和谐号动车组制动系统故障再现及分析

曹宏发，乔 峰，温熙圆，安志鹏

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 中国北车长春轨道客车股份有限公司，长春130062）

和谐号动车组制动系统直接关系到列车运行安全，制动能力须满足列车制动距离的要求，制动系统须保证列车可靠的的制动作用和管理，制动系统须具有故障导向安全控制功能。这些都要求制动系统必须具备良好的故障诊断能力和故障存储功能，可确认、评估、报告在制动系统各种工况下的各种故障，包括故障对系统自身以及对其他系统的影响，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势。

和谐号动车组制动系统涉及流固热耦合、材料、热机疲劳、电子技术、控制技术、软件科学等，是一个十分复杂的系统。同时和谐号动车组制动、牵引、列车控制系统等各主要系统之间通过列车网络、硬线等，有机组合为一个整体，各系统之间有着直接或间接的作用和影响。列车级的故障诊断和故障导向安全设计功能，使得各个系统的故障均将有可能引起列车级的联锁动作与控制，以保证列车受控的安全运行，包括故障情况下的列车自动限速运行。这些都增加了故障的复杂程度和故障排查难度，在分析故障原因时，将需要在现车或者利用试验台等可靠性试验手段再现故障发生的工况，排查故障的根本原因从而消除故障隐患。

1 良好的故障诊断能力是故障再现和分析的基础

随着微电子技术、计算机技术、嵌入式技术、自动控制技术等在和谐号动车组制动系统的广泛应用，使得制动系统具有强大的信号分析与数据管理功能，能全面记录反映系统运行状态变化的各种信息，实现故障的精确诊断。同时，随着网络技术的发展，强化了和谐号动车组列车级故障诊断和远程分布式监测诊断系统的功能。

1.1 制动系统的故障诊断体系

和谐号动车组制动系统具备良好的故障诊断能力，能够对系统运行状态和异常情况作出判断，为系统故障恢复提供依据，以便故障快速定位和维护。制动系统的运行故障数据在自身存储的同时，经列车网络实时传输至列车诊断中心，列车诊断中心的故障数据经远程传输系统传输至地面服务中心，用于制动系统的故障处理、维护检修等。同时列车诊断系统同时也将列车的状态、故障信息实时传输给制动系统，用于制动系统的联锁诊断和故障导向安全控制，制动系统自身存储的故障数据也可经系统维护终端监视、下载，用于故障定性分析、定位查找。

1.2 制动系统的故障诊断任务

和谐号动车组制动系统可确认、评估、报告在各种工况下的各种故障，包括故障对系统自身以及对其他系统的影响。在发生制动系统故障时，对故障类型、故障部位及原因进行诊断，最终给出解决方案，实现故障恢复。制动系统的故障诊断包含3种操作模式。

（1）开车前的系统检查

动车组开车前，需对制动系统进行自动或手动的制动测试，用以检查列车制动系统的工作状态，包括紧急制动功能、常用制动功能、紧急制动安全环路状态等。检测结果传给动车组列车中央诊断系统并存储，同时将制动测试结果提供给司机或操作人员。

（2）动车组运行过程中的实时诊断

动车组在运行过程中，有关运行参数、过程数据、故障数据经由MVB接口实时传输至中央诊断系统，用于实时监控列车状态并报告发生的故障和错误。当检测到制动系统故障时，列车将根据故障等级自动进行“故障－安全”控制，保证列车安全、受控地运行。列车诊断系统将故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司机、列车员，便于采取相关的补救措施。

（3）系统检查和维修时的诊断

在制动系统例行的检查和维护过程中，制动系统提供的诊断信息、数据可对维修人员提供支持，为此制动系统满足下列诊断要求：

①制动系统提供的诊断信息可被维修人员读取并参考；

②制动系统的诊断报告为系统检查和维修提供指导方法。

图1 和谐号动车组制动系统的故障诊断体系

1.3 制动系统的故障分级管理

制动系统的每个诊断事件都有对应的维修优先级见表1。和谐号动车组制动系统，根据故障发生时的工况和故障部位对运营成本的影响，设定了5个不同的运用维修优先级。优先级最高级为暂停运营，最低为在下一次专项修时进行故障处理。

表1 制动系统诊断事件的运用维护优先级

1.4 制动系统的故障诊断系统性能指标

制动系统根据实际运用条件来分析判断哪些性能是主要的，哪些是次要的，然后对诊断结果进行分析，经过适当的取舍后得出最终的诊断结论。评价动车组故障诊断系统的性能指标有：

（1）故障辨识能力。制动系统的诊断系统具有良好的故障辨识能力，便于对故障评价和指导维修。

（2）故障分离能力。制动系统的诊断系统能够对不同故障进行区别，实现故障的精确定位。

（3）故障检测的及时性。在制动系统发生故障后，故障诊断系统能够在最短时间内检测到故障的能力。

（4）故障的误报率和漏报率。误报指制动系统没有出现故障却被错误检测出发生故障；漏报是指自动系统发生故障却没有被检测出来。和谐号动车组可靠的故障诊断系统能尽可能使误报率和漏报率最小化。

（5）鲁棒性。是制动系统的诊断系统在存在噪声、干扰等的情况下仍能够正确完成故障诊断任务，同时保持低误报率和漏报率的能力。

（6）自适应能力。制动系统的故障诊断系统对于变化的被测对象具有自适应能力，能够充分利用变化产生的新信息来改善自身的诊断结果。

2 现车故障再现与分析技术

和谐号动车组是制动系统、牵引系统、列车控制系统、转向架系统等诸多复杂系统的有机结合体，制动系统本身涉及诸多学科、多组份模块、多种控制功能和控制方式等，是一个十分复杂的系统。为保证列车安全受控的运行，和谐号动车组采用了交互式诊断技术，实现多系统间的信息共享和互操作，各个系统的故障均将有可能引起列车级的联锁控制与保护，从而增加了故障的多样性和故障排查难度。为排查故障的根本原因从而消除故障隐患，需要针对现车故障采用数据分析和提取技术、甚至现车故障模拟技术来再现故障发生时刻的情景。

2.1 现车故障数据提取与分析技术

制动系统的故障诊断结果通过列车网络系统发送到列车中央控制单元，供不同的对象使用。在制动系统发生各级故障的时候，将通过列车自动限速运行或者安全停车，以保障行车安全。采用现车故障数据分析和提取技术，能够还原故障发生的时间、故障出现时系统的状况、故障经过、故障的原因、故障特征和效果等，从而为故障定位和维修奠定基础。以某型车为例，在试运行过程汇总共发生列车4次停车故障，最终提取了制动系统、列车控制系统、人机交互系统等所有相关系统的故障记录，进行故障汇总和深入分析后将故障定位为制动系统产生了车轮处于抱死状态的警告，从而导致前3次列车自动施加最大常用制动，最后一次因产生司机报警信息而人工停车。车轮处于抱死故障排除后，列车继续投入了正常运用。

图2 现车故障提取与分析实例

2.2 现车故障模拟技术

和谐号动车组制动故障诊断系统，可对系统级和部件级的功能、性能和工作状态进行诊断，可确认、评估、报告在各种工况发生的多数故障。制动系统是一个复杂的系统，产生同一故障的环节较多，如制动系统电子制动控制单元通讯故障可能涉及到内部所有控制板的工作状态。由于列车在实际运用过程中，工作环境和列车操作状态等会实时发生改变，从而导致制动系统的某一故障只有在特定的条件下才能够出现。因此有些故障需要结合现车模拟技术，才能查找故障的根本原因。以某型车为例，制动系统报告其控制系统通讯异常，从而导致列车限速运行，经现车故障模拟与深入分析，确认该故障是由某扩展接口板工作状态不稳定导致。

图3 现车故障模拟实例

3 试验平台故障再现与分析技术

和谐号动车组制动系统应用车载诊断技术，通过故障容错控制技术、信息处理技术和故障诊断模型等快速准确识别故障并判定故障位置，尽可能在故障刚刚发生时就能识别，自动收集故障原因，用数据和量化的方法分析和诊断故障，大大提高了工作效率。但是对于一些复杂故障，特别是在现车难以模拟的故障，可通过试验平台中的制动系统综合试验台、部件试验台、硬件在回路仿真平台来进行故障在线、模拟与分析，避免了现车故障模拟带来的高成本和长试验周期等问题。

3.1 利用制动系统综合试验台进行故障再现和分析

制动系统综合试验台以实际8辆编组的动车组制动系统为基础进行配置，主要由列车级、车辆级控制系统和基础制动装置组成，能够充分反映和谐号动车组制动系统功能、性能以及零部件的真实情况。

对于现车的复杂故障、疑难故障、系统故障，应用制动系统综合试验台进行故障模拟、再现和分析，能早期发现故障成因，并能预报故障发展趋势。通过制动系统试验平台研究故障发生机理并对现车提出有针对性的改进建议，进一步提高制动系统的固有可靠性，从而保证和谐号动车组制动系统运行的安全性与可靠性。

图4 和谐号动车组制动系统实尺试验台

3.2 利用制动系统部件试验台进行故障再现和分析

和谐号动车组制动系统应用车载诊断技术能够快速准确识别故障并判定故障位置，向维修人员提出指导建议。但是对于诸如制动盘和闸片等与运用工况、环境密切相关核心部件，以及中继阀、溢流阀等结构复杂的气动控制类元件等，明确故障成因则需要专用的部件试验台来完成。利用安装在部件试验台上的传感器、计算机等监测装置或监控系统，实时记录监测点的性能参数，再通过计算机分析处理，来确认部件的故障点。

图5 一种和谐号动车组制动系统部件试验台

利用制动系统部件试验台可进行关键部件的功能试验、性能试验、可靠性试验、疲劳试验等。对于故障部件和元件，采用性能参数分析法和部件分解法等试验方法和手段，排查故障根本原因。对于典型部件故障可通过改进与优化设计，增强其固有可靠性。

3.3 利用制动系统硬件在回路仿真测试平台进行故障再现和分析

对于制动系统的故障，很多环境条件无法再现的，抑或要付出高昂的代价，如不同工况，不同环境（雨、雪、风、冰等）下的测试，如果用真实的动车组必然要花费相当长的时间，付出高昂测试费用。硬件在回路仿真平台（HIL）是一整套计算机辅助测试的工具和方法，通过HIL系统可以在虚拟环境中对制动系统及软件进行大量故障试验，而无需真实的高速动车组或制动系统原型。这种试验系统性强，成本低，而且非常安全，即使测试中超过极限条件，也不会造成任何损坏。并且可以模拟制动系统不同的工作环境和工作条件，自动的对控制系统进行全面批量测试。

硬件在回路仿真平台属于半实物仿真。半实物仿真是目前流行的对复杂系统进行研究和开发的手段，半实物仿真即避免了全虚拟仿真带来的众多参数的选取获得和复杂实物系统难以模拟的问题，又解决了全部采用实物试验带来的高成本和长试验周期的问题。在建立制动系统的虚拟仿真模型基础上，通过通信协议和硬件进行联合的半实物仿真，然后在硬件在回路仿真测试系统中进行典型的故障注入来测试系统对故障的响应和处理能力。

图6 制动系统硬件在回路仿真测试平台

4 结论

和谐号制动系统具有良好的故障诊断和故障导向安全控制功能，与动车组其他系统之间采用了车载交互式诊断技术，即使制动系统出现故障，也能保证列车安全停车，或在可控状态下安全运行。

针对和谐号动车组制动系统的现车故障再现和分析技术，能够真实的还原故障发生时的工况、故障经过、故障的原因、故障特征等，从而指导故障定位和维修。

针对和谐号制动系统的复杂故障、疑难故障等，结合试验台等故障再现和分析手段和方法，可排查故障原因并消除故障隐患。

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