“復興號”動車組網絡控車與制動功能優化設計

張普亮，汪 楓，姚 翔

（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

“復興號”動車組通過互聯互通和統型設計，采取統一的TCN通信標準，實現各車輛數據共享交互，為子系統溝通協作、互補控制提供數據交互平臺。制動系統利用列車網絡控車技術，可實現各車輛制動控制單元（BCU）間的網絡數據充分交互，將分散的各車輛制動功能控制整合為統一的列車級集中控制，實現制動功能的取長補短，協同控制，達到最優的制動控制效果。

1 列車網絡控車

“復興號”動車組列車網絡控制系統采用統一的TCN通信標準，使用列車級和車輛級兩級總線式網絡拓撲結構，列車級總線實現列車級控制，車輛級總線實現各車輛間數據交互和控制命令傳輸。

350公里“復興號”動車組采用WTB列車級總線和MVB車輛級總線拓撲結構，250公里“復興號”動車組采用ETB車輛級總線和ECN車輛級總線拓撲結構。兩套網絡拓撲結構完全對等，便于網絡系統對傳輸信息的管理和通信協議的統一。

CCU（中央控制單元）是列車網絡控制核心單元，具有多功能車輛總線（MVB/ECN）管理能力，能夠進行被動的主權轉移功能，實現車輛級總線管理、邏輯控制以及對子系統控制等功能。BCU（制動控制單元）為制動系統核心單元，負責車輛制動系統功能的控制管理。

1.1 WTB總線+MVB總線

350公里“復興號”動車組采用WTB列車級總線和MVB車輛級總線拓撲結構，1-4車為一個車輛牽引單元，5-8車為另一個車輛牽引單元。兩個牽引單元間通過WTB總線通信，實現列車級的數據傳輸，車輛牽引單元內則通過MVB總線實現數據傳輸，見圖1。

圖1 WTB總線+MVB總線

MVB通信為主從式通信，主站配置設備調度表，輪詢各從站設備，從站應答主站命令，采用廣播通信、載波偵聽通信機制進行數據的傳輸。CCU和BCU通過配置設備通信端口以從站應答主站命令方式進行數據交互，各設備根據車輛通信協議與需要通信的設備以源主和宿主的方式，發送和接收指令數據，實現控制命令的交互。

1.2 TB總線+ECN總線

250公里“復興號”動車組采用ETB車輛級總線和ECN車輛級總線拓撲結構。1-4車為一個車輛牽引單元，5-8車為一個車輛牽引單元。兩個牽引單元間通過ETB總線通信，實現列車級的數據傳輸，車輛牽引單元內則通過ECN總線實現數據傳輸，見圖2。

圖2 ETB總線+ECN總線

ECN以太網通信采用組播通信機制，CCU和BCU通過配置設備IP地址組建組播群的方式進行數據交互。各設備通過建立組播群形式，根據車輛通信協議在組播群發送和接收指令數據，實現控制命令的交互。

2 列車級制動系統控制

“復興號”動車組由兩個車輛級網絡單元組成，每個車輛網絡單元包含兩輛拖車和兩輛動車。每列車具有列車級主控功能的BCU（簡稱TBM）進行列車級制動功能管理控制，每個牽引單元具有單元級主控功能的BCU（簡稱SBM）進行車輛級制動功能管理控制，各車輛配置一臺本地BCU進行本車輛制動功能的執行控制，見圖3。

圖3 列車級制動系統控制架構

列車級制動系統控制通過為各角色BCU設置網絡通信端口進行數據交互，通信端口被看做是BCU的數據通信身份識別地址，發布數據的端口為源主，接收數據的端口為宿主，各BCU依次發布和接收控制命令。TBM為制動系統的中樞大腦，負責各項制動功能的統一管理控制，通過自身端口向SBM、BCU端口發布控制命令，同時接收SBM和BCU的狀態數據。TBM/SBM/BCU通過源地址和宿地址角色的轉變，將制動功能控制數據通過網絡通信媒介進行發布和接收，實現各角色間BCU的大數據交互，保證制動命令的快速、充分和高效傳輸，實現統一的制動功能控制，見表1。

表1 端口地址和傳輸方向

3 制動功能優化設計

“復興號”動車組采用列車級網絡控車，各系統設備間進行充分的網絡數據交互，為列車級制動系統控制提供充分的數據傳輸交互。列車級制動控制技術將各車輛本地化的制動控制功能由TBM統一進行管理控制，將分散的本地制動控制功能優化為集中式控制，實現各車輛間制動功能的優化互補、協作控制，以司機制動試驗、制動力管理控制、空壓機管理和制動夾鉗防凍結制動功能控制為例，對比分析各車輛分散制動功能控制的不足和難點，探討列車級制動控制技術對制動功能的優化提升。

3.1 司機制動試驗

通過司機制動試驗對制動控制系統關鍵功能和關鍵部件進行上線前檢查，以確保車輛運營前制動控制系統狀態正常。司機制動試驗包括氣密性試驗、常用制動試驗、緊急制動試驗、防滑試驗、總風貫通試驗[1]。

由司機人工操作的制動試驗，需多人配合判斷試驗結果，試驗不客觀且占用時間長。“復興號”動車組根據列車級（TBM）、車輛級（SBM）和本地級（BCU）三級控制模式見圖4、圖5，設計整車自動司機試驗，例如常用制動試驗，TBM負責列車級的試驗管理，包括與CCU/HMI交互，向SBM下發試驗指令，匯總SBM上報的試驗結果等。SBM負責所在網段內制動試驗命令的下發與車輛試驗結果匯總。BCU負責本車制動試驗的執行及結果判斷反饋。整個試驗過程由列車網絡控制設備自動進行，快速、準備、高效。

圖4 司機制動試驗設計流程

圖5 司機制動試驗界面

3.2 制動力管理

優先使用電制動力是動車組制動力管理的最優模式，能源回收利用的同時減少閘片磨耗[2]。分散式的車輛制動力管理無法將多余的電制動力用于全列共享，導致動車多余的電制動力無法用于拖車制動力補充，造成電制動力的損失，見圖6。

圖6 動車電制動力不能用于全列共享

“復興號”動車組采取列車級制動力管，由TBM負責列車級制動力的管理，將各動車電制動力能力通過網絡數據交互匯總至TBM計算再分配，將動車的電制動力利用到最大后再使用空氣制動力，達到電制動力的最大施加和空氣制動力的最小施加，見圖7。

圖7 動車電制動力可用于全列共享

如圖8所示，350公里“復興號”施加5級常用制動時，在速度180km/h之前全列制動力由電制動力全部承擔，在速度25km/h～180km/h區間電制動力不足時，僅由拖車補充部分空氣制動力，25km/h以下電制動淡出全部使用空氣制動力承擔，實現列車電制動力的最大利用[3]。

圖8 常用制動5級制動力分配

3.3 空壓機啟停管理控制

空壓機為列車制動系統和車上用風設備提供滿足要求的壓縮空氣。BCU負責空壓機啟停管理控制，總風壓力需滿足用風范圍要求（比如7800kPa～950kPa），過低壓力有可能導致列車產生緊急制動；過高壓力將可能超過儲氣風缸和管路的承載壓力，存在安全隱患。

基于硬線的空壓機啟停管理為同步啟停控制,見圖9，BCU通過壓力傳感器檢測本車總風壓力低于一定值時（如780kPa）輸出空壓機啟動信號，空壓機啟動命令通過貫通線進行全列空壓機啟停控制，實現全列空壓機的同步啟停控制。當配備空壓機的車輛BCU檢測到總風壓力超過空壓機停機值時（如950kPa）控制所有空壓機同時停機。因壓力傳感器的采集誤差或故障，存在空壓機啟停超過設定值或空壓機一直工作不停機問題。空壓機同時啟動時的沖擊電流較高，與動車組內其它系統同時啟動，可能損壞車輛電源，同時當車輛電源系統存在降級模式時，同步啟動空壓機易造成電源過載損壞[4]。

圖9 空壓機同步啟停控制流程

“復興號”動車組基于列車網絡，由TBM通過列車級和車輛級網絡，綜合各車總風壓力、空壓機可用性以及車輛電源能力，負責全列空壓機啟停管理，見圖10，并具備空壓機測試和總風監測功能，確保總風貫通和空壓機工作正常，設計優化如下：

圖10 列車級空壓機啟停控制流程

（1）SBM收集單元內各拖車BCU總風壓力進行有效性判斷后上傳至TBM，TBM進行總風壓力值計算，最大值和最小值差值在安全值以內取所有壓力平均值用于控制空壓機啟停；若差值大于安全值，則舍棄最小值取剩余壓力平均值用于控制空壓機啟停，避免總風壓力值異常導致的空壓機異常啟停。

（2）針對空壓機啟動時的沖擊電流較高，與動車組內其它系統同時啟動，可能損壞車輛電源，TBM控制各空壓機錯峰啟動；電源系統供電能力通過CCU傳送至TBM，當存在降級模式時，TBM控制一半的空壓機啟動，節省用電的同時保證總風壓力的穩定。

（3）為保證動車組試驗等要求，CCU接收司機屏的空壓機測試指令并發送給TBM。TBM將啟停指令通過網絡發送給各BCU控制空壓機工作，TBM綜合判斷各空壓機正常工作狀態與總風壓力上升狀態，向CCU上傳測試結果并在司機操作顯示屏上顯示，用于司機對空壓機工作狀態、總風貫通狀態的確認[5]。

3.4 防凍結功能

動車組在低溫雨雪天氣制動夾鉗結冰導致夾鉗卡滯不動作，引起制動不施加或不緩解，尤其對于庫外過夜停放的動車組，早上發車時若未及時發現更易引起車輪動作不良抱死擦輪問題，影響列車運營安全效率，見圖11。現行的處理措施為人工除冰或增加制動夾鉗電氣除冰功能，其中人工除冰方式存在工作量大、除冰不徹底問題，制動夾鉗電氣除冰功能需改造車輛側制動電氣環路，增設電氣控制信號，成本過高。

圖11 制動夾鉗凍結

復興號動車組防凍結功能通過列車級控制網絡實現，建立CCU-TBM-SBM-LBCU四級防凍結控制模式，在制動狀態下依次對各車輛制動夾鉗進行緩解，控制制動夾鉗松開和抱緊制動盤，往復動作防止結冰。其中CCU負責防凍結模式的激活和監控，TBM負責防凍結功能的整體控制，SBM負責本牽引單元的防凍結指令傳達和監控，BCU負責本車輛防凍結緩解/制動執行，控制制動夾鉗松開和抱緊制動盤，防止結冰。

圖12 HMI防凍結界面

具體控制方案見圖13，在列車升弓送電、緩解停放制動和緊急制動工況下、施加常用制動，司機點擊HMI防凍結開始按鈕，CCU綜合列車狀態，滿足預設條件后將“防凍結模式請求”置1通過網絡端口發送給TBM。TBM接收到CCU發送的“防凍結模式請求”為1，置“防凍結進行中”為1激活防凍結模式，并通過網絡端口依次向1～8車BCU發送防凍結指令。SBM將防凍結指令轉發至各車，1～8車依次緩解車輛制動，例如1車BCU接收到防凍結指令，強制緩解本車純空氣制動，控制制動夾鉗動作由制動狀態變為緩解狀態并持續T1s后再次施加制動，制動夾鉗由抱緊制動盤變為松開制動盤并再次抱緊制動盤，T2s后2車同樣進行制動-緩解-制動控制，實現制動夾鉗的防凍結功能動作[6]，1～8車按照此模式依次進行防凍結控制，直至退出防凍結模式。

圖13 防凍結控制過程

4 結束語

復興號動車組采用列車級制動控制技術，從列車級網絡控車技術出發，利用車輛間充分的網絡數據通信機制，將各車輛制動控制功能統一由TBM進行管理控制，將車輛間分散的本地制動控制功能優化為集中式控制，實現各車輛制動功能優化互補、協同控制。本文以司機制動試驗、制動力管理、空壓機管理和防凍結功能設計優化為例，闡述列車級制動系統控制技術的優勢，為動車組系統功能的優化提供設計思路方法。