張 維

(法維萊交通設(shè)備科技(北京)有限公司 技術(shù)部， 北京 100015)

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神華八軸機車無線同步控制的制動系統(tǒng)軟件設(shè)計

張 維

(法維萊交通設(shè)備科技(北京)有限公司 技術(shù)部， 北京 100015)

鐵路重載運輸?shù)暮诵募夹g(shù)之一是采用機車分布式組合列車編組方式，通過無線同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程機車的統(tǒng)一管理和同步操縱。以神華八軸電力機車法維萊制動系統(tǒng)為研究對象，從制動技術(shù)和軟件設(shè)計的角度，對制動系統(tǒng)無線同步控制功能的軟件設(shè)計進行研究；采用有限狀態(tài)機模型工具，分析制動控制軟件增加無線同步控制功能需要考慮的要素；提出關(guān)于軟件架構(gòu)設(shè)計的建議和實現(xiàn)方法。結(jié)果表明，在以狀態(tài)機模型為基礎(chǔ)的制動控制軟件中，功能模塊的劃分、狀態(tài)機結(jié)構(gòu)的設(shè)計和調(diào)整對軟件設(shè)計及其功能實現(xiàn)至關(guān)重要，對制動系統(tǒng)的可靠性和安全性有重要影響。

制動系統(tǒng)； 無線同步控制； 軟件； 架構(gòu)

近年來，隨著我國鐵路貨運需求的增長，重載運輸成為重要的發(fā)展趨勢。開行長大重載貨物列車是提高鐵路貨物運輸能力的有效方式。為了實現(xiàn)更多運量，列車編組逐漸加長，一臺機車已無法滿足功能需求，需要同時配置兩臺甚至更多臺機車，各臺機車之間的信息交互問題亟待解決。根據(jù)美國、南非、澳大利亞等國的經(jīng)驗，這種遠距離的控制和管理可以通過無線同步控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。各臺機車安裝無線同步控制裝置，通過無線通信對各遠程機車的牽引和制動進行統(tǒng)一管理和同步操縱[1]。

大秦線和神黃線是我國發(fā)展重載貨運的主要線路。為了提升運輸能力，神朔鐵路機務(wù)段決定對其所屬的由大同電力機車有限公司生產(chǎn)的神華八軸電力機車加裝無線同步控制裝置。法維萊公司生產(chǎn)的制動系統(tǒng)是該機型裝配的制動系統(tǒng)之一，應(yīng)此要求需增加與無線同步控制裝置交互的接口和功能，制動系統(tǒng)控制軟件需做相應(yīng)的升級改動。

制動系統(tǒng)是機車車輛的重要組成部分，是實施減速和停車作用的執(zhí)行機構(gòu)，確保列車的可靠性和安全性，軟件作為控制核心，其設(shè)計結(jié)構(gòu)和性能至關(guān)重要。

1 無線同步控制概述

在長大列車編組中，兩臺或兩臺以上的機車根據(jù)需求分別配置在列車的前端、中部以及尾部。機車無線同步控制系統(tǒng)能實現(xiàn)多機之間的無線同步操縱，包括機車遠距離編組和零距離編組的工況，同時具有滿足不同類型機車之間混聯(lián)要求的擴展能力。系統(tǒng)以不改變機車原有功能為前提，能快速建立機車之間的互聯(lián)，實現(xiàn)各機車牽引和制動作用的同步執(zhí)行和協(xié)調(diào)運作[2]。

1.1 列車級管理

置于列車最前端的機車為主控機車，中部及尾部機車為從控機車。每臺機車都裝有無線同步控制裝置，主控機車與從控機車之間通過無線同步控制裝置進行通信，采用無線電通信方式。當(dāng)列車制動或緩解時，多臺機車在不同位置同時對列車管進行充風(fēng)或排風(fēng)，相當(dāng)于多個風(fēng)源，可以縮短空氣波在列車中的傳播距離，減少空氣制動系統(tǒng)的反應(yīng)時間，提高工作效率[3-4]。

主控機車經(jīng)無線電裝置發(fā)出控制指令，列車編組中的從控機車接收到主控機車的控制指令后在本車執(zhí)行，同時將本車的狀態(tài)信息反饋給無線同步控制系統(tǒng)[4]。列車級結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 無線同步控制列車級結(jié)構(gòu)

1.2 車輛級管理

神華八軸電力機車為雙節(jié)重聯(lián)機車，兩節(jié)車的無線控制系統(tǒng)(Radio Control System, RCS)通過多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus, MVB)互相連接。每節(jié)車的列車控制和管理系統(tǒng)(Train Control and Management System, TCMS)通過MVB2網(wǎng)絡(luò)與每節(jié)車的RCS通信。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余功能，兩節(jié)機車的RCS設(shè)備均與TCMS相連。正常情況下，只有1臺RCS設(shè)備激活，處于工作狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生故障時，故障設(shè)備設(shè)置為非激活狀態(tài)，另1臺設(shè)備投入運行。車輛級結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線同步控制車輛級結(jié)構(gòu)

1.3 制動系統(tǒng)功能需求

無線同步控制模式下，由RCS對列車編組中各機車的制動系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測，傳輸主控機車的制動控制指令及從控機車的制動狀態(tài)信息。機車制動系統(tǒng)負(fù)責(zé)車輛級制動控制。

主控機車制動系統(tǒng)與非無線同步控制模式下的控制方式一致，根據(jù)本車制動控制器的指令進行制動和緩解，在執(zhí)行正常制動和緩解操作的基礎(chǔ)上，實時將制動指令和相關(guān)信息按照通信協(xié)議傳輸給RCS，用于RCS進行狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。

從控機車制動系統(tǒng)不再根據(jù)本車制動控制器的指令進行制動和緩解，而是根據(jù)RCS傳輸?shù)闹骺貦C車的目標(biāo)壓力值對本車的均衡壓力和列車管壓力進行控制，從而實現(xiàn)制動系統(tǒng)的遠程控制，確保從控機車與主控機車的制動和緩解作用一致。

制動系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)無線同步控制模式下的自動制動功能和單獨制動功能。在出現(xiàn)RCS通信丟失時，制動系統(tǒng)應(yīng)采取合理而有效的保護措施，確保列車的運行安全。

2 制動控制單元結(jié)構(gòu)

制動控制單元(Brake Control Unit,BCU)是法維萊機車制動系統(tǒng)的微機控制單元，是集軟硬件為一體的核心控制平臺，實時處理制動系統(tǒng)的模擬量、數(shù)字量、網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)和制動相關(guān)信息等，用來實現(xiàn)制動系統(tǒng)的邏輯功能控制、信息化數(shù)據(jù)處理、故障診斷和監(jiān)測、以及事件記錄等。該裝置采用智能化、模塊化和集成化設(shè)計，具有安全防護措施和自我診斷功能，可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，配置優(yōu)化。

2.1 制動控制單元硬件結(jié)構(gòu)

制動控制單元硬件包括電源、電壓轉(zhuǎn)換、中央處理單元、MVB、CAN、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入和模擬輸出等板卡。

2.2 制動控制單元軟件結(jié)構(gòu)

BCU軟件基于多任務(wù)實時操作系統(tǒng)平臺而建，是制動系統(tǒng)的控制核心。軟件模塊基本劃分為三種類型：操作系統(tǒng)和驅(qū)動模塊、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，以及應(yīng)用程序模塊。

2.3 有限狀態(tài)機

有限狀態(tài)機，又稱有限狀態(tài)自動機，簡稱狀態(tài)機，是一種具有離散輸入輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為。它具有有限數(shù)量的內(nèi)部狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的輸入可以確定下一步的狀態(tài)和行為?？梢哉J(rèn)為許多系統(tǒng)或部件始終處于有限多個狀態(tài)之一[5]。

制動系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件基于有限狀態(tài)機模型，所有重要工況被定義為有限個狀態(tài)，每種狀態(tài)有嚴(yán)格的判斷條件，當(dāng)條件滿足時，程序按照不同狀態(tài)的優(yōu)先級首先進入優(yōu)先級最高的狀態(tài)邏輯，執(zhí)行該狀態(tài)對應(yīng)的程序。有限狀態(tài)機原理如圖3所示。

圖3 有限狀態(tài)機原理

3 無線同步控制的軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

在制動系統(tǒng)的原有基礎(chǔ)上增加無線同步控制功能，對整個控制軟件的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生重大影響。方案設(shè)計的原則是保持原有系統(tǒng)的獨立性及完整性，將與無線同步控制相關(guān)的函數(shù)單獨形成一個無線同步控制模塊，盡量降低新模塊與原有模塊的交叉性和耦合性[6]。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為非無線同步控制模式時，所有功能保持與原來一樣，不可有功能缺失或降級；當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為無線同步控制模式時，制動系統(tǒng)應(yīng)該能夠及時響應(yīng)無線同步控制系統(tǒng)指令并進行狀態(tài)反饋，滿足列車制動、緩解的一致性及安全性要求。

在制動系統(tǒng)控制軟件的10個應(yīng)用程序模塊中，因加入無線同步控制功能而需要改動的主要有4個模塊：上位機通信模塊、故障診斷及管理模塊、制動功能模塊和MVB通信模塊。此外，任務(wù)管理模塊和輸入、輸出模塊有小的改動，其余模塊保持不變。應(yīng)用程序模塊變化如表1所示。

表1 應(yīng)用程序模塊變化

注：-為無改動，△為較小改動，▲為重大改動，●為新增。

3.2 MVB通信模塊設(shè)計

由于硬件所限，制動系統(tǒng)與無線同步控制設(shè)備之間沒有直接的通信接口，需要通過TCMS傳遞信息，再與無線同步控制設(shè)備進行信息交換。為了使原有的BCU與TCMS之間的MVB通信不受到影響，新增兩個MVB端口，所有與無線同步控制相關(guān)的數(shù)據(jù)使用新增的端口。BCU與TCMS之間的通信接口如圖4所示。

圖4 BCU與TCMS通信接口

3.3 制動功能模塊設(shè)計

3.3.1 無線同步控制狀態(tài)的定義

在對軟件進行架構(gòu)設(shè)計時，首先要確定是否將無線同步控制模式定義為軟件有限狀態(tài)機中的一種狀態(tài)，然后要確定如何使制動系統(tǒng)準(zhǔn)確地區(qū)分無線同步控制模式和非無線同步控制模式。

制動系統(tǒng)的有限狀態(tài)機只包含重要工況，并非所有的工況都定義為狀態(tài)，界定的原則是：此工況是否有清晰的判斷條件，并且是否與其他功能模塊相對獨立，后者尤其重要。由于無線同步控制模式是一種獨立工況，制動系統(tǒng)一旦處于該工況，功能發(fā)生重大改變，籍此考慮，完全可以將無線同步控制模式定義為軟件有限狀態(tài)機中的一種狀態(tài)。

接下來要定義無線同步控制狀態(tài)的優(yōu)先級。狀態(tài)優(yōu)先級的定義，直接關(guān)系到制動系統(tǒng)的功能是否能夠正確執(zhí)行和實現(xiàn)。如果系統(tǒng)不能適時執(zhí)行重要的程序邏輯，整個制動系統(tǒng)的可靠性和安全性都無法得到保障，造成的后果不堪設(shè)想。因此，優(yōu)先級的定義至關(guān)重要。通過對制動系統(tǒng)軟件中的所有狀態(tài)進行分析和比對，發(fā)現(xiàn)大部分的狀態(tài)在無線同步控制模式下都不再得到響應(yīng)，因此，無線同步控制狀態(tài)的優(yōu)先級可以排在所有這些狀態(tài)之前。而基于整個系統(tǒng)的功能要求，制動系統(tǒng)在備用狀態(tài)時不允許設(shè)置無線同步控制模式，所以將無線同步控制狀態(tài)的優(yōu)先級排在系統(tǒng)初始化和備用狀態(tài)之后，其他狀態(tài)之前。更新后的狀態(tài)機模型如圖5所示。

圖5 更新后的狀態(tài)機模型

3.3.2 自動制動功能模塊的設(shè)計

神華八軸機車為雙節(jié)重聯(lián)機車，每臺車裝有兩臺制動系統(tǒng)。在無線同步控制模式下，制動系統(tǒng)共有4種配置情況：主控車操縱端單元、主控車非操縱端單元、從控車操縱端單元和從控車非操縱端單元。

當(dāng)機車被設(shè)置為主控機車時，制動系統(tǒng)的性能不會受到重大影響，制動系統(tǒng)需要把主控機車的相關(guān)信息發(fā)送給RCS。當(dāng)機車被設(shè)置為從控機車時，制動系統(tǒng)需要響應(yīng)RCS發(fā)送的主控機車的指令，實現(xiàn)相應(yīng)的功能，此時，制動系統(tǒng)進入有限狀態(tài)機模型的無線同步控制狀態(tài)，根據(jù)主控機車的指令對本車的均衡壓力和列車管壓力進行控制。軟件流程如圖6所示。

圖6 自動制動功能模塊流程圖

3.3.3 單獨制動功能模塊的設(shè)計

單獨制動功能與自動制動功能相似，當(dāng)機車被設(shè)置為從控機車時，制動系統(tǒng)需根據(jù)主控機車的目標(biāo)壓力值設(shè)置本車的目標(biāo)壓力，不同之處在于單獨制動由單獨制動電空模塊控制，BCU需要把目標(biāo)壓力值傳輸給單獨制動電空模塊。

此外，BCU必須把有限狀態(tài)機模型的無線同步控制狀態(tài)作為一個標(biāo)志位，發(fā)送給單獨制動電空模塊，使其對正常工作模式和無線同步控制模式加以區(qū)分。單獨制動功能模塊的流程如圖7所示。

3.3.4 通信丟失的處理

由于重載運輸線路的地形條件復(fù)雜、運行環(huán)境惡劣，無線通信信號不可避免地存在信號弱甚至中斷的情況，因此無線同步控制的設(shè)計必須考慮無線電通信丟失的工況，以實現(xiàn)各種工況下的列車安全導(dǎo)向。相應(yīng)地，制動系統(tǒng)也必須在這種工況下采取合理而有效的保護措施，確保列車的運行安全?；陂L大列車的運行經(jīng)驗，為了避免列車沖動，列車運行中應(yīng)盡量避免施加緊急制動[3]，因此在通信丟失的情況下，制動系統(tǒng)不施加緊急制動，而是施加最大常用減壓量的懲罰制動。

圖7 單獨制動功能模塊流程圖

制動系統(tǒng)根據(jù)RCS與BCU之間傳輸?shù)纳盘柵袛嗤ㄐ艩顩r。正常情況下，生命信號應(yīng)隨軟件運行周期持續(xù)變化，如果生命信號維持一定時間不變，則判定為通信丟失。

對于主控機車，當(dāng)BCU檢測到RCS發(fā)送的信息丟失，并持續(xù)超過通信丟失判定時間5 s時，BCU會產(chǎn)生懲罰制動，并將懲罰制動狀態(tài)位置1。

對于從控機車,當(dāng)BCU檢測到RCS發(fā)送的信息丟失，并持續(xù)超過通信丟失判定時間5 s時，制動系統(tǒng)無法再響應(yīng)主控機車的指令。為了不對全列車的制動和緩解造成影響，制動系統(tǒng)會將執(zhí)行機構(gòu)司機制動閥隔離，不再對均衡風(fēng)缸及列車管壓力進行控制。待通訊恢復(fù)后，再將司機制動閥重新投入，恢復(fù)響應(yīng)主控機車指令，確保整列車制動指令一致。通信丟失模塊的流程如圖8所示。

3.3.5 故障診斷模塊的設(shè)計

制動系統(tǒng)具有完善的故障診斷功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個部件包括氣動閥、壓力傳感器、壓力開關(guān)和電磁閥等進行監(jiān)測和診斷，并提供故障提示信息。當(dāng)重要部件發(fā)生故障時，制動系統(tǒng)會自動產(chǎn)生懲罰制動，使列車降速甚至停車。但是，在無線同步控制模式下，從控機車自動產(chǎn)生懲罰制動會產(chǎn)生列車沖動，危機行車安全。因此，無線同步控制模式下，從控車的故障診斷必須做降級處理，將自動產(chǎn)生懲罰制動的功能取消，只提供故障提示信息。

圖8 通信丟失模塊流程圖

4 現(xiàn)車調(diào)試和試驗

2014年3月大同電力機車有限公司神華八軸機車的無線同步控制設(shè)備供應(yīng)商、TCMS供應(yīng)商和法維萊公司技術(shù)人員在神朔機務(wù)段進行了機車分布式組合列車無線同步控制的聯(lián)合調(diào)試，包括靜態(tài)測試和動態(tài)運行測試。在1+1組合方式的靜態(tài)試驗中，制動測試結(jié)果如下：

表2 1+1組合方式制動測試結(jié)果 kPa

調(diào)試和試驗過程中，在BCU軟件方面，主要解決了以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

(1) 無線同步控制狀態(tài)的判斷條件和邏輯順序

無線同步控制狀態(tài)的判斷主要依據(jù)兩個方面的條件，一個是RCS發(fā)送給BCU的MVB數(shù)據(jù)中的相關(guān)標(biāo)志位，另一個是制動系統(tǒng)的主從控塞門信號。只有兩個方面的條件都滿足，制動系統(tǒng)才會進入到有限狀態(tài)機模型的無線同步控制狀態(tài)。前者條件優(yōu)先于后者，只有前者條件滿足了，才有必要進行后者條件的判斷。從上位機的BCU監(jiān)控程序可以監(jiān)測到制動系統(tǒng)是否正確地進入到無線同步控制狀態(tài)，見圖9和圖10。

圖9 BCU監(jiān)控軟件非無線同步控制狀態(tài)截圖

圖10 BCU監(jiān)控軟件無線同步控制狀態(tài)截圖

(2) 通信丟失功能的調(diào)試

主控機車制動系統(tǒng)判斷出通信丟失時，執(zhí)行懲罰制動。從控機車通信丟失功能的關(guān)鍵在于能否正確地切除執(zhí)行機構(gòu)司機制動閥，并在故障消除后自動恢復(fù)，使其重新投入。從控機車通信丟失時的BCU監(jiān)控截圖見圖11。

圖11 BCU監(jiān)控軟件從控機車通信丟失截圖

現(xiàn)車調(diào)試的結(jié)果表明，無線同步控制模式下，從控機車能夠及時響應(yīng)主控機車的指令，主、從控機車制動與緩解作用基本保持一致。BCU軟件的架構(gòu)邏輯清晰,設(shè)計合理。制動系統(tǒng)能夠正確進行無線同步控制模式和非無線同步控制模式之間的轉(zhuǎn)換，滿足功能要求。

5 結(jié)束語

本文是利用計算機科學(xué)的有限狀態(tài)機模型理論進行制動系統(tǒng)控制軟件無線同步控制功能設(shè)計的實踐應(yīng)用。在分析無線同步控制功能需求和制動系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對如何重建軟件功能模塊結(jié)構(gòu)和故障診斷安全導(dǎo)向等進行研究。分析、研究和試驗表明，在以狀態(tài)機模型為基礎(chǔ)的制動控制軟件中，每一種狀態(tài)的嚴(yán)格定義、狀態(tài)判斷條件的確認(rèn)、狀態(tài)優(yōu)先級的排序和功能模塊的劃分對軟件設(shè)計及其功能實現(xiàn)至關(guān)重要，對制動機的可靠性和安全性有重要影響，是軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計中需深入分析和謹(jǐn)慎決定的因素。相應(yīng)開發(fā)的制動系統(tǒng)控制軟件已進行應(yīng)用測試，靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗結(jié)果良好，滿足系統(tǒng)的無線同步控制功能要求。

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Software Design of Wireless Synchronous Control for Shenhua 8-axle Locomotive Brake System

ZHANGWei

(Faiveley Transport Systems Technology (Beijing) Co.,Ltd., Beijing 100015, China)

The unified management and synchronous control of remote locomotives via wireless synchronous control system for the configuration of locomotives distributed with a combined train is a key technology in railway heavy-haul transportation. Taken Faiveley brake system of Shenhua 8-axle electric locomotive as the object of research, from the view of brake technology and software design, the software development of the brake system radio control function is studied. Finite state machine model is used. The elements of adding wireless synchronous control function in the brake system software is analyzed. Suggestions and implementation of software architecture are proposed. The results show that for the brake control software based on finite state machine model, division of function modules, design and adjustment of finite state machine structure are critical of software design and functional implementation. It has important influence on the reliability and security of brake system.

brake system; wireless synchronous control; software; architecture

女，工程師(

2016-04-19)

1008-7842 (2016) 05-0051-06

U260.35+9

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.11