王華偉 劉國梁

(中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心， 130062， 長春//工程師)

早期的城市軌道交通車輛中，列車控制與管理系統(tǒng)(train control and management system，TCMS)的硬件可靠性低，整個系統(tǒng)與各子系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)度也比較低。近年來，隨著我國各大中型城市軌道交通的快速發(fā)展，TCMS技術(shù)也在迅速發(fā)展，無論是硬件研發(fā)還是列車控制軟件復(fù)雜程度都得到了質(zhì)的飛躍，TCMS參與整車控制的功能越來越多。

在傳統(tǒng)列車制動力管理策略中，通常由制動系統(tǒng)進(jìn)行整列車制動力需求的計算和分配。制動系統(tǒng)控制的管理方式是平均分配各車電制動力，無法最大限度地發(fā)揮電制動能力的要求，并存在坡道啟動過程沖動過大、頻繁補(bǔ)充空氣制動等問題。

本文基于深圳地鐵某A型車項目，從TCMS與制動系統(tǒng)接口、列車制動力的分配原則、制動指令的處理及制動過程不同階段的處理方案等方面，介紹一種全新的基于TCMS的城市軌道車輛制動力管理方案。

1 方案設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與制動系統(tǒng)接口

列車為6輛編組，兩個端車為拖車，中間4個車輛為動車。TCMS通過多功能車輛總線(MVB)與制動控制器網(wǎng)關(guān)閥進(jìn)行通信(見圖1)。制動系統(tǒng)內(nèi)部通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線進(jìn)行通信。為保證信息的實時性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及制動系統(tǒng)之間的控制及狀態(tài)信息的MVB端口輪詢周期設(shè)定為64 ms，故障信息端口輪詢周期設(shè)定為256 ms。

1.2 電空混合制動原則

列車制動方式包括電制動和空氣制動，其中電制動由牽引系統(tǒng)施加，空氣制動由制動系統(tǒng)施加。實施原則是電制動優(yōu)先，空氣制動作為制動力不足時的補(bǔ)充，電制動與空氣制動實時協(xié)調(diào)配合。當(dāng)電制動不足時，優(yōu)先在拖車和電制動故障的動車上補(bǔ)充空氣制動，達(dá)到最大黏著后，再在電制動正常的動車平均補(bǔ)充空氣制動。當(dāng)車輛速度低于某一限定值時，電制動逐步由空氣制動替代。為了減少對制動閘瓦的磨耗，同時又保證制動需求，電、空制動轉(zhuǎn)換時的列車速度要求盡量低,沖動率不大于0.75 m/s2。

圖1 TCMS與制動系統(tǒng)接口框圖

1.3 電空混合制動交互信息

制動系統(tǒng)每3輛車為一個單元編組，每個單元編組設(shè)有2個網(wǎng)關(guān)閥，網(wǎng)關(guān)閥通過TCMS與牽引控制單元(DCU)之間進(jìn)行信息交互。相互間傳輸信號如圖2所示。TCMS、DCU及制動系統(tǒng)間信號流說明如表1所示。

圖2 TCMS、牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)信號流框圖

1.4 制動指令的發(fā)出

TCMS根據(jù)司控器或列車自動駕駛(ATO)系統(tǒng)給出的制動指令，獲取最大等效減速度百分比，結(jié)合從制動系統(tǒng)獲得的各車包含轉(zhuǎn)動慣量的車重信息進(jìn)行總制動力的計算，并把計算值發(fā)送給制動系統(tǒng)。最大常用制動等效減速度初定值一般為技術(shù)條件中規(guī)定的最大常用制動值(1.12 m/s2)，該值在列車型式試驗過程中需根據(jù)列車的實際制動特性進(jìn)行調(diào)整。

1.5 電制動力分配

TCMS根據(jù)制動指令和各車牽引變流器的可用電制動力信號，把計算得到的列車所需總制動力分配給4個牽引變流器。牽引系統(tǒng)結(jié)合沖動率限制(≤0.75 m/s3)、車重修正系數(shù)(由TCMS得到)及可用電制動力大小等條件施加電制動。

表1 TCMS、DUC及制動系統(tǒng)信號流說明

TCMS發(fā)出制動狀態(tài)和制動指令值給牽引系統(tǒng)后，牽引系統(tǒng)發(fā)送單車虛擬電制動力給TCMS，TCMS轉(zhuǎn)發(fā)此信號給制動系統(tǒng)。為防止在電制動建立階段補(bǔ)充空氣制動，制動系統(tǒng)在接收到制動狀態(tài)后的一段時間內(nèi)按照此值計算需要施加的空氣制動力。該段時間過后，制動系統(tǒng)根據(jù)TCMS發(fā)送的各動車實際施加的電制動力情況來施加空氣制動。牽引系統(tǒng)電制動力上升到最大值的時間一般在1.5～2.0 s之間，初始值定為1.5 s。

1.6 空氣制動分配

制動系統(tǒng)負(fù)責(zé)空氣制動力的分配，空氣制動力的分配原則為：當(dāng)電制動力不足時優(yōu)先在拖車(若此時有動車電制動不可用，則以拖車處理)補(bǔ)充空氣制動；若拖車補(bǔ)充的空氣制動力達(dá)到拖車最大黏著后整車施加的總制動力還未滿足整車制動需求，則制動系統(tǒng)在各動車平均補(bǔ)充空氣制動，制動系統(tǒng)保證在此過程中單車不超出最大黏著限制。

牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)將在整車調(diào)試階段對電制動和空氣制動的施加及緩解的速率進(jìn)行調(diào)整，以滿足整車沖動限制。

1.7 電制動滑行處理

當(dāng)動車在施加電制動過程中出現(xiàn)滑行時，牽引系統(tǒng)進(jìn)行防滑控制并發(fā)送電制動滑行信號給TCMS，TCMS發(fā)送滑行信號給制動系統(tǒng)。在牽引系統(tǒng)防滑控制過程中，為防止空氣制動補(bǔ)償電制動損失值，制動系統(tǒng)在一定時間內(nèi)鎖存發(fā)生電制動滑行前的實際電制動力。若該動車電制動滑行程度達(dá)到制動系統(tǒng)規(guī)定的深度滑行或者超過允許的滑行時間，則制動系統(tǒng)向TCMS發(fā)送電制動切除指令，TCMS向該動車牽引系統(tǒng)發(fā)送電制動切除信號(牽引變流器禁止啟動信號)，牽引系統(tǒng)切除該動車電制動。若在電制動滑行過程中制動系統(tǒng)發(fā)出電制動切除信號，則在本次制動過程中，制動系統(tǒng)禁止已切除電制動的牽引變流器再次施加電制動。當(dāng)列車靜止或者列車進(jìn)入惰行或者牽引狀態(tài)且速度大于20 km/h時，制動系統(tǒng)撤銷電制動切除信號。

1.8 停車制動

停車制動分為4個階段：低速電空轉(zhuǎn)換；純空氣制動的停車制動；保持制動施加；保持制動緩解。

1.8.1 低速電空轉(zhuǎn)換

列車制動時，在車速降到某個速度點(diǎn)時，開始低速電空混合制動，TCMS向制動系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動退出信號(電平信號)，電制動衰減，空氣制動開始上升。為防止電制動和空氣制動在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生沖動，電制動衰減的斜率和空氣制動上升的斜率應(yīng)基本一致，通常該斜率折合為加速度的變化率。根據(jù)以往項目經(jīng)驗，制動系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)在電空轉(zhuǎn)換階段的制動力變化斜率折合為加速度的變化率值為1 m/s3。

一旦進(jìn)入低速電空混合制動階段，制動級位的改變不影響電制動按照規(guī)定的斜率退出；低速電空混合制動過程中，TCMS發(fā)給制動系統(tǒng)的制動力需求為司控器或ATO指令的實際需求值，制動系統(tǒng)根據(jù)制動力需求施加空氣制動。

若在低速電空轉(zhuǎn)換階段司控器由制動位回到惰行位，牽引系統(tǒng)退出電制動狀態(tài)，制動系統(tǒng)緩解空氣制動；若在低速電空轉(zhuǎn)換階段司控器由制動位回到牽引位，牽引系統(tǒng)退出電制動并根據(jù)牽引手柄級位施加牽引力，制動系統(tǒng)緩解空氣制動。列車速度在電空轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)及以下時，若司控器由牽引或者惰行位改變到制動位，不施加電制動，制動完全由空氣制動實施。

1.8.2 純空氣制動的停車制動

當(dāng)?shù)退匐娍辙D(zhuǎn)換完成時，電制動完全退出，空氣制動完全取代電制動?？諝庵苿恿Φ闹等Q于司控器或ATO給出的制動指令。制動系統(tǒng)在此過程中負(fù)責(zé)控制整車沖動限制。

1.8.3 保持制動的施加

在人工駕駛模式及網(wǎng)絡(luò)故障和備用模式下，無牽引指令并且當(dāng)列車進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)時，保持制動的施加由制動系統(tǒng)自動完成；在ATO模式下，保持制動的施加指令由TCMS發(fā)給制動系統(tǒng)來完成；在ATO模式下，若列車已經(jīng)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，如3 s內(nèi)TCMS未發(fā)出保持制動施加指令，則制動系統(tǒng)自動施加指令以保持制動。保持制動施加的邏輯如圖3所示。制動系統(tǒng)施加的保持制動力，取最大常用制動力(經(jīng)載荷修正)的70%和當(dāng)前整車制動力需求的最大值。

1.8.4 保持制動的緩解

在人工駕駛模式和ATO模式下，當(dāng)滿足以下兩種情況中的任何一種時，TCMS向制動系統(tǒng)發(fā)出保持制動緩解指令：

(1) 當(dāng)有牽引指令，并且整車實際施加的牽引力大于不同載荷下規(guī)定的保持制動緩解的牽引力時，緩解保持制動的牽引力從空載(AW0)到超載(AW3)工況線性增加。

(2) 當(dāng)有牽引指令，并且列車速度大于1 km/h時，為防止在人工駕駛模式和ATO模式下TCMS未及時發(fā)出保持制動緩解指令，制動系統(tǒng)在檢測到有牽引指令且列車速度大于1.5 km/h時，自動緩解保持制動。在TCMS與制動系統(tǒng)間通信故障模式和備用模式下，當(dāng)制動系統(tǒng)檢測到有牽引指令時，制動系統(tǒng)自動緩解保持制動。保持制動緩解的邏輯如圖4所示。

圖3 保持制動施加的邏輯框圖

圖4 保持制動緩解的邏輯框圖

1.9 快速制動

當(dāng)TCMS檢測到快速制動硬線指令后，對制動力按正常的常用制動模式進(jìn)行管理，平均減速度為1.3 m/s2。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于計算總制動力的等效減速度在整車調(diào)試階段確定。

快速制動指令優(yōu)先。從安全制動優(yōu)先的角度出發(fā)，只要快速制動硬線指令激活，不管當(dāng)前來自網(wǎng)絡(luò)或者硬線的牽引和制動指令是否激活，制動系統(tǒng)均按快速制動處理。

在TCMS與制動系統(tǒng)間通信正常時，當(dāng)快速制動硬線指令激活，TCMS和制動系統(tǒng)各自計算整車制動力需求:TCMS根據(jù)其計算的整車制動力需求,分配電制動力；制動系統(tǒng)根據(jù)其計算的整車制動力需求和TCMS經(jīng)MVB總線發(fā)送的電制動力值，計算并施加空氣制動力。在TCMS與制動系統(tǒng)間通信故障或備用模式下，當(dāng)制動系統(tǒng)檢測到快速制動硬線指令被激活，將自行計算整車制動力需求并施加純空氣制動力。

2 試驗驗證

為驗證本管理方案，制動系統(tǒng)除常規(guī)的制動試驗項點(diǎn)外，需增加相關(guān)驗證計算和參數(shù)調(diào)試確定。制動系統(tǒng)本身參數(shù)調(diào)試不是本文討論重點(diǎn)，以下僅介紹TCMS與制動系統(tǒng)間的相關(guān)接口參數(shù)調(diào)試。

2.1 發(fā)送給制動系統(tǒng)的總制動力需求調(diào)試

在整車調(diào)試時發(fā)現(xiàn)：① 在主控手柄由最大牽引迅速轉(zhuǎn)換到最大制動時，或者在制動級位由小級位快速變換為大級位時，若TCMS直接發(fā)送制動級位，則制動系統(tǒng)在電制動建立的過程中會立刻補(bǔ)充空氣制動(見圖5)。這是由于制動系統(tǒng)只在2 s內(nèi)檢測到手柄由牽引位或惰行位轉(zhuǎn)換到制動位時，即使用虛擬電制動力值；若手柄由最大牽引位快速轉(zhuǎn)換到最大制動位時，牽引系統(tǒng)由最大牽引狀態(tài)到施加最大電制動力需要3 s左右的時間，故制動系統(tǒng)會在2 s后補(bǔ)充空氣制動。② 制動級位由小級位快速轉(zhuǎn)換到大級位時，在電制動建立的過程中，制動系統(tǒng)會立刻補(bǔ)充空氣制動。

圖5 制動指令按手柄實際制動級位發(fā)出的界面

為避免上述兩種情況發(fā)生，TCMS軟件最終調(diào)整為在100 ms 的TCMS軟件運(yùn)行周期內(nèi)，牽引/制動參考值增加6.67%(快速制動時制動指令直接按照最大值計算)，參考值的變化范圍為-100%～100%。經(jīng)此修改后，可避免上述兩種情況下空氣制動會自動補(bǔ)充的發(fā)生(見圖6)。

2.2 最大常用制動等效減速值調(diào)試

TCMS根據(jù)加速度公式計算列車總制動力。在列車型式試驗時，需以列車最大常用制動的減速度(1.12 m/s2)為目標(biāo)調(diào)整計算公式中的加速度值a。最終調(diào)試后確定a=1.14 m/s2。

圖6 制動指令以一定斜率發(fā)出的界面

2.3 空氣制動延時施加時間參數(shù)調(diào)試

在調(diào)試過程中，需調(diào)整電制動施加初期制動系統(tǒng)禁止施加空氣制動的時間，該時間參數(shù)初始值為1.5 s。該時間參數(shù)確定方法為：最大載荷情況下，列車施加最大常用制動，牽引系統(tǒng)觀測電制動力上升到最大值的時間，即確定為最終的參數(shù)。通過試驗，本方案此時間參數(shù)設(shè)定為2 s。

2.4 制動系統(tǒng)發(fā)送的電制動切除時間參數(shù)調(diào)試

當(dāng)出現(xiàn)電制動滑行后，制動系統(tǒng)切除電制動信號的處理直接影響到制動性能。若牽引系統(tǒng)調(diào)整滑行時間過長，則制動距離增加，列車可能會冒進(jìn)或者發(fā)生停車對標(biāo)不準(zhǔn)。更為嚴(yán)重的是，若發(fā)生嚴(yán)重的電制動滑行，而制動系統(tǒng)未及時切除電制動，可能會造成輪對擦傷的嚴(yán)重故障。

電制動切除時間參數(shù)確定在滑行試驗過程中進(jìn)行，該時間參數(shù)會由于列車采用不同供應(yīng)商的制動系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)而發(fā)生變化，但確定該參數(shù)的原則只有一個，即保證制動距離并且最大程度防止輪對的擦傷。經(jīng)過調(diào)試，本方案確定：當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重滑行時，制動系統(tǒng)立即切除電制動；如果電制動滑行未達(dá)到制動系統(tǒng)規(guī)定的滑行深度5 s后，制動系統(tǒng)切除電制動。

2.5 低速電空制動轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)調(diào)試

低速電空制動轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)的確定對于制動閘瓦的磨耗及乘客舒適度有著相當(dāng)大的影響：若設(shè)定的速度點(diǎn)過高，則電制動過早退出，空氣制動過早施加，制動閘瓦使用率增大，導(dǎo)致閘瓦損耗增加；若電空制動轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)過低，則在低速段，由于牽引系統(tǒng)的電制動控制不精確，電制動的退出斜率不能穩(wěn)定在規(guī)定值，導(dǎo)致列車沖動過大，影響旅客舒適度。根據(jù)以往項目經(jīng)驗，電空轉(zhuǎn)換點(diǎn)選擇在6～8 km/h之間。本方案最終確定低速電空制動轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)為8 km/h。

2.6 低速電空轉(zhuǎn)換電制動退出信號時間參數(shù)調(diào)試

由于電制動施加的速率快于空氣制動的速率，為保證兩種制動變化的一致性，在低速電空轉(zhuǎn)換時，電制動一般應(yīng)延后于空氣制動動作。經(jīng)現(xiàn)車調(diào)試，本方案TCMS在向制動系統(tǒng)發(fā)送電制動退出信號后，延時200 ms向牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動退出信號。

2.7 緩解保持制動牽引力參數(shù)調(diào)試

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)緩解保持制動的條件之一為整車實際施加的牽引力大于規(guī)定值，該值的確定主要考慮以下兩方面問題：① 保證列車的啟動舒適性；② 防止起車階段，列車倒溜。若緩解保持制動的牽引力設(shè)置偏大，則起車時司機(jī)需給出較大的牽引級位，列車沖動較大；若緩解保持制動的牽引力設(shè)置偏小，則在坡道較大的線路起車時，由于牽引力小于列車的下滑力，容易引起向后溜車的安全事故。經(jīng)現(xiàn)車調(diào)試，本方案緩解保持制動的牽引力根據(jù)整車不同載荷，確定為從AW0到AW3載荷按照115 kN到180 kN線性增加。

3 結(jié)語

本文介紹了一種新的城市軌道交通車輛制動力管理策略。該策略優(yōu)點(diǎn)主要有：① 充分利用電制動力，減少空氣制動閘瓦損耗，既節(jié)約了能源，又降低了維修成本；② 減小電制動和空氣制動轉(zhuǎn)換過程中的沖動率，增強(qiáng)乘客舒適度；③ 加強(qiáng)TCMS對列車的控制能力，加強(qiáng)TCMS、制動系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)在列車制動過程中的協(xié)同性。該制動力管理方案已應(yīng)用于多個城市軌道交通線路的車輛系統(tǒng)中，運(yùn)用效果良好，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。