高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)急處理研究

鄒 穎， 趙佳穎， 宋君君

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北 唐山 063035）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高附加值貨物的種類和數(shù)量有了較大的變化，以汽車(chē)配件、電子信息、醫(yī)藥、服裝、鮮花、海鮮等為代表的快運(yùn)貨物需求發(fā)展較快，這類貨物對(duì)運(yùn)輸能力、 運(yùn)輸速度和運(yùn)輸條件有較高的要求。目前我國(guó)鐵路開(kāi)行的行包行郵專列在運(yùn)輸能力、服務(wù)水平與客戶的要求還存在差距， 尚不能完全滿足社會(huì)需求。隨著客運(yùn)專線進(jìn)一步建設(shè)，為高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組的開(kāi)行提供了前提條件。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量達(dá)到833.6 億件，同比增長(zhǎng)31.2%，快捷貨運(yùn)市場(chǎng)潛力巨大。 因此，發(fā)揮高速鐵路快速、準(zhǔn)時(shí)、安全的特點(diǎn)，利用高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)輸小批量、高附加值的貨物，提高運(yùn)輸資源利用率，增加運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)收益，拓展鐵路快捷貨運(yùn)服務(wù)十分重要。

1 高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組簡(jiǎn)介

高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組是基于時(shí)速350 公里復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組技術(shù)平臺(tái)，編組、速度等級(jí)及動(dòng)力配置與復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組相同，重點(diǎn)對(duì)貨物快速裝卸、一體化運(yùn)輸以及在途管理等與貨運(yùn)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

普通動(dòng)車(chē)組單車(chē)內(nèi)電氣柜集成了單車(chē)所有的空開(kāi)、繼電器、隔離開(kāi)關(guān)，司機(jī)無(wú)法解決的故障，一般都是由機(jī)械師到故障發(fā)生車(chē)廂的電氣柜進(jìn)行檢查處理，高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組為保證裝載空間的最大化，車(chē)廂中間不設(shè)貫通道，原車(chē)內(nèi)電氣柜放置于車(chē)下，各車(chē)廂封閉。 機(jī)械師無(wú)法在車(chē)內(nèi)直達(dá)故障所在車(chē)廂對(duì)故障進(jìn)行處理，必須提出新的方案。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)急處理方案選擇

因電氣柜安裝在車(chē)下， 應(yīng)急處理最簡(jiǎn)單的方案就是停車(chē)后，機(jī)械師下車(chē)處理，但有兩個(gè)問(wèn)題。 一個(gè)是車(chē)下電氣柜的操作如正好在站臺(tái)側(cè)，人無(wú)法接觸；另一個(gè)是動(dòng)車(chē)組原則上不允許途中停車(chē)， 特殊情況需要向行車(chē)調(diào)度申請(qǐng)，動(dòng)車(chē)組涉及應(yīng)急處理的系統(tǒng)（火警、制動(dòng)、軸溫、失穩(wěn)等）并不少，不能總申請(qǐng)停車(chē)。

第2 種方案為將各車(chē)需要應(yīng)急處理操作的開(kāi)關(guān)、按鈕通過(guò)硬線引到頭車(chē)，此方案問(wèn)題更多，首先要在機(jī)械師處增設(shè)操作處理裝置；1 個(gè)開(kāi)關(guān)至少需增加2 根車(chē)內(nèi)貫穿線（到兩個(gè)頭車(chē)），新增的車(chē)內(nèi)貫穿線就超過(guò)了車(chē)端跨接線的預(yù)留。

第3 種方案為在頭車(chē)通過(guò)人機(jī)接口顯示屏 （HMI）觸發(fā)MVB 網(wǎng)絡(luò)控制單車(chē)?yán)^電器動(dòng)作，繼電器輔助觸點(diǎn)接入動(dòng)作回路實(shí)現(xiàn)，此方案易實(shí)施，由于加入了網(wǎng)絡(luò)，需要提升方案可靠性，初步選定此方案。

3 關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)急處理方案

以制動(dòng)系統(tǒng)為例， 需要實(shí)現(xiàn)單車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的切除和復(fù)位。 方案包括總體方案、硬線和網(wǎng)絡(luò)。

3.1 總體方案

單車(chē)空氣制動(dòng)切除原通過(guò)機(jī)械師操作實(shí)現(xiàn)， 本項(xiàng)目仍只能讓機(jī)械師操作。 具體通過(guò)機(jī)械師HMI 實(shí)現(xiàn)，在HMI 中增加單車(chē)空氣制動(dòng)切除顯示界面，通過(guò)HMI 軟鍵對(duì)單車(chē)空氣制動(dòng)進(jìn)行切除，中央控制單元（CCU）接收到HMI 軟鍵切除指令后， 通過(guò)車(chē)廂網(wǎng)絡(luò)傳遞給單車(chē)I/O 信號(hào)，控制本車(chē)空氣制動(dòng)切除繼電器，由該繼電器控制單車(chē)空氣制動(dòng)切除，制動(dòng)控制單元（BCU）將單車(chē)空氣制動(dòng)切除狀態(tài)傳輸至HMI，CCU 對(duì)單車(chē)空氣制動(dòng)切除狀態(tài)進(jìn)行診斷，HMI 進(jìn)行單車(chē)空氣制動(dòng)切除狀態(tài)顯示。

單車(chē)制動(dòng)復(fù)位方案與空氣制動(dòng)切除方案類似。

3.2 硬線方案

硬線方案分為制動(dòng)切除和制動(dòng)復(fù)位兩部分。

3.2.1 制動(dòng)切除

制動(dòng)切除需要在停車(chē)狀態(tài)下操作， 原通過(guò)位于單車(chē)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)觸發(fā)，通過(guò)硬線直連到本車(chē)BCU?，F(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的DO 脈沖信號(hào)觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)繼電器， 其觸點(diǎn)通過(guò)硬線直連到BCU。 使用雙穩(wěn)態(tài)繼電器的好處是可以長(zhǎng)期保持住接收的信號(hào)，直到重新接收到信號(hào)，這樣就避免了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間輸出造成的信號(hào)不穩(wěn)定。為了提高可靠性，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)兩個(gè)不同IO 機(jī)箱上的板卡輸出。

=28-K17 為雙穩(wěn)態(tài)繼電器， 其A1 端口和B1 端口都同時(shí)接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)=24-T37 和=24-T50 IO 機(jī)箱的輸出信號(hào)，A1 端口得電后， 其輔助觸點(diǎn)動(dòng)作并長(zhǎng)期保持這一狀態(tài)， 直到B1 端口得電；=28-K17 的13、14 常開(kāi)觸點(diǎn)接入BCU，詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 制動(dòng)切除觸發(fā)電路圖

圖2 制動(dòng)切除電路圖

3.2.2 制動(dòng)復(fù)位

單車(chē)制動(dòng)復(fù)位原通過(guò)直接復(fù)位故障BCU 的空開(kāi)實(shí)現(xiàn)， 現(xiàn)在BCU 供電線路中串入繼電器常閉輔助觸點(diǎn)，繼電器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的DO 脈沖信號(hào)觸發(fā)。 制動(dòng)復(fù)位使用的普通繼電器， 因網(wǎng)絡(luò)的DO 脈沖信號(hào)只需維持很短時(shí)間。 為了提高可靠性，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)兩個(gè)不同IO 機(jī)箱上的板卡輸出。

=28-K20 和=28-K21 為制動(dòng)復(fù)位繼電器，都同時(shí)接收來(lái)自=24-T33 和=24-T34 IO 機(jī)箱的輸出信號(hào)，=28-K21 的21、22，31、32 常閉觸點(diǎn)分別接入BCU 第一個(gè)供電回路的正負(fù)極，=28-K20 的21、22，31、32 常 閉 觸點(diǎn)分別接入BCU 第二個(gè)供電回路的正負(fù)極，詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 制動(dòng)復(fù)位觸發(fā)電路

圖4 制動(dòng)復(fù)位電路

3.3 網(wǎng)絡(luò)方案

網(wǎng)絡(luò)方案包括診斷邏輯設(shè)計(jì)和HMI 方案。

3.3.1 診斷邏輯設(shè)計(jì)

動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)由中央診斷系統(tǒng)和子系統(tǒng)診斷兩部分組成。 中央診斷系統(tǒng)集成在HMI 上，對(duì)子系統(tǒng)上報(bào)的故障代碼進(jìn)行存儲(chǔ)、分類、顯示和評(píng)估。 子系統(tǒng)診斷主要涉及CCU、牽引、BCU、安全環(huán)路、轉(zhuǎn)向架、給水衛(wèi)生、照明等關(guān)鍵和重要系統(tǒng)。

診斷代碼故障等級(jí)分為3 級(jí)，1 級(jí)故障為嚴(yán)重故障，需立即處理；2 級(jí)故障為車(chē)輛功能受限，可以繼續(xù)運(yùn)行；3級(jí)故障為車(chē)輛可以繼續(xù)運(yùn)行，但需入庫(kù)后維護(hù)。

針對(duì)單車(chē)制動(dòng)切除和復(fù)位，網(wǎng)絡(luò)對(duì)HMI 指令狀態(tài)和IO 機(jī)箱上的板卡輸出信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，顯示2 級(jí)故障代碼；對(duì)雙穩(wěn)態(tài)繼電器和復(fù)位繼電器輔助觸點(diǎn)進(jìn)行雙路監(jiān)控，顯示3 級(jí)故障代碼。

3.3.2 HMI 方案HMI 界面將BCU 切除和復(fù)位功能拆分成2 個(gè)界面。在HMI 制動(dòng)切除界面上，各車(chē)均設(shè)置2 個(gè)按鈕，實(shí)現(xiàn)切除和取消切除功能。

若想切除某車(chē)BCU，通過(guò)軟按鍵來(lái)選擇相應(yīng)的車(chē)號(hào)。CCU 收到HMI 軟按鍵按下BCU 斷電指令時(shí)， 通過(guò)單車(chē)DO 輸出高電平，控制單車(chē)BCU 復(fù)位繼電器得電，BCU 供電電路上串接的該繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，BCU 斷電；延時(shí)15s 后，BCU 斷電指令消除，單車(chē)DO 輸出低電平，相應(yīng)繼電器不得電， 串接在BCU 供電電路上的常閉觸點(diǎn)閉合，BCU 得電。 以上復(fù)位操作必須在動(dòng)車(chē)組速度小于5 km/h信號(hào)有效時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。

操作完成后，切除（字樣）下的灰色按鈕按鈕顯示紅色， 通過(guò)在制動(dòng)切除界面查看單車(chē)制動(dòng)缸壓力為0 判斷是否制動(dòng)切除成功，見(jiàn)圖5。

圖5 制動(dòng)切除HMI 設(shè)置

對(duì)于01/08，03/06 車(chē)， 通過(guò)在HMI 界面上增加2 個(gè)按鈕，實(shí)現(xiàn)單個(gè)BCU 復(fù)位。 當(dāng)需要復(fù)位某車(chē)的BCU 時(shí)，在HMI 的BCU 復(fù)位界面，選擇相應(yīng)車(chē)的BCU 復(fù)位鍵（即復(fù)位BCU1 字樣所在處），HMI 發(fā)出3s 脈沖后HMI 復(fù)位鍵回彈到初始狀態(tài)。

操作完成后， 圖6 中復(fù)位BCU1 下的灰色按鈕顯示綠色。 在HMI 的通信狀態(tài)界面查看BCU 是否重新在線。

圖6 制動(dòng)復(fù)位HMI 設(shè)置

4 安全評(píng)估

由于制動(dòng)切除功能涉及行車(chē)安全， 對(duì)此做了安全評(píng)估， 詳見(jiàn)表1。

表1 制動(dòng)切除功能安全評(píng)估

5 裝車(chē)驗(yàn)證

高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組已完成廠內(nèi)調(diào)試， 對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果各功能正常。

6 結(jié)論

高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)急處理采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)單車(chē)?yán)^電器方案，易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)評(píng)估，電路各環(huán)節(jié)都有監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)板卡進(jìn)行了冗余設(shè)置，控制邏輯合理。 未來(lái)隨著高鐵快運(yùn)動(dòng)車(chē)開(kāi)展廠外試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證可靠性。