ART制動系統安全性分析

劉文鋒 錢華 余接任 謝永清

摘要： 本文介紹了ART的制動系統安全性分析方法，分析了其制動系統的安全性是否滿足車輛的運用需求，并探討了優化方向。

關鍵詞：ART;安全性;制動控制

一、引言

本文按照故障導向安全和有效冗余的原則，針對智軌電車制動控制系統的主要功能、實現邏輯、安全冗余設計、故障保護機制、安全停車保證措施等方面進行了梳理，重點考慮導致制動功能失效的主要因素，對制動功能實現的安全性進行分析。

二、制動系統主要功能介紹

ART制動力可以由基本獨立的四種方式產生：常用制動、應急制動、停放制動、電制動。考慮到緊急情況下，電制動通常會處于切除狀態，因此安全性分析，一般不考慮電制動的冗余作用。

常用制動分為電控常用和后備常用。其中電控常用可以由手柄、腳踏板、智能駕駛ATO、安全環路觸發，均需要ECU參與控制;后備常用只能由腳踏板觸發，但不需要ECU參與。電控常用和后備常用共用常用制動的機械執行部件，如上圖藍色部分。

應急制動與常用制動，只共用基礎制動常用制動缸，是獨立的冗余制動形式。

停放制動有獨立的停放制動缸，只共用基礎制動摩擦副（剎車蹄片和剎車盤）。

三、按制動力發揮路徑分類的制動形式原理、冗余與可靠性分析

電控常用制動均需要ECU的參與，是基于操控源ECU軸壓力模塊EP電磁閥，來實現壓力調節的制動方式。踏板電控常用制動是使用頻次最高一種制動，ECU基于踏板行程信號作為制動請求輸入，計算并發送各軸目標壓力至軸壓力模塊。其拓撲、制動踏板信號流、控制框圖如下圖所示。

具體實現過程如下：

如上圖所示，電控踏板總閥輸出兩路互為備份的行程信號。兩路踏板信號分別由兩套獨立的采集設備采集，并最終通過兩端的G300將數據在以太網上共享，兩端司機室都能同時獲取到兩路踏板行程信號。兩端司機室的G300同時將兩路踏板信號以及列車載荷信息通過背板總線發送給各自的ECU;ECU經過制動力分配，沖擊限制，電制動管理等功能塊最終計算出各軸目標制動壓力，發送給1～6軸軸壓力模塊。過兩端司機室的制動ECU完全獨立互不影響。

軸壓力模塊每個運行周期會收到ECU1以及ECU3的目標制動壓力值并選擇較大的目標壓力值作為最終的壓力調節目標，經過內部閥控模塊調節控制軸壓力模塊的充氣和排氣電磁閥閥輸出相應壓力。

踏板常用制動采用如下冗余措施：

1、執行機構部分采用6軸獨立的分布式結構，任意單點故障只影響本軸。

2、制動踏板信號雙冗余：單個制動踏板具備2路獨立的踏板行程信號，當一路信號失效時，另一行程信號仍能保持運行。

3、踏板信號采集設備雙冗余：制動踏板的行程信號由2套獨立的采集系統采集。任意單個模擬采集通路環節異常都不會導致該信號丟失。

4、控制單元ECU雙冗余：智軌電車兩端各有1個制動ECU，是不分主從的實時冗余架構，當任意一端制動ECU失效都不會影響列車制動控制功能，且沒有任何主從切換的過渡期。軸壓力模塊選取兩者ECU較大值作為最終的控制值。

5、軸壓力模塊指令選取雙冗余：當出現電控制動下，多種制動輸入源同時觸發時，ECU軟件內部會按照較大的制動請求值為最終的輸出值。

綜合原理所述，對踏板電控常用制動失效導致大于1軸制動力丟失的事件故障拓撲進行了進一步的細化。詳見下圖：

采用踏板常用制動的分析方法，得到ART車輛手柄常用制動、踏板后備常用制動、環路觸發應急制動、機械停放制動的安全性分析拓撲圖如下：

四、結論

ART制動系統滿足全部3條制動能力冗余安全性評判準則，滿足至少1條冗余制動可靠實施安全性評判準則，滿足至少1條備份制動可靠實施安全性評判準則。因此上述制動系統，能夠在人工駕駛不同工況下保證列車制動功能不會徹底喪失，從功能設計上確保行車安全底線。不滿足ATO駕駛自動補充施加安全性評判準則，當電控制動失效時，無法自動施加補充或冗余制動，需要人工判斷和干預。人工判斷和干預有較大延遲，當故障發生在進站或紅燈停車時存很大風險，因此不適宜實施縱向ATO控車。

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