神華八軸機車無線同步控制的制動系統軟件設計

張 維

(法維萊交通設備科技(北京)有限公司 技術部， 北京 100015)

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神華八軸機車無線同步控制的制動系統軟件設計

張 維

(法維萊交通設備科技(北京)有限公司 技術部， 北京 100015)

鐵路重載運輸的核心技術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實現遠程機車的統一管理和同步操縱。以神華八軸電力機車法維萊制動系統為研究對象，從制動技術和軟件設計的角度，對制動系統無線同步控制功能的軟件設計進行研究；采用有限狀態機模型工具，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；提出關于軟件架構設計的建議和實現方法。結果表明，在以狀態機模型為基礎的制動控制軟件中，功能模塊的劃分、狀態機結構的設計和調整對軟件設計及其功能實現至關重要，對制動系統的可靠性和安全性有重要影響。

制動系統； 無線同步控制； 軟件； 架構

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。根據美國、南非、澳大利亞等國的經驗，這種遠距離的控制和管理可以通過無線同步控制系統來實現。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一管理和同步操縱[1]。

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

制動系統是機車車輛的重要組成部分，是實施減速和停車作用的執行機構，確保列車的可靠性和安全性，軟件作為控制核心，其設計結構和性能至關重要。

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能實現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要求的擴展能力。系統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，實現各機車牽引和制動作用的同步執行和協調運作[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或排風，相當于多個風源，可以縮短空氣波在列車中的傳播距離，減少空氣制動系統的反應時間，提高工作效率[3-4]。

主控機車經無線電裝置發出控制指令，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行，同時將本車的狀態信息反饋給無線同步控制系統[4]。列車級結構見圖1所示。

圖1 無線同步控制列車級結構

1.2 車輛級管理

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

為了實現系統的冗余功能，兩節機車的RCS設備均與TCMS相連。正常情況下，只有1臺RCS設備激活，處于工作狀態；當發生故障時，故障設備設置為非激活狀態，另1臺設備投入運行。車輛級結構如圖2所示。

圖2 無線同步控制車輛級結構

1.3 制動系統功能需求

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狀態進行監測，傳輸主控機車的制動控制指令及從控機車的制動狀態信息。機車制動系統負責車輛級制動控制。

主控機車制動系統與非無線同步控制模式下的控制方式一致，根據本車制動控制器的指令進行制動和緩解，在執行正常制動和緩解操作的基礎上，實時將制動指令和相關信息按照通信協議傳輸給RCS，用于RCS進行狀態監測和數據傳輸。

從控機車制動系統不再根據本車制動控制器的指令進行制動和緩解，而是根據RCS傳輸的主控機車的目標壓力值對本車的均衡壓力和列車管壓力進行控制，從而實現制動系統的遠程控制，確保從控機車與主控機車的制動和緩解作用一致。

制動系統應能實現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RCS通信丟失時，制動系統應采取合理而有效的保護措施，確保列車的運行安全。

2 制動控制單元結構

制動控制單元(Brake Control Unit,BCU)是法維萊機車制動系統的微機控制單元，是集軟硬件為一體的核心控制平臺，實時處理制動系統的模擬量、數字量、網絡通訊數據和制動相關信息等，用來實現制動系統的邏輯功能控制、信息化數據處理、故障診斷和監測、以及事件記錄等。該裝置采用智能化、模塊化和集成化設計，具有安全防護措施和自我診斷功能，可靠性高，結構緊湊，配置優化。

2.1 制動控制單元硬件結構

制動控制單元硬件包括電源、電壓轉換、中央處理單元、MVB、CAN、數字輸入、數字輸出、模擬輸入和模擬輸出等板卡。

2.2 制動控制單元軟件結構

BCU軟件基于多任務實時操作系統平臺而建，是制動系統的控制核心。軟件模塊基本劃分為三種類型：操作系統和驅動模塊、標準程序模塊，以及應用程序模塊。

2.3 有限狀態機

有限狀態機，又稱有限狀態自動機，簡稱狀態機，是一種具有離散輸入輸出系統的數學模型，表示有限個狀態以及在這些狀態之間的轉移和動作等行為。它具有有限數量的內部狀態，根據當前的輸入可以確定下一步的狀態和行為。可以認為許多系統或部件始終處于有限多個狀態之一[5]。

制動系統的應用層軟件基于有限狀態機模型，所有重要工況被定義為有限個狀態，每種狀態有嚴格的判斷條件，當條件滿足時，程序按照不同狀態的優先級首先進入優先級最高的狀態邏輯，執行該狀態對應的程序。有限狀態機原理如圖3所示。

圖3 有限狀態機原理

3 無線同步控制的軟件設計

3.1 設計原則

在制動系統的原有基礎上增加無線同步控制功能，對整個控制軟件的結構將產生重大影響。方案設計的原則是保持原有系統的獨立性及完整性，將與無線同步控制相關的函數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]。當系統設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；當系統設置為無線同步控制模式時，制動系統應該能夠及時響應無線同步控制系統指令并進行狀態反饋，滿足列車制動、緩解的一致性及安全性要求。

在制動系統控制軟件的10個應用程序模塊中，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。應用程序模塊變化如表1所示。

表1 應用程序模塊變化

注：-為無改動，△為較小改動，▲為重大改動，●為新增。

3.2 MVB通信模塊設計

由于硬件所限，制動系統與無線同步控制設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的數據使用新增的端口。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 制動功能模塊設計

3.3.1 無線同步控制狀態的定義

在對軟件進行架構設計時，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機中的一種狀態，然后要確定如何使制動系統準確地區分無線同步控制模式和非無線同步控制模式。

制動系統的有限狀態機只包含重要工況，并非所有的工況都定義為狀態，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，制動系統一旦處于該工況，功能發生重大改變，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機中的一種狀態。

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

圖5 更新后的狀態機模型

3.3.2 自動制動功能模塊的設計

神華八軸機車為雙節重聯機車，每臺車裝有兩臺制動系統。在無線同步控制模式下，制動系統共有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。

當機車被設置為主控機車時，制動系統的性能不會受到重大影響，制動系統需要把主控機車的相關信息發送給RCS。當機車被設置為從控機車時，制動系統需要響應RCS發送的主控機車的指令，實現相應的功能，此時，制動系統進入有限狀態機模型的無線同步控制狀態，根據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計

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

此外，BCU必須把有限狀態機模型的無線同步控制狀態作為一個標志位，發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雜、運行環境惡劣，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計必須考慮無線電通信丟失的工況，以實現各種工況下的列車安全導向。相應地，制動系統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。基于長大列車的運行經驗，為了避免列車沖動，列車運行中應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

制動系統根據RCS與BCU之間傳輸的生命信號判斷通信狀況。正常情況下，生命信號應隨軟件運行周期持續變化，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BCU檢測到RCS發送的信息丟失，并持續超過通信丟失判定時間5 s時，BCU會產生懲罰制動，并將懲罰制動狀態位置1。

對于從控機車,當BCU檢測到RCS發送的信息丟失，并持續超過通信丟失判定時間5 s時，制動系統無法再響應主控機車的指令。為了不對全列車的制動和緩解造成影響，制動系統會將執行機構司機制動閥隔離，不再對均衡風缸及列車管壓力進行控制。待通訊恢復后，再將司機制動閥重新投入，恢復響應主控機車指令，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 故障診斷模塊的設計

制動系統具有完善的故障診斷功能，能夠對系統的各個部件包括氣動閥、壓力傳感器、壓力開關和電磁閥等進行監測和診斷，并提供故障提示信息。當重要部件發生故障時，制動系統會自動產生懲罰制動，使列車降速甚至停車。但是，在無線同步控制模式下，從控機車自動產生懲罰制動會產生列車沖動，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 現車調試和試驗

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備供應商、TCMS供應商和法維萊公司技術人員在神朔機務段進行了機車分布式組合列車無線同步控制的聯合調試，包括靜態測試和動態運行測試。在1+1組合方式的靜態試驗中，制動測試結果如下：

表2 1+1組合方式制動測試結果 kPa

調試和試驗過程中，在BCU軟件方面，主要解決了以下關鍵技術問題。

(1) 無線同步控制狀態的判斷條件和邏輯順序

無線同步控制狀態的判斷主要依據兩個方面的條件，一個是RCS發送給BCU的MVB數據中的相關標志位，另一個是制動系統的主從控塞門信號。只有兩個方面的條件都滿足，制動系統才會進入到有限狀態機模型的無線同步控制狀態。前者條件優先于后者，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監控程序可以監測到制動系統是否正確地進入到無線同步控制狀態，見圖9和圖10。

圖9 BCU監控軟件非無線同步控制狀態截圖

圖10 BCU監控軟件無線同步控制狀態截圖

(2) 通信丟失功能的調試

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

圖11 BCU監控軟件從控機車通信丟失截圖

現車調試的結果表明，無線同步控制模式下，從控機車能夠及時響應主控機車的指令，主、從控機車制動與緩解作用基本保持一致。BCU軟件的架構邏輯清晰,設計合理。制動系統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換，滿足功能要求。

5 結束語

本文是利用計算機科學的有限狀態機模型理論進行制動系統控制軟件無線同步控制功能設計的實踐應用。在分析無線同步控制功能需求和制動系統軟件結構的基礎上，對如何重建軟件功能模塊結構和故障診斷安全導向等進行研究。分析、研究和試驗表明，在以狀態機模型為基礎的制動控制軟件中，每一種狀態的嚴格定義、狀態判斷條件的確認、狀態優先級的排序和功能模塊的劃分對軟件設計及其功能實現至關重要，對制動機的可靠性和安全性有重要影響，是軟件結構設計中需深入分析和謹慎決定的因素。相應開發的制動系統控制軟件已進行應用測試，靜態試驗和動態試驗結果良好，滿足系統的無線同步控制功能要求。

[1] 耿志修．大秦鐵路重載運輸技術 [M]．北京：中國鐵道出版社，2009．

[2] 李 蔚，陳特放，李 輝，等．重載組合列車分布機車重聯控制系統無線傳輸同步性研究 [J]．中國鐵道科學，2011，32 (6)：102-106．

[3] 高春明，冀 彬，張 波，等．大秦線重載組合列車的LOCOTROL技術應用研究 [J]．電力機車與城軌車輛，2006，29 (6)：5-7,41．

[4] 郭其一，陳琳芝，黃世澤，等．基于無線通信的重載列車同步控制技術研究 [J]．同濟大學學報(自然科學版)，2013, 41 (2)：223-227, 246．

[5] Hoperoft J E, Motwani R, Ullman J D. Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation [M]．Beijing: China Machine Press, 2008．

[6] 黃志強，蘇 穎．有限自動機在自動控制軟件設計中的應用 [J]．華北電力大學學報，2002, 29 (1)：49-51．

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