁路，用于緊急制動、壓力檢查和自動制動測試（ABT）等功能；（3）司機(jī)室占用狀態(tài)，用于頭車確立和列車制動管理（TBM）實(shí)現(xiàn)；（4）參考輪徑值和列車速度，用于速度計(jì)算和防滑計(jì)算；（5）各部分的電源供電狀態(tài)，用于空壓機(jī)管理和停放制動管理；（6）空氣干燥設(shè)備狀態(tài)，用于空氣干燥設(shè)備管理。

制動系統(tǒng)也響應(yīng)列車控制系統(tǒng)傳來的命令及請求，以實(shí)現(xiàn)列車控制系統(tǒng)發(fā)起的與制動系統(tǒng)有關(guān)的要求，主要包括：

（1）自動制動測試（ABT）；（2）常用全制動請求；（3）緊急制動請求；（4）自動速度控制（ASC）；（5）全列撒沙；（6）BCU 試燈；（7）輔助空壓機(jī)控制；（8）ATP制動控制。

和諧號動車組的首要設(shè)計(jì)原則是＂故障導(dǎo)向安全＂原則，對于制動系統(tǒng)而言，也需要實(shí)時(shí)對本身系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并執(zhí)行應(yīng)對措施，因此也需實(shí)時(shí)獲取列車控制系統(tǒng)傳來的診斷信息，內(nèi)容主要包括：

（1）各安全環(huán)路是否被旁路；（2）列車實(shí)際牽引能力；（3）各牽引單元各車UIC編號；（4）停放制動是否施加；（5）輔助空壓機(jī)是否可用。

制動系統(tǒng)也通過列車控制系統(tǒng)獲得列車的相關(guān)配置信息，用于列車的配置檢查和初始化；以及時(shí)間信息，保證制動系統(tǒng)與列車的時(shí)間同步。

與此同時(shí)，制動系統(tǒng)也向列車控制系統(tǒng)報(bào)告其當(dāng)前工作狀態(tài)，供列車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，主要包括：列車管壓力、主風(fēng)管壓力、制動控制器設(shè)定、緊急制動狀態(tài)、空氣制動狀態(tài)、停放制動狀態(tài)、乘客緊急制動狀態(tài)、備用制動狀態(tài)、空氣制動能力發(fā)揮比率、含負(fù)載的列車車質(zhì)重、各轉(zhuǎn)向架加速度、防滑系統(tǒng)狀態(tài)、速度傳感器狀態(tài)、各軸工作狀態(tài)和參考軸實(shí)際速度等。主要用于列車系統(tǒng)執(zhí)行列車自動速度控制（ASC）和實(shí)施緊急制動時(shí)的判據(jù)；另外通過掌握這些狀態(tài)信息，列車控制系統(tǒng)可以完整地監(jiān)控制動系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行故障診斷和處理。

4 制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的接口關(guān)系

制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的接口主要目的是實(shí)現(xiàn)空氣制動／再生制動的復(fù)合控制功能及其相應(yīng)的防滑控制功能?？针姀?fù)合功能統(tǒng)一由制動系統(tǒng)進(jìn)行控制，而空氣防滑控制和電制動防滑控制則分別由制動系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)各自管理，以協(xié)作形式實(shí)現(xiàn)列車的防滑功能，共同保障列車的制動安全。

制動系統(tǒng)通過牽引系統(tǒng)可以獲得電制動的可用功率和執(zhí)行狀態(tài)等信息，包括：逆變器是否激活、動力單元工作模式（牽引／制動）、是否響應(yīng)了電制動減小命令、當(dāng)前各動力單元最大電制動能力和實(shí)際發(fā)揮電制動力等。這些狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息經(jīng)制動系統(tǒng)處理，被用于空氣制動／電制動復(fù)合制動的管理，以及以空氣制動為主的防滑管理。

另一方面，牽引系統(tǒng)也響應(yīng)制動系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，包括：各動力單元電制發(fā)揮比例的設(shè)定值反饋、動力單元激活電制動模式、緊急制動、防滑動作等。

牽引系統(tǒng)還需要從制動系統(tǒng)獲得相關(guān)工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對電制動的防滑管理和診斷功能，這些信息包括：各動車防滑系統(tǒng)是否正常、是否有軸進(jìn)行空氣制動、速度是否超過5km／h、傳感器有無硬件故障和電制動是否被允許等。如果出現(xiàn)故障或者異常，便會采取相應(yīng)“故障導(dǎo)向安全”措施以保證列車制動安全。

5 制動系統(tǒng)與TD－HMI

作為司機(jī)獲取列車狀態(tài)的直接途徑，TD－HMI具備強(qiáng)大的信息獲取能力和交互功能，將列車各系統(tǒng)工作狀態(tài)和功能執(zhí)行狀態(tài)顯示于屏幕，使司機(jī)全面而有效地掌握列車運(yùn)行狀態(tài)，更好的發(fā)現(xiàn)和處理問題和故障，從而保證列車安全。

對于制動系統(tǒng)而言，需要為TD－HMI提供全面而詳細(xì)的制動設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和制動功能執(zhí)行狀態(tài)，包括各制動功能信息：

（1）常用／緊急制動功能：列車管壓力值、總風(fēng)管壓力值、列車制動可用率、列車制動模式、列車管充風(fēng)閥狀態(tài)、各車空氣制動切除／施加／緩解；（2）自動制動測試功能：測試狀態(tài)、測試階段、測試是否取消、測試是否出錯、距上次完成制動測試的時(shí)間；（3）制動管理：司機(jī)室占用狀態(tài)；（4）停放制動功能：全列所有停放制動狀態(tài)和診斷、停放制動是否切除、停放制動緊急緩解；（5）撒沙功能：全列撒沙禁止、撒沙烘干禁止、空壓機(jī)可用狀態(tài)。

司機(jī)通過操作TD－HMI可以對制動系統(tǒng)發(fā)出特定命令，如：禁止列車管充風(fēng)、禁止空壓機(jī)啟動、關(guān)閉撒沙烘干、制動能力測試和停放制動緊急緩解等，用于列車特殊情況的處理。

制動系統(tǒng)與TD－HMI完成的另一項(xiàng)重要功能就是允許司機(jī)在人機(jī)交互界面上，按照編排好的菜單順序逐步執(zhí)行各項(xiàng)制動測試，即菜單制動測試（MBT），以檢驗(yàn)各車制動系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否正常。

在MBT過程中，司機(jī)是測試內(nèi)容和進(jìn)度的掌控者，通過TD－HMI所提供的菜單，一步一步向制動系統(tǒng)發(fā)出測試功能請求。司機(jī)在本階段測試內(nèi)容完成的提示后，決定何時(shí)繼續(xù)下一步測試。MBT測試按照以下步驟進(jìn)行：

① 直接制動（Direct Brake）測試；②緊急制動（EB）測試；③總風(fēng)管貫通性（MRP）測試；④列車管（BP）泄露測試；⑤間接制動（Indirect Brake）測試；⑥列車管（BP）貫通性測試。

菜單制動測試功能有助于在維護(hù)和例行檢查時(shí)預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，保證列車運(yùn)行時(shí)的安全和可靠。

6 制動系統(tǒng)與門控系統(tǒng)

制動系統(tǒng)通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給門控制系統(tǒng)總風(fēng)缸壓力和空壓機(jī)狀態(tài)信息，供門控系統(tǒng)用風(fēng)的控制和判斷。同時(shí)將速度傳感器獲取的車輛速度值判斷后發(fā)給門控系統(tǒng)，控制是否運(yùn)行開門的診斷功能。

7 結(jié)束語

和諧號動車組制動系統(tǒng)采用列車通訊總線和硬線的方式，與列車的其他各子系統(tǒng)接口與通信。通過完善的信號交互規(guī)則，有效地滿足了各子系統(tǒng)的接口需求，并遵循了“故障導(dǎo)向安全”設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)診斷與安全措施，有效地保證列車的安全運(yùn)行。