高速列车防滑系统仿真台架试验标准和方法研究＊

周 军，曹宏发，陈 伟，李和平

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

对于现代轨道车辆，尤其是高速列车，通过配置车轮防滑保护系统（Wheel Slide Protection，WSP）来防止轮轨间低黏着条件时轮对的滑行和抱死，并尽可能的保证制动距离。因此，在其投入使用前须通过相应测试，以验证其性能和安全性。鉴于防滑系统的重要性，相关机构制定了防滑系统相关标准，以 UIC 541－05［1］和BS EN 15595［2］最具有通用性和指导性。BS EN 15595标准为适应防滑系统的最新发展，与UIC 541－05标准相比，其内容更具体更完善，尤其是对防滑系统试验的相关规定更为详尽，其标准等级更高，对防滑系统的设计、开发和试验更具有指导作用，因此本文主要参考BS EN 15595标准进行WSP系统试验研究。

BS EN 15595标准规定，防滑系统的试验内容包括强制性试验、客户指定试验和合同要求的一些附加性试验。强制性试验即为型式试验（Type test），可通过线路试验（Track test）和经过验证的仿真台架试验（Test on simulation rig）相结合的方式实现。原则上线路试验的内容可在仿真台架上完成，但基于既有防滑系统已经批量成熟运用，因此仿真台架试验可以部分的被线路试验代替（或提供等效线路试验证明）。客户指定试验是指客户或铁路部门为验证防滑系统能满足特殊线路需求而制定的与WSP性能相关的试验，一般通过仿真台架试验来完成。附加性试验则是对强制性试验的补充，也可通过仿真台架试验来完成，但在某些特殊情况除外，如用于高速运行的WSP系统的非常低黏着试验。

由于防滑系统线路试验的成本高、耗时长、管理难，新研制的防滑系统或者基于原防滑系统进行参数优化，可采用基于硬件在环系统的仿真台架试验来代替线路试验。硬件在环 HIL（Hardware－In－Loop）仿真测试系统是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I／O接口与被测的WSP连接，对被测WSP进行全方面的、系统的测试。从安全性、可行性和合理的成本上考虑，HIL仿真试验已经成为WSP开发流程中非常重要的一环，它不但减少了线路测试的次数、缩短开发时间和降低成本，同时还提高了WSP的软件质量。

本文在深入分析BS EN 15595标准对防滑系统仿真台架试验要求的基础上，结合CRH3高速动车组制动防滑系统的开发和测试经验，对高速列车防滑系统仿真台架试验设计、防滑仿真模型建立及其模型标定进行了研究。

1 仿真台架试验标准要求

BS EN 15595标准对防滑系统仿真台架试验的要求进行了详细规定，包括防滑系统仿真台架试验内容及其验证指标、仿真台架设计需求、防滑仿真模型以及仿真试验台架的验证指标。有关仿真台架试验内容及其验证指标详见BS EN 15595标准规定，本文主要对后三者进行简要概述。

1.1 仿真台架设计需求

BS EN 15595规定，仿真试验台架应体现“HIL”原理，其设计应具有软硬件集成特点，可对车辆系统和轨道状况进行最真实的建模。在试验过程中，WSP应把单车辆模型作为最小需求，仿真试验台架所需的设备如表1。但是，根据防滑系统试验内容的不同，组成台架所需设备也不同。

表1 仿真试验台架所需设备

硬件选择总是优于软件模型，如果软件模型是强制性的，则硬件选择应适应软件模型。

1.2 仿真模型需求

1.2.1 黏着模型

黏着模型应能表示真实和模拟的轨道状况，黏着曲线应基于理论模型或实际轨道测量数据，可表示随着车轮打滑变化而变化的最大黏着水平。

（1）恒定黏着

①干轨

黏着仿真模型能表示正常等级的制动性能（无WSP干扰），可根据模拟数据或轨道测量数据建立。

②恒定低黏着

黏着仿真模型能表示黏着连续峰值水平且具有实际轨道污秽滑动特性的黏着曲线，可使用轨道测量数据建立。

（2）可变黏着

①人造污秽

黏着仿真模型能表示在轨道试验中采用的人造污秽产生的黏着曲线，可使用模拟数据或轨道测量数据来建立。

②自然产生可变黏着

黏着仿真模型能表示黏着可变峰值水平且具有自然产生轨道污秽（油、油脂、燃油、煤泥、树叶、水／铁锈污秽）的滑动特性，可使用轨道测量数据来建立。

（3）黏着条件因素

①黏着与速度关系

黏着仿真模型可表示与模型车辆初始速度相关的黏着曲线峰值变化。

②车轮状况

黏着仿真模型分别对每个轮对计算改善黏着的参数，特别是滑行中产生自身状态变化的轮对。

1.2.2 试验和性能模型

试验和性能模型负责计算与车辆特性和试验中使用的黏着曲线相关的WSP性能。

（1）仿真器性能

其所有计算的周期时间至少是试验中WSP周期时间的一半；同时报告建模中仿真器产生的误差。

（2）试验需求

建立上坡度和下坡度模型、加速度和试验中的制动阶段、调节每一试验阶段的参数（持续时间，最大加速度，试验开始和终止速度）。

（3）制动性能

绝对制动距离（单车）、列车绝对制动距离、绝对制动距离与干轨制动距离之比。

（4）轮损伤

识别试验过程中发生的轮抱死、每个轮发生轮抱死的持续时间、由于过度轮滑但未产生轮抱死的轮损伤预判。

（5）空气系统

相对空气消耗量。

（6）验证指标

对于强制性试验，采用标准中定义的验证指标；对于非强制性试验，允许引入用户定义的验证指标。

（7）故障状态

传感器开路、传感器短路、放泄阀开路、放泄阀短路、开门狗定时器操作、速度计数器输出。

（8）WSP输出

记录WSP故障显示、WSP排风阀动作、WSP参考速度。

1.2.3 车辆性能模型

车辆性能模型用于表示与WSP操作相关的车辆特性，它对整个列车、车辆的制动性能产生影响。在车辆性能模型中应包括下列内容。

（1）摩擦材料

制动材料的平均摩擦系数、随着初始列车速度变化的摩擦值变化、随着瞬时车轮速度变化的摩擦变化、随着接触力变化的摩擦变化、有效制动直径。

（2）气动驱动器、制动需求

确定制动力与需求压力的关系、升降力曲线的滞后、随着速度变化的制动需求变化；用户定义的制动需求等级。

（3）车体、转向架、车轮动态模型

轮径变化对车轮惯量的影响、动车轮对和拖车轮对的惯量差异、轮对动态加载和动态卸载的影响、车体总重转移对制动性能的影响、内部车辆力的作用对整个列车制动性能的影响。

1.2.4 车辆功能模型

车辆功能模型用于模拟由WSP使用的以确定其状态的车辆控制信号，这些信号不会对试验结果产生影响。

功能输入包括：制动模式；牵引模式；模式选择（动车、拖车、其他）；紧急制动模式。

1.3 仿真台架验证指标

为验证仿真台架产生实际效果的有效性和可靠性，应满足下列指标。

（1）制动距离

仿真制动距离和实际制动距离的误差应小于一个给定量，即：

（2）速度曲线

实际制动速度曲线和仿真速度曲线应在制动开始到车辆速度达到15km／h期间进行比较。对于速度曲线上的每一点，在i时刻，实际速度和仿真速度的误差应小于下面的给定量：

（3）滑动量

计算车轮在确定滑动量范围内的总的制动时间百分比，应在一个给定的范围内，计算方法详见BS EN 15595标准。

2 高速列车防滑系统仿真台架设计

由于轨道车辆防滑系统仿真台架试验属于核心技术，其相关文献资料并不多见。国外应用比较成功的例子是意大利铁路公司Trenitalia SPA与佛罗伦萨大学合作开发的轨道车辆HIL测试台架－MI6［3］。从2004年至今，MI6测试台架已经为许多世界著名铁路公司的WSP系统进行了成功测试，但是为了保护相关信息，这些测试结果并没有发布。MI6测试台架可用于许多与铁路安全相关的电子系统试验，如WSP、ATP和ATC。

本文结合CRH3高速列车制动防滑系统的开发和测试经验，设计了一种满足相关标准规定的模块化的防滑系统仿真台架试验结构［3］，如图1所示。为适应电子设备的不同电气接口，所设计的仿真试验台架是一个比较容易配置和定制的开放系统。根据测试子系统的技术改进情况，仿真试验台架的软硬件能比较容易更新。

2.1 WSP控制器

WSP控制器能检测轮对滑行，为了改善制动性能，防止踏面擦伤和车轮抱死，对制动缸内部压力进行调节。

图1 防滑仿真台架结构

WSP控制器是仿真台架试验的测试对象，对其硬件强制要求，不能模拟。软件包含防滑控制算法。

高速列车制动防滑系统的WSP输入输出信号为：

①输入：速度传感器信号（电流型频率信号）；

②输出：防滑阀的控制信号（电压型数字信号）；

③接口：与速度传感器单向通讯、与防滑阀双向通讯、与实时HIL硬件平台单向通讯。

2.2 防滑阀和气动设备

防滑阀和气动设备又称为驱动器。制动缸内部压力通过EV、HV双电磁防滑阀调节，直接由WSP系统的BCU控制。WSP的响应动作受具有制动气动部件的EV、HV双电磁阀的影响，从而控制制动缸的充风时间。制动缸压力通过压力传感器实时测量，实时模型使用制动缸的测量压力来估算下一个计算周期受车轮动态性能影响的制动力变化。为保证实时模型和驱动器的整合性，应采用一个恒定的采样频率，使HIL的滞后时间与产生的动态性能相比可以忽略不计。如果对防滑阀和气动设备进行模拟，则需要在实际设备上对下列性能进行试验验证（与真实设备相比较）：

（1）相同的阀响应延迟；

（2）相同的响应时间；

（3）基于典型防滑阀动作的具有相同的空气消耗量。

高速列车防滑系统的防滑阀和气动设备的采用硬件、软件强制要求。制动防滑系统的防滑阀和气动设备的输入输出信号为：

（1）输入：中继阀压力，WSP控制命令（数字量）；

（2）输出：调节后的制动缸压力；

（3）接口：与WSP电子元件双向通讯、与实时HIL硬件平台双向通讯。

2.3 轴速系统

轴速系统包括与电动机耦合在一起的轴末端速度传感器，该电动机的轴速值由测试车辆的计算机模拟给出。轴速系统也可以使用车辆模型来产生轴速输出，模拟的速度传感器应产生与实际的速度传感器相同的波形，但WSP控制单元的速度电气接口不能模拟。高速列车防滑系统采用模拟速度。

接口：与WSP电子元件单向通讯、与实时HIL硬件平台双向通讯；

2.4 HIL硬件平台

试验台架由运行在HIL硬件多处理器平台上的实时软件控制。硬件平台的电气接口对于不同的应用比较容易配置。硬件平台主要组成部分包括：实时处理器、I／O接口、故障注入单元（FIU），通信接口、FPGA模块、信号调理单元、电源及连接线等。

高速列车防滑系统仿真试验台架的实时硬件平台采用ETAS的ES1000系统，如图2所示。

图2 ES1000系统

ES1000系统及其ETAS产品ASCET－SD和INCA用于产品的快速原型和标定［4］。控制单元采用摩托罗拉 MPC750处理器，具有366MHz时钟频率。ES1000系统通过仿真器ETK、K线或CAN总线连接到BCU，具有附加的模拟量和数字量输入输出信号的接口卡。

接口：与仿真模型双向通讯、与WSP单向通讯、与速度传感器双向通讯、与防滑阀和气动设备双向通讯。

2.5 实时仿真模型

仿真模型的设计应在结果的精确性和可用计算资源之间进行优化。为了模拟不同的轨道车辆（具有不同轮对、制动系统等），模型必须参数化。为了满足上述要求，仿真模型可分为一系列的模块子系统，如机械结构、制动系统、黏着模型等。实时仿真模型能根据模拟轨道车辆的主要机械和功能特点来计算车辆的动态特性。

接口：与实时HIL硬件平台双向通讯；

3 防滑仿真模型

结合CRH3高速动车组制动防滑系统的开发和测试过程，建立高速列车制动防滑仿真模型。

3.1 标准黏着模型

标准黏着模型用于建立干轨、基于清洁剂和树叶膜层的湿滑轨道状况。一般采用黏着系数与滑移率的关系曲线［5］来建立黏着模型，如图3所示。

图3 黏着系数与滑移率的关系曲线

3.1.1 干轨黏着模型

干轨黏着模型表示正常等级的制动性能（无WSP干扰），可根据模拟数据或轨道测量数据建立。

（1）黏着系数与滑移率

黏着系数和滑移率如下式定义：

式（4）中v为轴速。

3.1.2 湿轨低黏着模型

湿滑轨道状况（基于清洁剂和树叶膜层）的黏着仿真模型可使用轨道测量数据建立，黏着系数与滑移率关系曲线的建立方法同干轨黏着模型。但湿滑钢轨影响黏着系数公式［6］如下：式（3）中μ为黏着系数；Fa最大切向力；W 车辆垂直负载；λ 滑移率；vtrain车速；vaxis轴速；

根据图3采用离散数据表的形式建立滑移率和黏着系数的关系。

（2）影响黏着系数

模型中需建立一个反应轨道状态的影响黏着系数，可采用日本干轨黏着系数公式［6］：

3.2 车辆性能模型

车辆性能模型主要包括车轮运动模型、车辆运动模型、车轮自身状态模型、轨道状态模型，概括如下：

3.2.1 车辆性能参数

需要设定的车辆性能参数包括：

（1）轮径；

（2）车重／轴重；

（3）负载轴重条件下的转动惯量；

（4）制动材料的平均摩擦系数；

（5）有效制动半径；

（6）闸片表面积；

（7）弹簧恢复力；

（8）杠杆传动比；

（9）传动效率；

（10）制动夹钳数（动轴／从动轴）；

3.2.2 黏着力和制动力

黏着力和制动力的关系如图4所示［7］。

图4 黏着力与制动力关系模型

图4中：W 为轮轨垂直负载；μ为轮轨黏着系数；v为轮对线速度；ω为轮对角速度；I为轮对转动惯量；r为车轮半径；Fa为粘着力；Fb为制动力。

在制动过程中，必须保证Fb≤Fa，否则车轮就会发生打滑危险。

根据可利用黏着系数μaa（μaa≤μ），由式（6）可以计算出轮轨间的瞬时可用黏着力Faa：

其中mt轮对制动质量（kg）；g重力加速度（m／s2）。

制动力模型计算作用于轮对制动盘的闸片摩擦力，此时需要考虑基础制动的部件特性，包括传动特性、摩擦特性等，其核心是根据制动缸压力Pc计算得出作用于制动盘表面的制动力，如下式所示：

其中α，β为常数参数；D为轮径。

3.2.3 制动轮对动态性能

根据图4，在制动过程中，轮对的动态特性（减速度、黏着力和制动力矩的关系）可由下式描述：

将式（7）带入式（8），即可得出轮对角加速度与制动缸压力的关系。

3.3 防滑控制模型

3.3.1 防滑控制系统结构

典型防滑控制系统闭环控制结构如图5所示［8］。一个非接触型速度传感器装于车轴，其与车轮的速度成比例的脉冲信号传输到电子控制单元。电子控制单元对本车或本转向架的速度脉冲信号进行处理，根据速度差和减速度判据对已经发生滑行情况发出防滑控制指令，操纵防滑电磁阀，控制制动缸的压力。防滑系统能最佳利用有效黏着，以保证最短的制动距离。

图5 防滑控制系统结构

3.3.2 防滑控制逻辑

制动缸压力是升压、降压和保压3种控制指令进行控制的，防滑阀的动作如表2所示。

表2 防滑阀动作表

制动缸压力的调节根据防滑排风阀的作用效果分类如下：

（1）快速排风；

（2）脉冲式排风；

（3）保压；

（4）脉冲式充风；

（5）快速充风。

选用以上哪种方式一般取决于加速度判据和速度判据。在防滑过程中，根据速度差和减速度的变化情况，制动缸的排风显示脉冲特性，其排风曲线中尚有稳定段，过快的排风会出现制动力不必要的丧失。制动压力防滑控制过程如图6所示。

本节结合CRH3高速动车组制动试验平台的设计和开发经验，设计了一种基于速度差和减速度的复合矩阵式防滑控制策略。将速度差判据和减速度判据组合为一个参数化的复合式判据矩阵，根据速度差和减速度的不同，采用不同的阀控制状态。

图6 制动压力防滑控制

3.4 仿真模型建立

采用ETAS公司的开发工具ASCET6.0来建立防滑模型，主要包括参数模块、速度模块和主控制器模块。

3.4.1 参数模块

参数模块定义一些其他模块用到的参数，包括静态参数和可变参数。

（1）静态参数

闸片表面积、轴重、弹簧恢复力、杠杆传动比、传动效率、平均制动半径、轮径和摩擦系数。

（2）可变参数

转动惯量、转动质量系数、轴制动夹钳数、初始速度、黏着系数与滑移率关系数值表、黏着系数与列车速度关系数值表。

3.4.2 列车速度模块

该模块根据公式（9）计算列车的实时速度：

其中v（t）为列车实时速度，v0为列车初始速度，a为减速度。

3.4.3 主控制模块

该模块主要包括初始化子模块、摩擦子模块、黏着子模块、角速度子模块、防滑控制逻辑模块、其他子模块等。

（1）初始化模块用于计算列车速度和轮轴角速度，给滑移率赋初值；

（2）摩擦子模块根据制动缸压力计算摩擦力和摩擦力矩；

（3）黏着子模块根据滑移率计算黏着系数、黏着力和制动力矩；

（4）角速度子模块根据黏着制动力矩和摩擦制动力矩，通过积分求得实时轴角速度；

（5）防滑控制逻辑模块根据轴速度差和减速度来控制防滑阀动作，从而调节制动缸压力；

（6）其他子模块根据角速度计算轴线速度，根据列车速度和轴速计算滑移率。

ASCET模型环境如图7所示。

图7 ASCET模型环境

4 模型标定

仿真模型建立之后，需要对模型进行标定，把仿真结果和试验数据进行比较，应满足1.3节规定的指标要求。对于指标（1），可参考选定车辆类型与速度相关的实际制动距离进行比较。对于指标（2）和指标（3）来说，需要参考大量的实际防滑试验数据来验证，由于试验条件的局限性，本文只对指标（1）进行验证。

在高速列车制动防滑系统试验台上，以单车打滑试验为例，进行了10次恒定黏着的干轨紧急制动试验（无WSP作用），湿轨低黏着打滑紧急制动试验（无WSP作用和有WSP作用）。基于ES1000实时处理器的防滑仿真系统如图8所示，仿真试验条件如表3。仿真试验测试结果如图9所示。

图8 基于ES1000的仿真试验系统

表3 WSP仿真试验条件

图9 试验台架模型仿真测试

由图9（a）可以看出，在制动过程中，可用粘着系数未超过干轨实际黏着系数（0.1），未出现轮对滑行和轴抱死现象，10次试验的平均制动距离为3 263m，与实车300km／h纯空气紧急制动的紧急距离3 300m相比，误差为1.1%，满足标准规定要求。

图9（b）为湿轨轨道的纯空气紧急制动，设定的最大黏着系数为0.05。从图中可以看出，在制动过程中，如果没有WSP系统的参与，轮对很快出现滑行，直至轴抱死。与干轨试验对比可以发现，以列车速度139 km／h时为例，实际可用黏着系数为0.04，远小于维持制动力需要的黏着系数0.09（干轨），这就验证了黏着模型的有效性。

图9（c）为湿轨试验的纯空气紧急制动，最大黏着系数0.05，但增加了 WSP对制动缸压力的调节功能。在制动过程中，通过 WSP对制动缸压力的调节作用，使得实际施加于轮对的制动力未超过轮轨黏着可以提供的最大黏着力，避免了轮对滑行。

上述仿真试验结果满足标准对制动距离的指标要求，因此验证了实时仿真模型的有效性和可靠性。

5 结束语

本文通过对国际上现行防滑标准的深入分析，系统研究了防滑系统的试验要求和仿真台架试验的标准规定，并对仿真试验台架的结构组成、子系统建立、标定验证等进行了详细说明。结合高速动车组防滑系统的开发和测试经验，提出了基于HIL系统的防滑试验台架设计方法，并进行了防滑仿真试验，仿真结果满足标准规定指标。

现有的ES1000实时仿真系统虽然具有一定实时计算能力，但主要还是限于软件的快速原型仿真应用，如果需要半实物混合仿真，ES1000的接口形式和数据处理能力就显得力不从心了。现有的成熟方案主要有基于dSPACE和LABCAR的硬件在环仿真系统，能够满足防滑试验台的仿真需求。因此，论文的下一步研究工作将针对防滑标准中对于试验台架的规定进行完善。同时，防滑系统的仿真台架试验将结合实际运用线路的轮轨关系和现车防滑试验进行反复优化与改进。

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