和諧號動車組電子制動控制單元

曹宏發(fā)，樊貴新，章 陽，姜巖峰，陳 偉

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

和諧號動車組制動系統(tǒng)均采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，由貫穿全列車的總風管向各車輛的制動設備供風，各車的電子制動控制單元通過列車網路與硬線等響應列車控制指令，實現(xiàn)列車常用制動、緊急制動、停放制動、備用制動、空壓機管理等諸多功能，并在列車制動過程中，實時的進行車輪滑行監(jiān)測、保護與控制。對于制動系統(tǒng)可能發(fā)生的故障、失效等情況，系統(tǒng)具備完善的診斷體系，保證行車安全。

隨著列車速度的提高，制動系統(tǒng)日趨復雜，模塊化、智能化程度更高，電子技術和自動控制技術在動車組上得到廣泛應用?，F(xiàn)代化的和諧號動車組電子制動控制單元，是一個共享串行總線的分布式計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在硬件上采用模塊化設計，各模塊間通過串行總線進行數(shù)據(jù)的分時高速傳送，使接口大為簡化。

對于和諧號動車組制動系統(tǒng)的應用軟件開發(fā)，建立了具有國際先進水平的基于V模型的軟件開發(fā)平臺，這個平臺能夠覆蓋從系統(tǒng)設計到控制、算法、數(shù)據(jù)的可視化，再到控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與在線監(jiān)測、試驗與產品維護管理等整個產品開發(fā)過程。在整個過程中，通過不斷的驗證與確認，確保開發(fā)的產品從頂層設計到最終實現(xiàn)始終保持一致。

1 功能完善而先進的應用軟件平臺

和諧號動車組制動系統(tǒng)是一個功能完備、技術先進、充分考慮安全的制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)的所有復雜而完善的控制策略和邏輯功能，能夠確保列車在規(guī)定的制動距離安全停車；良好的故障診斷和故障導向安全控制功能能夠使列車制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保證列車安全停車或在可控狀態(tài)下安全運行。該應用軟件平臺覆蓋了常用制動、緊急制動、停放制動、備用制動、車輪滑行保護等功能。在列車復合制動過程中，全列車的復合制動控制方式能夠優(yōu)先充分利用再生制動，把摩擦制動產生的排放減少到最小。應用軟件平臺的設計充分采用了模塊化和參數(shù)化的設計理念，通過不同的軟件模塊組合可以實現(xiàn)不同的控制功能。參數(shù)化的設計可以實現(xiàn)不同的控制性能要求。

1.1 制動系統(tǒng)的分級管理與控制

制動系統(tǒng)分為三級管理與控制，TBM負責列車級的制動管理，SBM負責本單元的制動管理，局部BCU負責本車的制動控制、防滑控制、防抱死監(jiān)測、制動診斷等，各級之間的管理與控制通過TCN網絡（MVB＋WTB）進行數(shù)據(jù)傳遞，并與CCU、TCU進行實時信息交互。

圖1 制動管理與指令傳輸

1.2 常用制動控制

和諧號動車組采用了先進合理的減速度控制方式和全列車電空制動力復合的控制模式，在充分發(fā)揮全列車的電制動作用的同時，能夠充分的利用輪軌間的黏著力。減速度和制動力會跟隨列車制動指令、速度和車重、制動能力等實時調整，司機實施4級及以下制動時，電制動即可滿足列車的制動力要求，而無需使用空氣制動。

圖2 常用制動減速度曲線

1.3 緊急制動控制

緊急制動是安全等級最高的制動，緊急制動時將施加最大制動力并達到最大減速度，以滿足安全制動距離要求（如350km／h的列車制動距離小于6 500m，300 km／h小于3 800m）。緊急制動采用電空復合制動控制，并且針對輪軌間的黏著限制進行了制動力的分階段控制。

圖3 緊急制動減速度曲線

動車組緊急制動可以通過3種冗余模式可靠施加：

（1）緊急制動采用安全環(huán)路控制，連接在緊急制動安全環(huán)路下的緊急電磁閥觸發(fā)緊急制動；

（2）BCU獲得緊急制動安全環(huán)路的狀態(tài)信息，實施冗余緊急制動控制；

（3）對于有備用制動的列車，列車管壓力排空，備用制動系統(tǒng)施加冗余緊急制動。

1.4 停放制動控制

和諧號動車組的停放制動控制通過停放制動施加和緩解列車線控制實現(xiàn)，以保證列車能夠安全停放在規(guī)定的坡道上。在列車非靜止狀態(tài)下停放制動施加時，列車將同時施加最大常用制動，以保證基礎制動不被損壞和列車的安全。

1.5 車輪滑行保護控制

列車制動力的實施取決于輪軌黏著狀態(tài)，而輪軌黏著系數(shù)隨著速度的提高呈下降趨勢，這使得高速制動時出現(xiàn)滑行可能性更大。和諧號動車組制動防滑控制技術，保證列車在各種速度制動時迅速適應輪軌狀態(tài)的變化，既能有效進行車輪滑行保護控制，又能充分的利用輪軌間的黏著力。對于空電復合制動出現(xiàn)滑行時，動車首先實施電制動防滑，但電制動連續(xù)降低超過一定時間時，則將減小或切除電制動而實施空氣制動防滑，以防止輪對擦傷。

圖4 防滑控制原理圖

1.6 空壓機管理

和諧號動車組每8輛編組的列車內配置有兩套壓縮機，向列車中所有的用風設備持續(xù)供風。通過有效的壓縮機管理，可以控制列車的總風壓力保持在850kPa至1 000kPa之間。如果列車總風壓力小于850kPa，壓縮機管理程序模塊將啟動首選的壓縮機投入工作；如果列車總風壓力小于830kPa，壓縮機管理模塊將啟動第2個壓縮機也投入工作；如果列車總風壓力小于800kPa，壓縮機管理模塊應啟動列車組中的所有可用壓縮機投入工作。

1.7 備用制動管理

當電空制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者列車需要回送、救援時，列車可用備用制動裝置限速運行。備用制動采用間接制動形式，通過備用司控器控制列車管（BP）的壓力，使列車制動或緩解。常用制動和備用制動之間的切換可由電子制動控制單元根據(jù)車輛操作狀態(tài)自動識別。

1.8 撒沙控制

和諧號動車組通過撒沙來增加輪軌表面的粗糙度，而輪軌表面粗糙度可以破壞輪軌之間的水膜或油膜，從而改善黏著。撒沙裝置通過速度跟隨，可以實現(xiàn)撒沙定量控制。

圖5 動車組撒沙增黏系統(tǒng)配置圖

1.9 升弓供風控制

和諧號動車組配置了輔助升弓供風系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測升弓供風壓力，當需列車升弓而風源壓力不足時，將啟動輔助壓縮機向升弓系統(tǒng)供風。

1.10 故障診斷與故障導向安全控制

和諧號動車組制動系統(tǒng)的故障診斷以行車安全作為首要考慮因素，故障診斷系統(tǒng)可確認、評估、報告在所有的操作模式中發(fā)生的多數(shù)故障約600項，包括故障對系統(tǒng)自身以及對其它系統(tǒng)的影響，便于系統(tǒng)維護、故障定位查找和分析故障成因。

制動系統(tǒng)診斷出故障時，列車將根據(jù)故障等級自動進行＂故障導向安全＂控制，保證列車安全、受控的運行。同時列車診斷系統(tǒng)將故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司機、列車員，用于采取相關的補救措施。動車組按故障影響程度設定了故障等級。發(fā)生各級故障的時候，將通過列車自動限速運行或者安全停車，以保障行車安全。

2 模塊化和智能化的硬件平臺

和諧號動車組制動系統(tǒng)的電子制動控制單元作為機電一體化的高度自動化和智能化產品，采用了高性能、通用型的微型計算機系統(tǒng)，由4類模塊化和智能化的硬件資源（電源類、擴展接口類、核心控制類、網絡通訊類）構成了電子制動控制單元的硬件平臺，采用系統(tǒng)集成技術，優(yōu)化配置后可以滿足不同類型制動控制系統(tǒng)的全部硬件需求。操作系統(tǒng)與硬件設備配套安裝，完成異常／中斷處理、時間片管理調度等功能，同時提供控制服務、上載軟件、人機通訊和在線查看數(shù)據(jù)的接口。

2.1 基于模塊化和智能化的硬件資源

由于硬件技術的進步和性能的提高，使得我們可以實現(xiàn)日益強大的制動系統(tǒng)控制功能。基于制動控制系統(tǒng)的控制要求和接口要求，以及模塊化、智能化、通用化的設計原則，和諧號動車組電子制動控制單元由4類硬件資源共13種功能板組成：

（1）電源類。用于給整個制動控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作電源，滿足多種輸入／輸出電壓轉換形式，可提供待機休眠和自動喚醒功能。

（2）擴展接口類。不同類型的擴展接口板，可分別滿足模擬量輸入／輸出、數(shù)字量輸入／輸出、頻率量輸入／輸出、占空比可編程的功率驅動等諸多接口功能，用于制動系統(tǒng)與外部系統(tǒng)（如列車管理系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、列車邏輯線等）通過硬線進行狀態(tài)傳遞、識別以及數(shù)據(jù)轉換。

（3）核心控制類。核心控制類主板用于實現(xiàn)制動控制、車輪滑行保護、列車制動管理、單元制動管理等核心制動控制功能。核心類控制主板由不同的二進制控制端口、模擬輸入／輸出端口和頻率采集端口等組成。

（4）網絡通訊類。用于控制系統(tǒng)與外部通過網絡進行信息傳遞和數(shù)據(jù)交換，采用不同類型的網絡通訊板，可滿足如 MVB、HDLC、RS485、RS232、CAN 等各種總線通訊接口要求。

以上4類硬件資源均3U結構形式的標準化、通用化和模塊化設計，各控制板之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)的分時高速傳送。針對項目需求進行4類硬件資源的靈活配置后，即可組成一個共享串行總線的分布式計算機控制系統(tǒng)，上載應用軟件后即可實現(xiàn)制動系統(tǒng)的控制目標。同時，4類硬件資源的控制板組成電子制動控制單元時，同種類型的控制板可以根據(jù)不同的網絡ID實現(xiàn)不同的控制功能（圖6）。

圖6 4類硬件資源主要功能板

2.2 基于分布式網絡和微機控制的電子控制單元

為保證和諧號動車組的運用安全性，制動系統(tǒng)、重要子系統(tǒng)、關鍵部件在保證自身可靠性的同時，在列車安全性上具有高度冗余性。即使制動系統(tǒng)故障，也能夠保證列車安全制動停車，并具有使列車移動到下一站的制動能力。

和諧號動車組制動系統(tǒng)的局部電子制動控制單元EBCUX.1負責本車的制動控制、防滑控制、防抱死監(jiān)測、制動診斷等功能；因列車制動管理和單元制動管理作為列車制動控制與管理的主要執(zhí)行機構，在列車的兩端采用了冗余配置，由EBCU1.2實現(xiàn)；參照UIC 541－05標準中的要求，車輪不旋轉檢測須有兩套物理上獨立的系統(tǒng)完成，為此拖車上配置了EBCU2.2（單元內的2車）和EBCU4.2（單元內的4車）用于冗余的車輪抱死狀態(tài)監(jiān)測。每8輛編組的和諧號動車組制動系統(tǒng)共包含14個EBCU，均有標準化和智能化的4類硬件資源組合而成（圖7）。

2.3 嵌入式實時操作系統(tǒng)

對于和諧號動車組電子制動控制單元而言，節(jié)點數(shù)量非常多，有些節(jié)點的某些功能非常類似，為了實現(xiàn)應用軟件開發(fā)的標準化、可讀性，實現(xiàn)應用軟件的可移植性和不同功能模塊之間的可兼容性，有必要采用基于OSEK／VDX規(guī)范的嵌入式操作系統(tǒng)。這樣不僅可以提供軟件任務間的標準接口，增加軟件功能模塊的可移植性，可重用性，還可以提高電控系統(tǒng)的可靠性，大大減少模塊間集成測試的復雜程度，避免不必要的重復開發(fā)。

圖7 集成的和諧號動車組電子制動控制單元

設計實時系統(tǒng)的基礎是分析可調度性。操作系統(tǒng)所提供的分析工具能夠仿真調度表并計算可調度性。分析基于每個任務和ISR的優(yōu)先級、周期、執(zhí)行時間和時限等信息?？梢赃x擇多種在可調度性分析理論界知名的可調度性算法。針對給定信息，會自動選擇最適合的算法。使用分析工具，可以避免采用測試方法進行的復雜而耗時的測定工作。它為軟件開發(fā)者提供了一種在系統(tǒng)中集成知名軟件組件的工具，能夠在項目開發(fā)和測試階段節(jié)省成本和時間。分析工具會計算處理器利用率并給出百分比數(shù)值。通過調整應用程序參數(shù)，可以優(yōu)化處理器利用率，從而在現(xiàn)有硬件資源條件下獲得高效的設計。圖形界面提供了時間特性的直觀視圖，使應用工程師能夠更為形象地了解控制單元內部的處理過程，這樣就極大地降低了產生不可靠系統(tǒng)的風險（圖8）。

圖8 操作系統(tǒng)動態(tài)觀測

3 軟件開發(fā)平臺

和諧號動車組制動系統(tǒng)軟件開發(fā)以系統(tǒng)級的設計理念為基礎，引入了目前國際上領先的基于V模式的軟件開發(fā)平臺，可以解決在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)開發(fā)中所遇到的各種問題。在開發(fā)過程中可以將在桌面上的控制算法的離線仿真、試驗室內的控制原型的測試、以及車輛的實際測試標定過程統(tǒng)一起來，通過不斷的驗證與確認，確保開發(fā)的產品在從頂層設計到最終實現(xiàn)的過程中保持一致，加快開發(fā)的進程（圖9）。

圖9 基于V模式的軟件開發(fā)平臺

3.1 圖形化的系統(tǒng)建模和仿真平臺

圖形化的控制系統(tǒng)建模環(huán)境可以進行方便的算法設計及仿真，并提供豐富的模塊庫用于實時動態(tài)系統(tǒng)搭建和有限狀態(tài)機建模，基于該環(huán)境可以通過對模塊庫中模塊的拖拉、連接和配置，方便的實現(xiàn)控制算法的搭建。

3.2 快速原型開發(fā)平臺

按現(xiàn)代設計方法，無須等待軟件工程師的編程和隨后的代碼硬件集成，而是利用計算機輔助設計工具自動將控制軟件轉換為代碼并自動下載到硬件開發(fā)平臺，從而快速實現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型。之后，就可以利用計算機輔助試驗測試管理工具軟件進行各種測試，以檢驗控制方案對實際對象的控制效果，并在線優(yōu)化控制參數(shù)。此時即使模型需要大規(guī)模修改，重新形成測試原型也只需要幾分鐘的時間，避免過多的資源浪費和時間消耗。

3.3 系統(tǒng)代碼自動生成平臺

基于模型的控制算法可以生成針對特定硬件平臺的產品級嵌入式代碼；基于數(shù)據(jù)庫的網絡通信協(xié)議也可以通過生成針對特定硬件平臺的網絡協(xié)議棧代碼。相關源碼可以在開發(fā)環(huán)境中進行代碼集成，編譯，鏈接，并將生成的二進制文件下載到產品級硬件環(huán)境中。

3.4 硬件在回路測試平臺

有了控制產品的樣機，還必須對其進行全面綜合的測試，以對照確認產品與實際指標要求，特別是故障情況和極限條件下的測試。但如果用實際的控制對象進行測試，很多環(huán)境條件無法實現(xiàn)的，抑或要付出高昂的代價。現(xiàn)代開發(fā)方法中計算機輔助設計工具將再次發(fā)揮作用，可以用HILS的方法和工具進行各種條件下的測試，特別是故障和極限條件下的測試。

3.5 在線測量與標定平臺

最后利用標定工具和基于總線的測量設備來進行EBCU的標定工作。除此之外，提供重要的測試和分析工具，可以將設計、分析、測試一體化實現(xiàn)，實現(xiàn)和諧號動車組制動系統(tǒng)的控制性能的參數(shù)化管理。

4 結束語

電子制動控制單元作為整個制動系統(tǒng)的核心機構，實現(xiàn)了制動系統(tǒng)所有復雜的邏輯運算和控制，并具備豐富的故障診斷和故障導向安全控制功能，是和諧號動車組安全運用的基礎和保證。

目前電子和軟件已經成為鐵路機車車輛技術改進和革新的主要推動力，和諧號動車組電子制動控制單元集成了應用軟件平臺、硬件平臺和軟件開發(fā)平臺，集中體現(xiàn)了制動控制系統(tǒng)軟硬件模塊化、參數(shù)化的設計理念，可以滿足各種用戶的需求。