李潔，黃文靜

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲412001）

城市軌道交通領域列車制動力管理應用技術

李潔，黃文靜

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲412001）

主要介紹了在城市軌道交通領域列車中制動力管理的控制技術，重點描述城市軌道交通地鐵列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（T C MS）、牽引系統(tǒng)（D C U）和制動系統(tǒng)（B C U）協(xié)同管理整車制動的控制邏輯，以及在各種狀況下關于制動相關信號的處理邏輯。

城市軌道交通（城軌）；制動系統(tǒng)；牽引系統(tǒng)；電制動；空氣制動；信號系統(tǒng)

近年隨著國內(nèi)外城軌市場的蓬勃發(fā)展，城軌網(wǎng)絡領域相關技術也推陳出新，要求也越來越高，不僅要求列車網(wǎng)絡系統(tǒng)的控制功能越來越完善，對其可靠性也尤為關注[1]。在此基礎上還希望通過列車網(wǎng)絡控制技術的提高來使關鍵部件的使用壽命及效率提升[2]。在此背景下，制動系統(tǒng)（BCU）對氣制動、電制動的傳統(tǒng)控制方案已經(jīng)不能滿足要求，為了盡量減少列車在高速運行時施加氣制動，減少閘瓦的磨耗，需要一種更加精準的制動力控制方案。

1 制動力管理方案現(xiàn)狀

在以往的項目中電制動管理是由制動系統(tǒng)（BCU）進行管理，具體控制方案如下：

（1）網(wǎng)絡系統(tǒng)（TCMS）根據(jù)來自司控器手柄或信號系統(tǒng)（ATO）的指令信號產(chǎn)生控制指令，通過MVB網(wǎng)絡發(fā)送給制動系統(tǒng)BCU；

（2）制動系統(tǒng)BCU根據(jù)制動級位和載荷等信息，計算列車總制動力和電制動力申請值，并將電制動力申請值經(jīng)由TCMS發(fā)送給牽引系統(tǒng)（DCU）；

（3）DCU根據(jù)來自TCMS轉(zhuǎn)發(fā)的電制動請求施加再生制動并將實際電制動力反饋給TCMS；

（4）TCMS傳輸列車的總制動力、各DCU實際再生制動力及各DCU的工作狀態(tài)給BCU；

（5）BCU根據(jù)總制動力和來自TCMS轉(zhuǎn)發(fā)的實際再生制動力計算和控制是否施加空氣制動力。

數(shù)據(jù)傳輸流程如下（通信周期為當前項目應用通用周期）：

如圖1所示，從BCU開始發(fā)出電制動申請（步4），到實際電制動反饋給BCU（步8），信號的傳輸經(jīng)歷了5個步驟，所需時間至少為242 ms，這樣就造成制動系統(tǒng)每產(chǎn)生一個新電制動申請值，其至少要等待242ms才能接收到DCU反饋的實際電制動力。如果列車在運行過程中，制動級位變大，BCU不能及時等到DCU新的實際電制動力反饋值，導致BCU的電制動申請值會經(jīng)常大于電制動反饋值，造成氣制動頻繁施加。

圖1 B CU管理電制動信號傳輸流程

由于制動力信號轉(zhuǎn)發(fā)傳輸存在很大延時，加上氣制動在施加后不能立即撤銷，每當制動級位發(fā)生變化時，BCU均會施加氣制動。這一過程將導致列車在高速制動過程中會施加氣制動，加快了制動閘瓦的磨耗；加劇制動缸壓縮空氣的消耗，相應增加了空氣壓縮機的打風頻率和打風時間。

同時，采用BCU管理電制動，從司控器或ATO發(fā)出制動指令到DCU開始施加電制動共需要6個步驟（步1到步6），所需時間至少為342 ms，列車制動響應時間也較慢。

2 新型制動力管理方案

2.1 網(wǎng)絡系統(tǒng)管理電制動

為了加快電制動的響應時間，減少列車在高速制動工況下施加氣制動，提出了利用網(wǎng)絡系統(tǒng)進行電制動力的分配。區(qū)別于制動系統(tǒng)管理電制動，網(wǎng)絡管理電制動總體控制模式如下：

（1）TCMS根據(jù)來自司控器或ATO的指令信號產(chǎn)生控制指令，通過MVB網(wǎng)絡發(fā)送給制動系統(tǒng)BCU、牽引系統(tǒng)DCU；

（2）BCU根據(jù)制動級位和載荷等信息，計算列車總制動力需求值。同時TCMS根據(jù)制動級位和載荷信息計算列車所需電制動力，經(jīng)由MVB發(fā)送給各車DCU；

（3）DCU根據(jù)電制動力需求值施加再生制動，并將電制動力實際值反饋給TCMS；

（4）TCMS將各車牽引系統(tǒng)的電制動力實際值反饋給BCU；

（5）BCU根據(jù)反饋的電制動力實際值判斷電制動力是否滿足列車總的制動力需求，如果不滿足，則通過氣制動力進行補足。

數(shù)據(jù)傳輸流程如下（通信周期為當前項目應用通用周期）：

如圖2所示，相對于BCU管理電制動方案，在TCMS管理電制動方案中電制動力申請計算放在TCMS中進行，流程中少了TCMS向BCU發(fā)送級位及BCU向TCMS發(fā)送電制動申請值這兩個傳輸步驟的延時以及BCU計算電制動的延時，使DCU反饋給BCU的實際電制動力更加及時，這種方式可以盡量減少制動級位變化時，由于實際電制動力反饋滯后而引起B(yǎng)CU施加氣制動。

圖2 T CMS管理電制動信號傳輸流程

而且采用TCMS管理電制動，從司控器或ATO發(fā)出制動指令到DCU開始施加電制動，經(jīng)過4個步驟，所需時間為124 ms，大大加快了列車制動的響應時間；但是此方案還是會在級位突變中進行補氣，DCU實際制動力送給制動系統(tǒng)還是存在106 ms延時，因為中間通過TCMS進行了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 T CMS、B CU和DCU配合管理整車制動

為了加快實際電制動力傳送給制動系統(tǒng)的響應時間，減少列車在高速制動工況和級位突變情況下施加氣制動，提出了利用網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸制動級位，DCU管理電制動、BCU管理氣制動的管理方案。區(qū)別于制動系統(tǒng)管理電制動和網(wǎng)絡系統(tǒng)管理電制動，網(wǎng)絡負責制動級位傳輸，DCU管理電制動和BCU管理氣制動總體控制模式如下：

（1）TCMS根據(jù)來自司控器或ATO的指令信號產(chǎn)生控制指令，通過MVB網(wǎng)絡發(fā)送給制動系統(tǒng)BCU、牽引系統(tǒng)DCU；

（2）BCU根據(jù)制動級位和載荷等信息，計算列車總制動力需求值。同時DCU根據(jù)制動級位和載荷信息計算各DCU所需電制動力，DCU根據(jù)電制動力需求值施加再生制動，并將電制動力實際值通過MVB端口發(fā)送出來；

（3）BCU接收DCU發(fā)送的實際電制動力，根據(jù)反饋的電制動力實際值判斷電制動力是否滿足列車總的制動力需求，如果不滿足，則通過氣制動力進行補足。

數(shù)據(jù)傳輸流程如下（通信周期為當前項目應用通用周期）：

如圖3所示，相對于制動系統(tǒng)管理電制動方案和網(wǎng)絡系統(tǒng)管理電制動，在TCMS傳輸制動級位、DCU管理電制動、BCU管理氣制動方案中電制動力實際值直接發(fā)送給BCU，流程中少了TCMS轉(zhuǎn)發(fā)電制動實際值給BCU的傳輸步驟的延時42 ms以及BCU接收制動級位減少32 ms，使DCU反饋給BCU的實際電制動力實時性更高，這種方式可以最大程度減少制動級位變化時，由于實際電制動力反饋滯后而引起的BCU施加氣制動。

圖3 B CU和DCU配合管理整車制動傳輸流程

而且TCMS傳輸制動級位、DCU管理電制動、BCU管理氣制動方案，從司控器或ATO發(fā)出制動指令到BCU接收到施加的電制動，經(jīng)過5個步驟，所需時間為156 ms，比網(wǎng)絡管理電制動所需的230 ms節(jié)約了74 ms，大大加快了列車制動的響應時間。

2.3 信號邏輯處理

（1）DCU電制動力計算

在DCU電制動管理中，DCU根據(jù)當前制動級位和載荷信息來計算列車所需的總制動力，其公式可表述為：

各個參數(shù)含義如下：

f制動力為列車總電制動力需求；

k級位為制動級位值，司控器或ATO級位，取值范圍0~100%，即0~1.00；

m載荷為本車載荷（包括本節(jié)動車和本單元拖車載荷的一半），包括旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，由制動系統(tǒng)提供；

a等效為滿級位時的等效瞬時加速度。

（2）制動初始時電制動力假值

雖然DCU管理電制動模式縮短了信號的傳輸延時，但還是較短的固有延時。在制動初期，從制動指令發(fā)出到制動力的施加還是存在較短的時間。為了避免制動初始時施加少許的氣制動，可以在制動初期由DCU發(fā)送給BCU一定時間的電制動虛擬值，命令BCU在制動初期不施加氣制動。

需要注意的是，在以下幾種工況下要避免發(fā)送電制動虛擬值給BCU：

一是，快速制動工況：快速制動的加速度較常用制動大，本身就是需要施加氣制動，以使列車盡快停下。

二是，本車電制動力缺失：如果本節(jié)動車DCU電制動力出現(xiàn)故障，則不需要發(fā)送電制動虛擬值。

三是，列車在低速下開始投入制動：在低速下（常用速度點為18 km/h），列車開始投入制動過程中，電制動持續(xù)的時間較短，為減少空電混合轉(zhuǎn)換時間，不需要發(fā)送電制動虛擬值。

四是，列車載荷超AW2，當列車載荷超過AW2時，列車電制動將不能滿足列車最大減速需求，這時需要由空氣制動進行補足，不需要發(fā)送電制動虛擬值。

（3）電制動衰減信號

列車制動過程中，在速度較低時（6 km/h左右），電制動開始退出，而氣制動開始上升。DCU會在電制動衰退前發(fā)出電制動衰減信號，BCU接收到任一動車DCU衰減信號（ED_Fade_Out）就開始進行電空轉(zhuǎn)換，雙方按照既定的斜率開始進行電空制動轉(zhuǎn)換。如圖4所示。

圖4 電空制動轉(zhuǎn)換

（4）預壓力處理

為了進一步提高氣制動響應時間，使電制動在退出后，空氣制動可以盡快響應，制動時，當速度小于12 km/h時，BCU自動施加預壓力（35 kPa左右）。

（5）電制動切除處理

如果DCU檢測到實際發(fā)揮的電制動力小于申請電制動力的70%或者檢測到滑行，并持續(xù)超過3 s，則DCU需切除電制動直至此次制動結(jié)束，并將相應車的電制動有效信號置零。

當BCU檢測到列車嚴重滑行時通過TCMS向DCU發(fā)出電制動切除指令，切除滑行嚴重的動車電制動。

電制動切除處理可以進一步避免在制動工況下由于DCU電制動能力的反復變化引起列車制動不平穩(wěn)。

3 應用效果

通過第3種城市軌道交通制動力管理方案現(xiàn)場批量成功運用，驗證該制動力管理方案具有如下效果：

（1）通過對比改進方案大大縮短了列車制動力傳輸延時，縮短了列車制動響應時間及制動距離，提高了列車可靠性、安全性。

（2）通過對比應用該方案可以有效降低列車在高速制動時施加氣制動的頻率，甚至不施加氣制動，進而降低閘瓦的磨耗以及空壓機打風頻率，提高制動系統(tǒng)關鍵部件的使用壽命及效率，可以大幅降低列車維護更換閘瓦及設備成本。

（3）該方案提高了列車指令傳輸速度，達到更好的與信號系統(tǒng)配合的效果，提升了列車的舒適性。

4 結(jié)束語

在城市軌道交通領域，該網(wǎng)絡傳輸制動級位、DCU管理電制動、BCU管理氣制動方案是針對城市軌道交通領域制動力管理而設計的一種新型列車制動力管理方案，該方案在列車運行過程中可以縮短電制動到氣制動的反饋時間，使電制動與氣制動更可控，能有效防止因列車制動響應慢而造成的事故，提高了列車可靠性、安全性，從而保證了乘客生命和財產(chǎn)安全；可以有效降低列車在高速制動時施加氣制動的頻率，進而降低閘瓦的磨耗以及空壓機打風頻率，提高制動系統(tǒng)關鍵部件的使用壽命及效率。隨著制動管理方案以及相應控制邏輯日趨完善，這一控制模式將越來越廣泛地應用到城軌列車的制動控制中。

[1]陳君.基于列車信息管理系統(tǒng)（TMS）空電聯(lián)合制動控制方案設計[J].北京：工業(yè)控制計算機，2012，25（10）：25-26.

[2]陳哲明.高速列車電空聯(lián)合制動控制研究[J].電氣傳動，2010，40（5）：3-7.

Application Technology of Train Braking Force Management in the Field of Urban Rail Transit

LI Jie，HUANG Wen-jing
（Zhuzhou Crrc Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

This paper mainly introduced the power management control technology in the field of urban rail train system，focused on describing the city subway rail train network system（TCMS），drive control unit（DCU）and braking control unit（BCU）collaborative management of vehicle brake control logic，and in a variety of situations for dynamic signal processing logic.

urban rail transit；braking control unit；drive control unit；electric brake；air brake；automatic train operation

U262.6

A

1672-545X（2016）09-0115-03

2016-06-25

李潔（1983-），男，陜西渭南人，助理工程師，本科，長期從事城軌網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應用研發(fā)工作；黃文靜（1985-），女，江西南昌人，工程師，碩士，長期從事城軌網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應用研發(fā)工作。