高速列車電子制動(dòng)控制單元國(guó)產(chǎn)化工程實(shí)踐

袁 場(chǎng)， 周 鵬

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

2007 年，CRH 型和諧號(hào)動(dòng)車組通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的方式開(kāi)始上線運(yùn)營(yíng)， 成功實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)高速列車250km/h 及以上的運(yùn)行速度；2013 年，在鐵路總公司的帶領(lǐng)下， 開(kāi)始研制完全自主創(chuàng)新的時(shí)速350km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組產(chǎn)品， 經(jīng)過(guò)4 年的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新于2017 年成功上線運(yùn)營(yíng)。和諧號(hào)動(dòng)車組的引進(jìn)到復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的正式運(yùn)營(yíng)，中國(guó)高速列車用了10 年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了完全自主創(chuàng)新的目標(biāo)，邁出了從無(wú)到有，從追趕到領(lǐng)跑的關(guān)鍵一步。

電子制動(dòng)控制單元[1]（Electronic Braking Control Unit，簡(jiǎn)稱EBCU）是高度自動(dòng)化、智能化的高性能、高可靠性的微機(jī)系統(tǒng)。作為高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的大腦，電子制動(dòng)控制單元通過(guò)接收列車網(wǎng)絡(luò)和硬線等媒介傳輸?shù)目刂菩盘?hào)，綜合采集到的列車管壓力、列車速度等信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)高速列車的常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、保持制動(dòng)、停放制動(dòng)、空壓機(jī)管理等功能。 與此同時(shí)，EBCU 實(shí)時(shí)進(jìn)行車輪狀態(tài)的滑行監(jiān)控、保護(hù)和控制，對(duì)列車可能存在的故障、失效等情況進(jìn)行診斷、上報(bào)，保證高速列車的行車安全。

電子制動(dòng)控制單元作為高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，隨著整車的自主化，順利從引進(jìn)吸收的道路邁向自主創(chuàng)新，逐步開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化的征程。 在國(guó)產(chǎn)化的道路上，電子制動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用等環(huán)節(jié)將面臨一系列的機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)，需要提前部署有效的保障措施。

1 國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著我國(guó)科技實(shí)力的快速提升， 西方國(guó)家加強(qiáng)對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖和限制，包括技術(shù)轉(zhuǎn)讓、原材料供應(yīng)等。 尤其2018 年中美貿(mào)易戰(zhàn)事件，美國(guó)對(duì)中興、華為等企業(yè)實(shí)施出口限制，禁止其相應(yīng)的供應(yīng)商提供服務(wù)，導(dǎo)致電子元器件等原材料供貨量出現(xiàn)斷崖式不足、 關(guān)鍵技術(shù)無(wú)法完全消化吸收，加劇了國(guó)內(nèi)整機(jī)制造商的風(fēng)險(xiǎn)和危機(jī)。此事件的發(fā)生導(dǎo)致國(guó)內(nèi)各行各業(yè)包括軌道交通行業(yè)均拉響了警報(bào)， 也加速了高速列車各關(guān)鍵子系統(tǒng)集成制造商將自主產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。

國(guó)產(chǎn)化將由原來(lái)的在國(guó)內(nèi)制造生產(chǎn)、 進(jìn)口國(guó)外零部件在國(guó)內(nèi)進(jìn)行組裝、 國(guó)外公司在國(guó)內(nèi)設(shè)立企業(yè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)組裝等方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛趪?guó)產(chǎn)電子元器件、 國(guó)產(chǎn)材料等進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組裝以及驗(yàn)證，擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模式。 電子制動(dòng)控制單元也將由原來(lái)的進(jìn)口零部件完全替換為國(guó)產(chǎn)化零部件， 在自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)真正的國(guó)產(chǎn)化。

2 國(guó)產(chǎn)化面臨的機(jī)遇

2.1 國(guó)產(chǎn)化意識(shí)的加強(qiáng)

高速列車電子制動(dòng)控制單元的自主創(chuàng)新之路在2011 年已經(jīng)開(kāi)展，在引進(jìn)消化的基礎(chǔ)上開(kāi)始了對(duì)等替換的工作并成功實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的制造，并完成裝車驗(yàn)證，技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主化，但是原材料上還是依賴于進(jìn)口，主要包括電子元器件、電連接器等。

隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的愈演愈烈， 國(guó)內(nèi)從上至下對(duì)于完全國(guó)產(chǎn)化的呼聲越來(lái)越高，政府、企業(yè)等已完全意識(shí)到國(guó)產(chǎn)化的重要性和迫切性， 電子制動(dòng)控制單元的完全國(guó)產(chǎn)化被提上日程。

2.2 國(guó)產(chǎn)化電子元器件的發(fā)展

電子元器件的國(guó)產(chǎn)化[2]在軍工企業(yè)帶頭的情況下，已經(jīng)有了足夠的發(fā)展和進(jìn)步。 目前的技術(shù)、工藝、質(zhì)量等已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，產(chǎn)品逐漸趨于成熟，部分實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化和產(chǎn)品化，打破了國(guó)外的絕對(duì)壟斷，為裝備的國(guó)產(chǎn)化提供了基礎(chǔ)條件。

電子制動(dòng)控制單元主要由阻容感器件、 半導(dǎo)體分立器件、集成芯片以及電連接器等集成而成，目前市場(chǎng)上存在的國(guó)產(chǎn)元器件種類、 功能等關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)口元器件的替代。

2.3 行業(yè)推動(dòng)

我國(guó)軌道交通行業(yè)規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)鏈全，作為裝備制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展的典型代表，實(shí)現(xiàn)高速列車零部件產(chǎn)品完全自主化到國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程已經(jīng)刻不容緩。 電子制動(dòng)控制單元作為高速列車的核心關(guān)鍵零部件，完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化亦迫在眉睫，國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程得到各個(gè)關(guān)鍵部門的支持和推進(jìn)。

3 國(guó)產(chǎn)化面臨的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 國(guó)產(chǎn)電子元器件的不成熟

EBCU 作為高速列車的關(guān)鍵零部件，對(duì)其實(shí)現(xiàn)功能的可靠性、安全性有嚴(yán)格的指標(biāo)要求。

根據(jù)表1，EBCU 規(guī)定的安全完整性等級(jí)（SIL）要求的可容許危害度（THR）至少需要小于10-6等級(jí)，因此對(duì)電子元器件的失效率、可靠度等提出了更嚴(yán)格的要求。

表1 安全指標(biāo)要求

目前國(guó)產(chǎn)元器件的種類、 功能已完全滿足電子制動(dòng)控制單元的國(guó)產(chǎn)化，但是仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。基本功能的實(shí)現(xiàn)不代表其可靠性、安全性也達(dá)到了指定的要求，電子制動(dòng)控制單元的使用環(huán)境包括溫度、振動(dòng)、電磁等均對(duì)國(guó)產(chǎn)化電子元器件的運(yùn)用提出了巨大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 部分關(guān)鍵元器件的故障率在其使用條件下至少需要小于10-8等級(jí)，甚至更低。因此國(guó)產(chǎn)化元器件在軌道交通行業(yè)運(yùn)用的可靠性和安全性需要開(kāi)展進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3.2 國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)的不成熟

在高速列車超過(guò)10 年的發(fā)展的歷程中，制動(dòng)系統(tǒng)集成商累積了大量的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)， 為電子制動(dòng)控制單元的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)， 在設(shè)計(jì)過(guò)程中從系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)層級(jí)、 制動(dòng)力管理和控制層級(jí)可以規(guī)避大量的風(fēng)險(xiǎn)， 但是基于國(guó)產(chǎn)電子元器件的硬件設(shè)計(jì)依舊存在不確定性。

電子制動(dòng)控制單元中電路設(shè)計(jì)、PCB 設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)均需要依據(jù)電子元器件的固有特點(diǎn)來(lái)開(kāi)展， 無(wú)法和進(jìn)口電子元器件的設(shè)計(jì)保持一致， 因此技術(shù)上存在一定的不成熟，新的設(shè)計(jì)電路、新的設(shè)計(jì)理念均對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)度造成一定的影響。

3.3 國(guó)產(chǎn)化組裝工藝的不穩(wěn)定

電子制動(dòng)控制單元的自主化在一定程度上已經(jīng)摸清了生產(chǎn)工藝的流程， 形成了一套成熟的生產(chǎn)工藝體系保障產(chǎn)品的可靠生產(chǎn)。 但是國(guó)產(chǎn)化的電子制動(dòng)控制單元使用新的設(shè)計(jì)、新的元器件、新的電子輔料均對(duì)生產(chǎn)工藝提出了新的要求，其每一批次的可靠性、不同批次之間的穩(wěn)定性及一致性均需開(kāi)展足夠的試驗(yàn)驗(yàn)證， 組裝工藝流程在原有的基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。

3.4 國(guó)產(chǎn)化驗(yàn)證的不充分

自主化電子制動(dòng)控制單元成功裝車已經(jīng)形成了一套較為完善的驗(yàn)證體系，包括功能測(cè)試、型式試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等， 但國(guó)產(chǎn)化EBCU 使用的基礎(chǔ)物料的不同導(dǎo)致后端的驗(yàn)證體系無(wú)法完全延用現(xiàn)有的驗(yàn)證體系。

國(guó)產(chǎn)化電子制動(dòng)控制單元在自主化產(chǎn)品驗(yàn)證規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合其特殊性繼續(xù)摸索驗(yàn)證方法， 對(duì)方法的適用性、理論的完整性、判定的合理性均提出了新的要求。 新的驗(yàn)證體系需要時(shí)間來(lái)沉淀， 產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化之路也需要經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。

4 國(guó)產(chǎn)化保障措施

4.1 完善管理以及標(biāo)準(zhǔn)體系

建立完善的管理和約束體系。 從人、機(jī)、料、法、環(huán)等關(guān)鍵角度出發(fā)，對(duì)電子制動(dòng)控制單元的需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)物料選型及采購(gòu)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量管控等各個(gè)環(huán)節(jié)建立一套完善的管理體系。

建立具有自主產(chǎn)權(quán)的管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 復(fù)興號(hào)的研發(fā)制造使用了大量的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)鐵路總公司及中車集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 電子制動(dòng)控制單元的國(guó)產(chǎn)化需要延續(xù)使用此類標(biāo)準(zhǔn)， 與此同時(shí)亦需建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)以及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 完善基礎(chǔ)物料的管控措施

合格、 高品質(zhì)的基礎(chǔ)物料是系統(tǒng)保證可靠運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵， 電子制動(dòng)控制單元選用的電子元器件更決定了其能否長(zhǎng)久可靠的使用。

保證物料的購(gòu)買渠道。國(guó)產(chǎn)化電子元器件面臨的巨大問(wèn)題是假冒偽劣、不同批次產(chǎn)品一致性較差等[3]，因此需要正規(guī)的購(gòu)買渠道，保證物料來(lái)源的可靠，與此同時(shí)須對(duì)物料供應(yīng)商進(jìn)行審核和監(jiān)管。 裝備集成商必須強(qiáng)化產(chǎn)品入廠檢驗(yàn)措施，必要情況下對(duì)物料開(kāi)展可靠性鑒定試驗(yàn)。

優(yōu)化物料的存儲(chǔ)環(huán)境。 電子產(chǎn)品對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境的要求較高，尤其是對(duì)靜電、濕度等敏感的元器件，良好的存儲(chǔ)環(huán)境是保證元器件可靠使用的前提。

建立物料優(yōu)選庫(kù)。 同樣功能的元器件需要儲(chǔ)備不同品牌、不同廠家的貨物，避免出現(xiàn)產(chǎn)品批次性質(zhì)量問(wèn)題。優(yōu)選庫(kù)的物料均是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選和驗(yàn)證的可靠物料，從優(yōu)選庫(kù)中的選用的電子元器件能夠保證產(chǎn)品的可靠性。

4.3 完善設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系

好的設(shè)計(jì)是電子制動(dòng)控制單元擁有高可靠性的關(guān)鍵， 好的設(shè)計(jì)也是通過(guò)不斷的評(píng)價(jià)、 審核和改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。 在電子制動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從不同的角度對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審，包括物料的一致性、降額設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、防靜電設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 評(píng)審的目的不是走流程，而在于能夠真正發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

完整的評(píng)價(jià)體系是將產(chǎn)品的缺陷在源頭進(jìn)行杜絕。自主創(chuàng)新的電子制動(dòng)控制單元也是經(jīng)過(guò)不斷的論證和改進(jìn)才最終上線運(yùn)行， 國(guó)產(chǎn)化的電子制動(dòng)控制單元更需要經(jīng)過(guò)不斷地評(píng)價(jià)才能夠轉(zhuǎn)入生產(chǎn)、投入使用。

4.4 完善產(chǎn)品驗(yàn)證體系

建立富有特色的電子制動(dòng)控制單元驗(yàn)證體系。 根據(jù)電子制動(dòng)控制單元的實(shí)際運(yùn)用環(huán)境和積累的產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，結(jié)合選用的物料特點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)驗(yàn)證措施，包括環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)等，建立完整、有效的驗(yàn)證體系，保證產(chǎn)品的可靠性和安全性。

驗(yàn)證方法包括但不限于以下內(nèi)容：

（1）產(chǎn)品的獨(dú)立驗(yàn)證，包括例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)等。

（2）產(chǎn)品的聯(lián)調(diào)驗(yàn)證，包括制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，不同系統(tǒng)集成后的靜調(diào)試驗(yàn)，車輛線路型式試驗(yàn)、運(yùn)營(yíng)考核等。

（3）完善的產(chǎn)品驗(yàn)證體系是產(chǎn)品能夠最終產(chǎn)量化的保證，是產(chǎn)品可靠使用的保障。

4.5 完善信息的交互和共享策略

電子制動(dòng)控制單元的國(guó)產(chǎn)化僅是一個(gè)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，但是如何做到軌道交通行業(yè)其余產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化？如何實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的延續(xù)性？ 需要行業(yè)內(nèi)不同的系統(tǒng)廠家加強(qiáng)信息的交互和共享，包括電子元器件庫(kù)的建立、產(chǎn)品應(yīng)用剖面的分享、典型故障處理經(jīng)驗(yàn)的分享等。

信息的交互和共享能夠促進(jìn)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程， 減少不必要的付出，加速國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的批量化和標(biāo)準(zhǔn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

電子制動(dòng)控制單元作為高速列車的關(guān)鍵零部件，在當(dāng)今的局勢(shì)下，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程勢(shì)在必行。

電子制動(dòng)控制單元的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程在機(jī)遇面前， 系統(tǒng)集成商需要強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，明確過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，制定一系列的措施減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，從物料選型、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、驗(yàn)證等角度全面的保證產(chǎn)品的可靠性和安全性，加速推進(jìn)電子制動(dòng)控制單元的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，為高速列車的發(fā)展保駕護(hù)航。