APM車輛制動控制模塊國產化設計和展望

葛 永，蔣愛軍，賀 成

(南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800)

自動旅客捷運系統(APM)是以無人駕駛膠輪電動車輛為主導，在配有運行軌道與導向軌的專用線路上全自動運行的城市軌道交通系統。APM具有中高運量、爬坡能力強、轉彎半徑小、運行噪音低、綜合造價省等優點。適用于受地形等建設條件限制多、景觀和環境要求高、投資經濟合理性高的場合，如二、三線城市軌道交通干線、大城市聯絡線和補償線、以及大型機場、CBD商貿區、企業園區的中運量軌道交通線路[1-3]。

國內首個國產化APM項目—上海浦江APM項目于2018年3月1日正式開通運營。該項目以龐巴迪(美國)的INNOVIA APM 300系統為基礎[4]，系統使用的制動控制模塊設計方為龐巴迪(美國)，制造方為南京海泰，并未實現自主國產化設計。南京海泰公司以上海浦江APM項目經驗為基礎，以國產深圳APM、成都APM、泰國APM和香港APM系統項目為依托，以故障導向安全為設計原則，開展制動控制模塊自主國產化設計制造。

1 概 述

APM列車采用移動閉塞式信號技術，該技術可以實現單車全自動無人駕駛獨立運行，且每輛車都擁有相同的配置，可進行靈活編組，主要參數見表1。運營方可根據工程投資需求、線路運營能耗、客流高低峰等情況對APM列車進行1～6節任意編組[5]。

表1 APM車輛的主要參數

2 制動控制模塊產品

APM列車制動控制模塊的主要產品見表2。

表2 制動控制模塊產品配置

2.1 供風裝置

每輛車配置一臺供風裝置，主要用于為制動系統和其他輔助系統提供潔凈的壓縮空氣。

F03T-N0.4B供風裝置無油渦旋的方式進行空氣壓縮，可將供風裝置分為空氣壓縮模塊、空氣過濾模塊和空氣控制模塊三大模塊。空氣壓縮模塊主要由電動機(M)、壓縮機(C)、進氣過濾器(AF)、冷卻器(AC1)和安全閥(SF1)組成，其主要功能是提供壓縮并冷卻后的空氣。空氣過濾模塊主要由氣水分離器(WS)、雙塔干燥器(DT)、灰塵過濾器(DF)和排污電磁閥(SV1/SV2)組成，其主要功能是對壓縮空氣進行過濾排污處理，提高壓縮空氣潔凈度。空氣控制模塊由最小壓力閥(MPV)、總風隔離旋塞(DC)、測試插座(TP)和壓力傳感器(P/I)組成，其主要功能是監測壓力并對壓縮空氣供給進行控制。供風裝置各子部件通過吊架集成，結構緊湊，對安裝空間需求較小，有利于列車部件的集成布局。

2.2 空氣控制包

每輛車配置一臺空氣控制包，主要用于調節和分配壓縮空氣至制動系統產品和其他氣動附件。海泰公司的空氣控制包共有兩種國產型號，其中ACP-20型號是在上海項目營運經驗、客戶需求和國內外貿易環境影響下設計的新產品，ACP-20型號相比ACP-10型號性能更優、故障率更低、國產化率更高。

空氣控制包可分為氣控和電控箱兩大模塊，其中電控箱模塊主要由護箱、模擬量控制器(AX-320)、數字量控制器(DX-310)和繼電器(BIR)等電器部件組成。通過模擬量控制器和數字量控制器，車輛可進行制動控制管理。繼電器用于緊急制動回路，可通過繼電器控制多個電磁閥進行緊急制動并上報緊急制動狀態信號。氣控模塊主要由風缸(R3)、過濾器(F2)、壓力開關(PS-MRL)、減壓閥(PR-PB/PR-AR)、塞門(MV-SS/MV-AR)、溢流閥(PH-SS)、壓力表(PG-PB/PG-AR)、快泄閥(QRV)、電磁閥(SV-AR/SV-FS)、安全閥(RV3)和止回閥(CV3/CV4)等功能部件組成。

控制控制包主要功能如下，如圖2所示。

(1)制動供風控制。經過減壓閥(PR-PB)調壓后，壓縮空氣通過“PROT B”口輸往制動控制包。

(2)空簧供風控制。經過塞門(MV-SS)和溢流閥(PH-SS)的壓縮空氣通過“PROT S”口輸往高度閥進氣口。塞門(MV-SS)用于控制供氣狀態，溢流閥(PH-SS)用于設置進行空簧供風的壓力門檻值。

(3)彈簧制動施加。電磁閥(SV-FS)斷電后，彈簧缸的壓縮空氣通過“PROT E”口、塞門(MV-AR)、快泄閥(QRV)和電磁閥(SV-FS)排空。

(4)彈簧制動緩解。空氣控制包共有三種冗余彈簧制動緩解方式：①通過電磁閥(SV-FS)通電后，來自主風缸的壓縮空氣經過電磁閥(SV-FS)、快泄閥(QRV)、塞門(MV-AR)和“PROT E”口輸往彈簧缸進行緩解。②通過電磁閥(SV-AR)和電磁閥(SV-FS)通電后，來自風缸(R3)的壓縮空氣經過電磁閥(SV-AR)、電磁閥(SV-FS)、快泄閥(QRV)、塞門(MV-AR)和“PROT E”口輸往彈簧缸進行緩解。③通過操作塞門(MV-AR)后，來自風缸(R3)的壓縮空氣經過塞門(MV-AR)和“PROT E”口輸往彈簧缸進行緩解。

(5)空氣壓力監測。壓力表(PG-PB/PG-AR)用于實時顯示氣路壓力，壓力開關(PS-MRL)實時監測總風壓力，上報壓力狀態用于進行空壓機控制判定。

(6)彈簧制動緩解保障。通過風缸(R3)和止回閥(CV3/CV4)可以消除總風缸壓力波動對彈簧制動緩解的影響。

2.3 制動控制包

每輛車配置兩臺制動控制包，分布安裝于車輛兩端，每臺制動控制包獨立控制每個車軸上的制動器進行摩擦制動。如果任一臺制動控制包制動失效，則另一臺制動控制包將為整輛車提供所需制動力。如兩臺制動控制包制動均失效，為確保行車安全，車輛將觸發緊急制動。

海泰公司的國產化制動控制包共有兩種型號，其中BCP-20型號是在上海項目營運經驗、客戶需求和國內外貿易環境影響下設計的新產品，BCP-20型號相比BCP-10型號性能更優、故障率更低、國產化率更高。BCP-20新增空重車閥，使車輛緊急制動減速度不受載客情況影響，保持不變。

制動控制包主要由過濾器(F1，僅BCP-20)、止回閥(CV2)、風缸(R2)、中繼閥(RLV)、電磁閥(SV-PE)、塞門(MV-BC)、壓力開關(PS-P/PS-A/PS-E/PS-S，PS-S僅BCP-20)、壓力傳感器(PT-BC)、測試接頭(T1/T2)、溢流雙向閥(PPV-DCV1)、快泄閥(QRV)、減壓閥(PR-PE)、壓力表(PG-PE)、電空比例閥(PAV)、空重車閥(ELAV，僅BCP-20)等組成。

制動控制包通過風缸(R2)存儲制動用風，產品進氣口處過濾器(F1)可進一步提升供氣質量，止回閥(CV2)可以避免供氣端壓力衰減對制動用風產生影響。

制動控制包中的中繼閥(RLV)具有空氣流量放大作用，以便快速響應制動指令，電空比例閥(PAV)用于實現常用制動時車輛控制電壓與空氣壓力之間轉換，最后通過電磁閥(SV-PE)和中繼閥將常用制動壓力輸送至制動缸。經過減壓閥(PR-PE)和空重車閥(ELAV)調整后的壓縮空氣，通過電磁閥和中繼閥將緊急制動壓力輸送至制動缸。制動控制包的電磁閥用于對緊急制動模式和常用制動模式切換，以故障導向安全為原則，失電快速施加空氣緊急制動。

塞門(MV-BC)可通過車廂內緩解拉繩操作，用于制動緩解故障時的制動力切除。雙向溢流閥(PPV-DCV1)用于防止彈簧制動和空氣制動疊加。快泄閥(QRV)可以快速排空彈簧氣室的空氣，實現彈簧緊急制動的快速響應。

壓力開關和壓力傳感器(PT-BC)將回路壓力狀態反饋至TCMS系統，實時監測行車制動壓力。其中壓力開關(PS-A)反饋保持制動是否施加信號、壓力開關(PS-E)反饋壓力制動是否施加信號、壓力開關(PS-P)反饋壓力制動是否緩解信號、壓力開關(PS-S)反饋彈簧制動是否緩解信號和壓力傳感器負責進行制動閉環控制監測。

2.4 高度閥

APM車輛采用高度閥三點位置控制設計[6]，所以每輛車配置三個高度閥。高度閥用于自動調整車輛高度，在不同載客量下，始終確保車輛地板高度和站臺平面等高，以便進行無障礙上下客。

2.5 主風缸

每輛車配置一臺主風缸，主風缸直接設置在供風裝置出口處，用于存儲壓縮空氣，在主風缸上裝有一個安全閥(11 bar)和一個排水旋塞。安全閥可在供風裝置故障時進行泄壓，排水塞門可定期排放風缸內積水。

2.6 空簧風缸

每輛車配置四臺空簧風缸。同高度閥的三點位置控制設計相同，僅需對三臺空簧風缸配置壓力傳感器，TCMS通過壓力傳感器監測空簧壓力狀態，在異常時向車輛發出警報。

3 制動控制模塊功能

3.1 網絡系統架構

APM車輛的列車控制管理系統(TCMS)是國際電工委員會和國際鐵路聯盟規定的列車通訊網絡(TCN)標準為基礎。TCMS系統由鉸接式列車總線(WTB)和多功能車輛總線(MVB)組成，具有分布式、模塊化、實時通訊等特點。WTB負責每輛車之間的通訊，MVB負責每輛車內設備之間通訊。每輛車上的TCMS系統均相同。

3.2 運行控制功能

車輛控制單元(VCU-C)通過MVB控制子系統或與子系統進行通訊。車輛控制系統軟件安裝在VCU-C中，包括車輛和列車兩種控制功能，其中車輛控制中的運行控制模塊負責車輛的牽引或制動模式控制。運行控制模塊根據手動控制器或ATC的速度指令和牽引/制動指令，對車輛進行牽引或制動模式控制。運行控制模塊中的電空混合和電制動淡出邏輯如下。

(1)當車輛速度超過5 km/h，電制動發揮其最大潛能。

(2)當車輛速度降低到5 km/h以下時，電制動減小，常用制動增加，以對減少的電制動力進行補償。

(3)在大約1 km/h時，電制動將降低到零，同時常用制動力增加到所需要的制動力。

3.3 常用制動控制

常用制動控制模塊負責常用制動系統的控制和診斷功能。常用制動控制與緊急制動相互分離，以便TCMS對安全沒有影響。

常用制動控制模塊根據收到的制動力請求計算所需制動氣壓。然后通過MVB將所需制動氣壓傳輸到空氣控制包中的AX-320。AX-320隨后輸出一個與壓力請求值成比例的電壓至制動控制包中的PAV，同時通過PT-BC對制動氣壓進行閉環控制。如果實際制動氣壓與需求制動氣壓相差超過10%，AX-320將記錄該故障并向ATC發送報警信息。

當列車需要短暫停車時，常用制動控制模塊將進行保持制動控制，允許列車施加一個特定的壓力。當列車停放在車站時，每個制動缸上施加90 PSI的壓力，其余情況下施加100 PSI的壓力。

在緊急制動期間，常用制動控制模塊通過空氣控制包中的DX-310切斷PAV電源。當從緊急制動過渡到最大制動時(緊急制動重置)，立即施加最大制動力，以防止瞬間失去制動力產生沖擊。

3.4 緊急制動控制

緊急制動通過純摩擦制動提供所需制動力，車輛牽引在緊急制動時為禁用狀態。在收到來自列車自動控制(ATC)的命令后或在緊急列車線中斷后車輛啟動緊急制動。

制動控制模塊的緊急制動功能以故障導向安全的原則進行設計，通過切斷BCP中的SV-PE和ACP中的SV-FS供電的方式施加氣壓緊急制動和彈簧緊急制動。彈簧緊急制動為氣壓緊急制動的冗余。若氣壓緊急制動未達到BCP中PPV-DCV的設定值時，彈簧緊急制動將自動施加以保證車輛安全地緊急停止。

當車輛停止服務或在車間長期停放的時候，通過斷開緊急列車線的方式施加停放制動。氣壓緊急制動和彈簧緊急制動冗余作用，可使車輛保持在一個永久靜置的狀態。

3.5 彈簧制動輔助緩解

為了緩解彈簧緊急制動，需要供應足夠的空氣壓力將彈簧狀態進行復位。緩解彈簧緊急制動的方式有4種。

(1)正常情況下，閉合緊急列車線激活SV-FS的供電，將壓縮空氣充入彈簧缸，彈簧缸壓力達到3.7 bar后即可完全緩解彈簧緊急制動。

(2)若恢復SV-FS的供電后，由于ACP前端的氣壓不足導致無法緩解彈簧緊急制動，則需通過操作手動控制器上的輔助釋放按鈕打開ACP上的SV-AR的供電。此時ACP中R3壓縮空氣將通過SV-AR、SV-FS、QRV和MV-AR到達彈簧缸，若R3中壓縮空氣大于3.7 bar，即可完全緩解彈簧緊急制動。

(3)可將ACP中MV-AR的手柄轉動90°，使R3中的壓縮空氣充入彈簧缸，也可完全緩解彈簧緊急制動。

(4)通過旋轉彈簧缸背面的緊固件，手動緩解彈簧緊急制動。

4 展 望

南京海泰公司實現了APM車輛制動控制模塊的國產化設計和生產，為國內首個也是唯一的APM車輛制動控制模塊的生產廠家。所謂制動控制模塊國產化，包含兩個內容。(1)重要的制動控制模塊產品實現在國內制造生產，或進口國外零部件國內組裝，如上海浦江APM項目用制動控制模塊。(2)要實現關鍵核心技術的自主創新，這種國產化又稱自主化[7]，如國內的深圳機場APM項目(18輛)、成都天府國際機場APM項目(4輛)和香港機場APM項目(36輛)和國外的泰國曼谷黃粉線APM項目(6輛)用制動控制模塊。

雖然制動控制模塊已經實現自主化和出口國外，為我國自動旅客捷運系統制動產品的健康發展起到了重要的引領作用。但部分核心部件仍依賴進口，如進行制動控制和管理的硬件和軟件系統、電空比例閥、電磁閥、傳感器、壓力開關、雙向溢流閥和中繼閥，導致制動控制模塊仍然會受到全球貿易環境及供應鏈安全的影響，存在一定的隱患，不利于國產化制動控制模塊的長期健康發展。因此，攻關核心部件實現完全自主化是國產化制動控制模塊發展的重要任務，也是國內自動旅客捷運系統產品健康發展的必經之路[8]。