周 軍，于鵬超，溫熙圓，童修偉，付 波，任志剛

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

我國是一個(gè)地震災(zāi)害嚴(yán)重的國家，地震災(zāi)害對高速列車運(yùn)行安全的影響不容忽視。我國歷經(jīng)多年高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的研制，經(jīng)過技術(shù)條件制訂、技術(shù)方案研究、設(shè)計(jì)研發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證、運(yùn)用考核和技術(shù)評審，已形成成套地震預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)品，全面實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的地震預(yù)警和緊急處置能力，對我國高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)的發(fā)展具有重大的意義。車載地震緊急處置裝置作為高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，在地震緊急控車方面起到關(guān)鍵作用，尤其是在地震警報(bào)處置及時(shí)性方面尤為顯著［1-2］。

目前，我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)采用車載地震緊急處置裝置實(shí)現(xiàn)控車功能，主要由車載地震主機(jī)、車載地震終端、組合天線、天饋線以及相應(yīng)的連接電纜組成。車載地震緊急處置裝置通過GPRS方式接收地面監(jiān)測臺(tái)站發(fā)送的地震警報(bào)信息，并根據(jù)警報(bào)級別觸發(fā)動(dòng)車組制動(dòng)。當(dāng)接收到I級警報(bào)時(shí)，通過車載地震終端的“聲光報(bào)警”方式提示司機(jī)手動(dòng)施加最大常用制動(dòng)，限速運(yùn)行；當(dāng)接收到地震II級、III級警報(bào)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)動(dòng)車組的緊急制動(dòng)，使動(dòng)車組緊急停車［3-4］，如圖1所示。

圖1 車載地震緊急處置裝置當(dāng)前控車處置方式

由于地震是小概率事件，司機(jī)長期遇不到此類情況，一旦真的發(fā)生地震預(yù)警，司機(jī)很難快速做出準(zhǔn)確判斷，容易誤操作，存在安全隱患。此外，從地震預(yù)警到地震發(fā)生，時(shí)間在短短的幾秒鐘之內(nèi)，動(dòng)車組運(yùn)行中，司機(jī)注意力主要集中在瞭望和操縱列車，特別是遇到非正常行車和處置故障時(shí)，當(dāng)?shù)卣痤A(yù)警語言提示時(shí)，司機(jī)顧不上也不能在幾秒鐘內(nèi)做出迅速反應(yīng)并采取制動(dòng)措施。因此，I級警報(bào)的處置方式由司機(jī)進(jìn)行人工控制，響應(yīng)速度在很大程度上受司機(jī)操控的影響，不利于提高地震緊急處置的快速性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。因此，對車載地震緊急處置裝置I級警報(bào)處置方式的優(yōu)化方案研究已顯得十分必要［5］。

1 車載地震自動(dòng)控車裝置硬件組成

基于前期車載地震緊急處置裝置研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上，針對動(dòng)車組目前對I級地震警報(bào)信息處置的快速性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種車載地震自動(dòng)控車裝置。

車載地震自動(dòng)控車裝置主要由機(jī)箱、背板、電源板（冗余）、接口板、MVB通信板、存儲(chǔ)板、顯示板和GSM-R通信單元以及連接器和相關(guān)線纜組成，各板卡之間采用標(biāo)準(zhǔn)CAN總線進(jìn)行通信，支持熱插拔技術(shù)［6］。車載地震自動(dòng)控車裝置系統(tǒng)組成、車載地震自動(dòng)控車裝置三維模型如圖2、圖3所示。

圖2 車載地震自動(dòng)控車裝置組成

圖3 車載地震自動(dòng)控車裝置三維模型

（1）機(jī)箱和背板

機(jī)箱和背板（型號BP84B）是標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，插槽采用哈丁96針，符合DIN 41612標(biāo)準(zhǔn)要求，分別以機(jī)械方式和電氣方式與各板卡連接。背板決定了用于連接電源和其他板卡的插槽的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了各電源板、接口板、MVB板、存儲(chǔ)板、顯示板和GSM-R通信單元之間的電氣連接。

（2）電源板

電源板（型號PW02B）為車載地震自動(dòng)控車裝置的其他板卡提供不同制式的工作電源，包括有DC 24 V、DC 12 V、DC 5 V的電壓，對應(yīng)電壓制式的電流可以在2塊冗余電源板卡之間進(jìn)行均流和同步。電源板前面板共有4個(gè)LED燈來指示電源供電工作狀態(tài)。電源板采用冗余設(shè)計(jì)，一塊電源板故障可采用另一塊電源板繼續(xù)供電。為滿足電磁兼容的浪涌、共模抑制等要求的特殊電路，電源板卡具有濾波器功能。

（3）MVB通信板

MVB通信板（型號CM04A）能夠滿足MVB多功能列車總線以及CAN總線的通訊需求，是車載地震自動(dòng)控車裝置的主控單元板，完成邏輯運(yùn)算和MVB通信功能。

（4）接口板

接口板（型號EX01B）是車載地震自動(dòng)控車裝置的外部擴(kuò)展組件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字量、頻率量的數(shù)字隔離式輸入輸出以及繼電器控制的功能。

（5）顯示板

顯示板（型號CM06A）具有4位LED顯示功能，可實(shí)時(shí)顯示故障代碼及狀態(tài)信息；通過CAN總線與服務(wù)終端通信，可以實(shí)現(xiàn)程序下載、數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。

（6）存儲(chǔ)板

存儲(chǔ)板（型號CM07A）具有程序下載、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通信等功能。

（7）GSM-R通信單元

GSM-R通信單元包括無線通信板和通信控制板，采用GPRS通信方式接收地震警報(bào)信息（I級警報(bào)、Ⅱ級警報(bào)和Ⅲ級警報(bào)），并將警報(bào)信息傳送給MVB通信板。

2 自動(dòng)控車方案設(shè)計(jì)

2.1 電氣接口設(shè)計(jì)

車載地震自動(dòng)控車裝置由車輛供電，電源電壓DC 110 V，電源冗余配置。車載地震自動(dòng)控車裝置通過MVB總線與中央控制單元CCU通信，將地震預(yù)警級別發(fā)送給CCU，用于指令傳輸、狀態(tài)存儲(chǔ)及顯示。此外，車載地震自動(dòng)控車裝置輸出緊急繼電器控制指令，并回采緊急繼電器動(dòng)作狀態(tài)以及緊急繼電器隔離開關(guān)狀態(tài)。車載地震自動(dòng)控車裝置還預(yù)留裝置主機(jī)動(dòng)作狀態(tài)和裝置主機(jī)工作狀態(tài)2個(gè)輸出信號，用于今后車輛對車載裝置的狀態(tài)讀取。車載地震自動(dòng)控車裝置的電氣接口如圖4所示。

圖4 車載地震自動(dòng)控車裝置電氣接口圖

緊急繼電器由動(dòng)車組供電，為雙觸點(diǎn)，一路常閉觸點(diǎn)（斷開緊急環(huán)路），一路常開觸點(diǎn)（緊急繼電器動(dòng)作狀態(tài)）。隔離開關(guān)應(yīng)位于司機(jī)室，便于司機(jī)操作。隔離開關(guān)采用雙路觸點(diǎn)（常開），一路隔離，一路狀態(tài)回采。

GSM-R通訊單元通過相關(guān)線纜連接到對應(yīng)的車頂天線。

2.2 警報(bào)信息處置方式

車載地震自動(dòng)控車裝置的GSM-R通信單元采用GPRS通信方式接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的地震緊急處置信息（I級警報(bào)、Ⅱ級警報(bào)或Ⅲ級警報(bào)），并通過內(nèi)部背板CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給MVB通信板。當(dāng)MVB通信板收到I級警報(bào)時(shí)，通過MVB網(wǎng)絡(luò)將I級警報(bào)信息和160 km/h限速運(yùn)行指令發(fā)送到中央控制單元CCU（Central Control Unit）；若此時(shí)列車速度高于160 km/h，中央控制單元CCU通過MVB網(wǎng)絡(luò)向制動(dòng)控制單元BCU（Brake Control Unit）發(fā)送最大常用制動(dòng)請求，制動(dòng)控制單元BCU施加最大常用制動(dòng)減速。同時(shí)，中央控制單元CCU將警報(bào)信息通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給HMI，用于顯示和報(bào)警。當(dāng)中央控制單元CCU監(jiān)測到列車速度低于160 km/h或接收到MVB通信板發(fā)送的解除160 km/h限速運(yùn)行時(shí)，解除最大常用制動(dòng)請求，制動(dòng)控制單元BCU緩解最大常用制動(dòng)。

當(dāng)MVB通信板接收到Ⅱ級警報(bào)或Ⅲ級警報(bào)時(shí)，通過CAN總線控制接口板發(fā)出緊急繼電器控制指令，控制緊急繼電器斷開緊急制動(dòng)安全環(huán)路，觸發(fā)緊急制動(dòng)。同時(shí)，車載地震自動(dòng)控車裝置的接口板回采裝置隔離開關(guān)狀態(tài)和緊急繼電器動(dòng)作狀態(tài)。車載地震自動(dòng)控車裝置將上述信息通過MVB通信板傳輸給CCU，用于狀態(tài)存儲(chǔ)和顯示。車載地震自動(dòng)控車裝置的信息傳輸及功能控制如圖5所示。

圖5 車載地震自動(dòng)控車裝置信息傳輸及功能控制

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

車載地震自動(dòng)控車裝置的存儲(chǔ)板CM07A可存儲(chǔ)裝置的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，最大存儲(chǔ)空間2 GB?？赏ㄟ^存儲(chǔ)板CM07A的以太網(wǎng)總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的下載。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控及程序下載

車載地震自動(dòng)控車裝置的服務(wù)終端可通過以太網(wǎng)總線（存儲(chǔ)板CM07A）或CAN總線（顯示板CM 06A）接口與主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)板卡的信息讀取、I/O控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、應(yīng)用程序下載等功能。顯示板CM 06A具有4位LED數(shù)碼管，用于顯示故障代碼或狀態(tài)信息。

GSM-R通信控制單元通過MPLAB IPE進(jìn)行相關(guān)程序下載；通過調(diào)試信息輸出端口可以監(jiān)測車地通信和主機(jī)內(nèi)部CAN通信的數(shù)據(jù)交互內(nèi)容。

3 室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

通過PC上位機(jī)模擬中央控制單元CCU與自動(dòng)控車裝置進(jìn)行MVB通信，同時(shí)模擬鐵路局中心系統(tǒng)與自動(dòng)控車裝置進(jìn)行GPRS通信，搭建了自動(dòng)控車裝置的試驗(yàn)室模擬環(huán)境。通過模擬發(fā)送不同工況下的地震緊急處置信息，對自動(dòng)控車裝置的功能進(jìn)行了驗(yàn)證，并記錄了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中涉及的信號見表1。

表1 試驗(yàn)相關(guān)信號說明

3.1 地震I級模擬試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)過程

模擬發(fā)送地震I級警報(bào)及I級警報(bào)解除，記錄自動(dòng)控車裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析

當(dāng)自動(dòng)控車裝置接收到的地震緊急處置信息為“閾值報(bào)警I級”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm?Level=1）時(shí)，向CCU發(fā)出“160 km/h限速運(yùn)行”指令（Apply_SpeedLimit=1），通知CCU觸發(fā)最大常用制動(dòng)，如圖6所示。

圖6 地震I級警報(bào)觸發(fā)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)?shù)卣鹁o急處置信息變?yōu)椤熬瘓?bào)解除”（D2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）時(shí)，自動(dòng)控車裝置解除“160 km/h限速運(yùn)行”（Apply_Speed?Limit=0），如圖7所示。

圖7 地震I級警報(bào)解除時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

3.2 地震II級模擬試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)過程

模擬發(fā)送地震II級警報(bào)及II級警報(bào)解除，記錄自動(dòng)控車裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析

當(dāng)自動(dòng)控車裝置接收到的地震緊急處置信息為“閾值報(bào)警II級”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm?Level=2）時(shí)，發(fā)出緊急繼電器控制指令（A3_EB_Relay_Active=1），觸發(fā)緊急繼電器動(dòng)作，使動(dòng)車組施加緊急制動(dòng)，如圖8所示。

圖8 地震II級警報(bào)觸發(fā)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)?shù)卣鹁o急處置信息變?yōu)椤熬瘓?bào)解除”（D2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）且 接 收 到CCU發(fā)送的解除制動(dòng)請求時(shí)，自動(dòng)控車裝置解除緊急繼電器控制（A3_EB_Relay_Active=0），復(fù)位緊急繼電器，使動(dòng)車組緩解緊急制動(dòng)，如圖9所示。

圖9 地震II級警報(bào)解除時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

3.3 地震III級模擬試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)過程

模擬發(fā)送地震III級警報(bào)及III級警報(bào)解除，記錄自動(dòng)控車裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析

當(dāng)自動(dòng)控車裝置接收到的地震緊急處置信息為“閾值報(bào)警III級”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm?Level=3）時(shí)，發(fā)出緊急繼電器控制指令（A3_EB_Relay_Active=1），觸發(fā)緊急繼電器動(dòng)作，使動(dòng)車組施加緊急制動(dòng)，如圖10所示。

圖10 地震III級警報(bào)觸發(fā)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

之后，當(dāng)?shù)卣鹁o急處置信息變?yōu)椤熬瘓?bào)解除”（D2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）且 接 收 到CCU發(fā)送的解除制動(dòng)請求時(shí)，自動(dòng)控車裝置解除緊急繼電器控制（A3_EB_Relay_Active=0），復(fù)位緊急繼電器，使動(dòng)車組緩解緊急制動(dòng)，如圖11所示。

圖11 地震III級警報(bào)解除時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述室內(nèi)功能模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了自動(dòng)控車裝置功能的有效性和可靠性，結(jié)論如下：

（1）當(dāng)接收到地震I級警報(bào)時(shí)，自動(dòng)控車裝置通過MVB網(wǎng)絡(luò)向CCU發(fā)出“160 km/h限速運(yùn)行”指令，通知CCU觸發(fā)最大常用制動(dòng)；當(dāng)警報(bào)解除時(shí)，自動(dòng)控車裝置解除“160 km/h限速運(yùn)行”。

（2）當(dāng)接收到地震II級或地震III級警報(bào)時(shí)，自動(dòng)控車裝置發(fā)出緊急繼電器控制指令，觸發(fā)動(dòng)車組的緊急制動(dòng)；當(dāng)警報(bào)解除且接收到CCU發(fā)送的解除制動(dòng)指令時(shí)，解除緊急繼電器控制，緩解緊急制動(dòng)。

4 結(jié)論

在基于前期車載地震緊急處置裝置研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上，針對動(dòng)車組目前對I級地震警報(bào)信息處置的快速性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種車載地震自動(dòng)控車裝置，并提出了自動(dòng)控車技術(shù)方案，包括系統(tǒng)組成、接口設(shè)計(jì)、警報(bào)信息處置方式等。室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了車載地震自動(dòng)控車裝置功能的有效性和可靠性，為今后車載地震自動(dòng)控車裝置的工程推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。