和谐号动车组制动系统与其他系统的接口关系

庞玉林，陈 伟，曹宏发，孟红芳

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

和谐号动车组是我国近年来高速铁路蓬勃发展的重要成果，其设计水平和装备制造水平都位于国际领先地位。CRH3动车组具有功能丰富的各类子系统，通过列车通讯网络（TCN）和硬线互相接口和通讯。作为其关键子系统之一，制动系统采用了先进的微机电空制动系统，同时保留备用制动系统，增加了其安全性。根据列车安全运行的总体要求和各子系统实现其功能的不同需求，制动系统与其他子系统的接口也具有特定的方式方法。

1 和谐号动车组制动系统概述

和谐号动车组制动系统主要由制动控制单元、基础制动装置、风源系统和制动指令系统等部分组成。制动控制系统采用空气制动和动力制动相复合、优先使用动力制动的制动模式。

和谐号动车组制动系统的主要功能包括：

（1）实现紧急制动功能，保证安全距离内可靠停车；

（2）常用制动实现正常运营的调速和停车，包括对列车空气制动力和动力制动力的分配与控制；

（3）停放制动实现坡道上的可靠停放；

（4）车轮滑行保护功能实现对低黏着条件下的制动力施加和防止车轮出现防滑；

（5）相关部件和系统的诊断功能。

制动系统与列车其他子系统的接口也主要围绕这些功能的实现展开。

动车组的每辆车都配有一套制动控制单元，包含制动系统的控制核心组件——EBCU和PBCU，具有本车空气制动和动力制动的管理功能。考虑到每辆车的功能差异，制动控制单元的组件和功能也略有区别，图1给出了制动控制单元的全部功能组件，各制动控制单元根据车辆配置来对这些功能组件进行组合：

图1 制动控制单元功能组件

制动控制单元的功能结构从硬件上决定了制动系统能够提供的全部功能、状态和接口形式，是接口关系分析的基础。

2 制动系统与其他子系统的接口方式

2.1 通过列车网络进行数据交互

CRH3和谐号动车组的各控制子系统通过多功能车辆总线（MVB）接入列车通讯网络（TCN）进行通讯。每4辆车组成的一个牵引单元构成一个相对独立的MVB网段（即：对于8辆编组的列车而言就有两个MVB网段）。每个 MVB网段内部，制动系统、列车控制系统、牵引系统和TD－HMI（列车—司机人机接口）等子系统通过MVB总线通信。两个MVB网段通过网关间接进行通信，网关间通过 WTB总线相连。MVB总线和WTB总线统称为TCN系统。如图2所示。值得一提的是，对于制动系统而言，它是由分布于各车的多个制动控制单元（BCU）组成的。

图2 制动子系统与其他子系统通过MVB通讯

2.2 通过列车安全环路进行故障导向安全控制

和谐号动车组列车配备有紧急制动环路、停放制动监控环路、制动缓解环路、旅客紧急制动环路、转向架监控环路和火灾报警环路，这些环路贯穿全列，都有复杂的连锁逻辑关系，能够起到故障导向安全的作用。制动系统通过环路上的继电器等装置能够实时监测环路的通／断状态，一旦环路断开，表示出现了危及列车运行安全的紧急事件，则会立即触发制动系统动作，自动施加制动减速或停车，从而避免可能出现的危险。

2.3 通过列车线进行停放制动控制等

和谐号动车组列车配备有停放制动施加、停放制动缓解和紧急驱动模式等列车线。列车线传递司机的控制指令，不依赖于网络，其实时性和可靠性更有保障。列车线的高低电平状态被制动系统接收作为实现相应控制和诊断功能的依据。

3 制动系统与列车控制系统的接口关系

列车控制系统主要负责对列车整体运行状态（包括网络通讯系统和硬线回路系统）进行监控和管理，保证列车设备和通讯网络的可靠运转，并处理列车异常状态及多种行车和检测功能。

制动系统通过列车控制系统可以获取列车的运行状态，作为制动系统实现其各种功能所必须的判据，大致包括：

（1）列车运行方向，用于撒沙控制；（2）列车各安全环路状态及其是否被旁路，用于紧急制动、压力检查和自动制动测试（ABT）等功能；（3）司机室占用状态，用于头车确立和列车制动管理（TBM）实现；（4）参考轮径值和列车速度，用于速度计算和防滑计算；（5）各部分的电源供电状态，用于空压机管理和停放制动管理；（6）空气干燥设备状态，用于空气干燥设备管理。

制动系统也响应列车控制系统传来的命令及请求，以实现列车控制系统发起的与制动系统有关的要求，主要包括：

（1）自动制动测试（ABT）；（2）常用全制动请求；（3）紧急制动请求；（4）自动速度控制（ASC）；（5）全列撒沙；（6）BCU 试灯；（7）辅助空压机控制；（8）ATP制动控制。

和谐号动车组的首要设计原则是＂故障导向安全＂原则，对于制动系统而言，也需要实时对本身系统进行故障诊断，并执行应对措施，因此也需实时获取列车控制系统传来的诊断信息，内容主要包括：

（1）各安全环路是否被旁路；（2）列车实际牵引能力；（3）各牵引单元各车UIC编号；（4）停放制动是否施加；（5）辅助空压机是否可用。

制动系统也通过列车控制系统获得列车的相关配置信息，用于列车的配置检查和初始化；以及时间信息，保证制动系统与列车的时间同步。

与此同时，制动系统也向列车控制系统报告其当前工作状态，供列车控制系统实现相应功能，主要包括：列车管压力、主风管压力、制动控制器设定、紧急制动状态、空气制动状态、停放制动状态、乘客紧急制动状态、备用制动状态、空气制动能力发挥比率、含负载的列车车质重、各转向架加速度、防滑系统状态、速度传感器状态、各轴工作状态和参考轴实际速度等。主要用于列车系统执行列车自动速度控制（ASC）和实施紧急制动时的判据；另外通过掌握这些状态信息，列车控制系统可以完整地监控制动系统工作状态，实时进行故障诊断和处理。

4 制动系统与牵引系统的接口关系

制动系统与牵引系统的接口主要目的是实现空气制动／再生制动的复合控制功能及其相应的防滑控制功能。空电复合功能统一由制动系统进行控制，而空气防滑控制和电制动防滑控制则分别由制动系统和牵引系统各自管理，以协作形式实现列车的防滑功能，共同保障列车的制动安全。

制动系统通过牵引系统可以获得电制动的可用功率和执行状态等信息，包括：逆变器是否激活、动力单元工作模式（牵引／制动）、是否响应了电制动减小命令、当前各动力单元最大电制动能力和实际发挥电制动力等。这些状态和数据信息经制动系统处理，被用于空气制动／电制动复合制动的管理，以及以空气制动为主的防滑管理。

另一方面，牵引系统也响应制动系统发出的控制指令，包括：各动力单元电制发挥比例的设定值反馈、动力单元激活电制动模式、紧急制动、防滑动作等。

牵引系统还需要从制动系统获得相关工作状态，以实现对电制动的防滑管理和诊断功能，这些信息包括：各动车防滑系统是否正常、是否有轴进行空气制动、速度是否超过5km／h、传感器有无硬件故障和电制动是否被允许等。如果出现故障或者异常，便会采取相应“故障导向安全”措施以保证列车制动安全。

5 制动系统与TD－HMI

作为司机获取列车状态的直接途径，TD－HMI具备强大的信息获取能力和交互功能，将列车各系统工作状态和功能执行状态显示于屏幕，使司机全面而有效地掌握列车运行状态，更好的发现和处理问题和故障，从而保证列车安全。

对于制动系统而言，需要为TD－HMI提供全面而详细的制动设备运行状态和制动功能执行状态，包括各制动功能信息：

（1）常用／紧急制动功能：列车管压力值、总风管压力值、列车制动可用率、列车制动模式、列车管充风阀状态、各车空气制动切除／施加／缓解；（2）自动制动测试功能：测试状态、测试阶段、测试是否取消、测试是否出错、距上次完成制动测试的时间；（3）制动管理：司机室占用状态；（4）停放制动功能：全列所有停放制动状态和诊断、停放制动是否切除、停放制动紧急缓解；（5）撒沙功能：全列撒沙禁止、撒沙烘干禁止、空压机可用状态。

司机通过操作TD－HMI可以对制动系统发出特定命令，如：禁止列车管充风、禁止空压机启动、关闭撒沙烘干、制动能力测试和停放制动紧急缓解等，用于列车特殊情况的处理。

制动系统与TD－HMI完成的另一项重要功能就是允许司机在人机交互界面上，按照编排好的菜单顺序逐步执行各项制动测试，即菜单制动测试（MBT），以检验各车制动系统的各项功能是否正常。

在MBT过程中，司机是测试内容和进度的掌控者，通过TD－HMI所提供的菜单，一步一步向制动系统发出测试功能请求。司机在本阶段测试内容完成的提示后，决定何时继续下一步测试。MBT测试按照以下步骤进行：

① 直接制动（Direct Brake）测试；②紧急制动（EB）测试；③总风管贯通性（MRP）测试；④列车管（BP）泄露测试；⑤间接制动（Indirect Brake）测试；⑥列车管（BP）贯通性测试。

菜单制动测试功能有助于在维护和例行检查时预先发现问题和解决问题，保证列车运行时的安全和可靠。

6 制动系统与门控系统

制动系统通过MVB网络发送给门控制系统总风缸压力和空压机状态信息，供门控系统用风的控制和判断。同时将速度传感器获取的车辆速度值判断后发给门控系统，控制是否运行开门的诊断功能。

7 结束语

和谐号动车组制动系统采用列车通讯总线和硬线的方式，与列车的其他各子系统接口与通信。通过完善的信号交互规则，有效地满足了各子系统的接口需求，并遵循了“故障导向安全”设计原则，实现了实时诊断与安全措施，有效地保证列车的安全运行。