和諧號動車組制動系統(tǒng)故障再現(xiàn)及分析

曹宏發(fā)，喬 峰，溫熙圓，安志鵬

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國北車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

和諧號動車組制動系統(tǒng)直接關(guān)系到列車運行安全，制動能力須滿足列車制動距離的要求，制動系統(tǒng)須保證列車可靠的的制動作用和管理，制動系統(tǒng)須具有故障導(dǎo)向安全控制功能。這些都要求制動系統(tǒng)必須具備良好的故障診斷能力和故障存儲功能，可確認、評估、報告在制動系統(tǒng)各種工況下的各種故障，包括故障對系統(tǒng)自身以及對其他系統(tǒng)的影響，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢。

和諧號動車組制動系統(tǒng)涉及流固熱耦合、材料、熱機疲勞、電子技術(shù)、控制技術(shù)、軟件科學(xué)等，是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。同時和諧號動車組制動、牽引、列車控制系統(tǒng)等各主要系統(tǒng)之間通過列車網(wǎng)絡(luò)、硬線等，有機組合為一個整體，各系統(tǒng)之間有著直接或間接的作用和影響。列車級的故障診斷和故障導(dǎo)向安全設(shè)計功能，使得各個系統(tǒng)的故障均將有可能引起列車級的聯(lián)鎖動作與控制，以保證列車受控的安全運行，包括故障情況下的列車自動限速運行。這些都增加了故障的復(fù)雜程度和故障排查難度，在分析故障原因時，將需要在現(xiàn)車或者利用試驗臺等可靠性試驗手段再現(xiàn)故障發(fā)生的工況，排查故障的根本原因從而消除故障隱患。

1 良好的故障診斷能力是故障再現(xiàn)和分析的基礎(chǔ)

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、嵌入式技術(shù)、自動控制技術(shù)等在和諧號動車組制動系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得制動系統(tǒng)具有強大的信號分析與數(shù)據(jù)管理功能，能全面記錄反映系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的各種信息，實現(xiàn)故障的精確診斷。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，強化了和諧號動車組列車級故障診斷和遠程分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)的功能。

1.1 制動系統(tǒng)的故障診斷體系

和諧號動車組制動系統(tǒng)具備良好的故障診斷能力，能夠?qū)ο到y(tǒng)運行狀態(tài)和異常情況作出判斷，為系統(tǒng)故障恢復(fù)提供依據(jù)，以便故障快速定位和維護。制動系統(tǒng)的運行故障數(shù)據(jù)在自身存儲的同時，經(jīng)列車網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至列車診斷中心，列車診斷中心的故障數(shù)據(jù)經(jīng)遠程傳輸系統(tǒng)傳輸至地面服務(wù)中心，用于制動系統(tǒng)的故障處理、維護檢修等。同時列車診斷系統(tǒng)同時也將列車的狀態(tài)、故障信息實時傳輸給制動系統(tǒng)，用于制動系統(tǒng)的聯(lián)鎖診斷和故障導(dǎo)向安全控制，制動系統(tǒng)自身存儲的故障數(shù)據(jù)也可經(jīng)系統(tǒng)維護終端監(jiān)視、下載，用于故障定性分析、定位查找。

1.2 制動系統(tǒng)的故障診斷任務(wù)

和諧號動車組制動系統(tǒng)可確認、評估、報告在各種工況下的各種故障，包括故障對系統(tǒng)自身以及對其他系統(tǒng)的影響。在發(fā)生制動系統(tǒng)故障時，對故障類型、故障部位及原因進行診斷，最終給出解決方案，實現(xiàn)故障恢復(fù)。制動系統(tǒng)的故障診斷包含3種操作模式。

（1）開車前的系統(tǒng)檢查

動車組開車前，需對制動系統(tǒng)進行自動或手動的制動測試，用以檢查列車制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括緊急制動功能、常用制動功能、緊急制動安全環(huán)路狀態(tài)等。檢測結(jié)果傳給動車組列車中央診斷系統(tǒng)并存儲，同時將制動測試結(jié)果提供給司機或操作人員。

（2）動車組運行過程中的實時診斷

動車組在運行過程中，有關(guān)運行參數(shù)、過程數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)經(jīng)由MVB接口實時傳輸至中央診斷系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控列車狀態(tài)并報告發(fā)生的故障和錯誤。當檢測到制動系統(tǒng)故障時，列車將根據(jù)故障等級自動進行“故障－安全”控制，保證列車安全、受控地運行。列車診斷系統(tǒng)將故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司機、列車員，便于采取相關(guān)的補救措施。

（3）系統(tǒng)檢查和維修時的診斷

在制動系統(tǒng)例行的檢查和維護過程中，制動系統(tǒng)提供的診斷信息、數(shù)據(jù)可對維修人員提供支持，為此制動系統(tǒng)滿足下列診斷要求：

①制動系統(tǒng)提供的診斷信息可被維修人員讀取并參考；

②制動系統(tǒng)的診斷報告為系統(tǒng)檢查和維修提供指導(dǎo)方法。

圖1 和諧號動車組制動系統(tǒng)的故障診斷體系

1.3 制動系統(tǒng)的故障分級管理

制動系統(tǒng)的每個診斷事件都有對應(yīng)的維修優(yōu)先級見表1。和諧號動車組制動系統(tǒng)，根據(jù)故障發(fā)生時的工況和故障部位對運營成本的影響，設(shè)定了5個不同的運用維修優(yōu)先級。優(yōu)先級最高級為暫停運營，最低為在下一次專項修時進行故障處理。

表1 制動系統(tǒng)診斷事件的運用維護優(yōu)先級

1.4 制動系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)性能指標

制動系統(tǒng)根據(jù)實際運用條件來分析判斷哪些性能是主要的，哪些是次要的，然后對診斷結(jié)果進行分析，經(jīng)過適當?shù)娜∩岷蟮贸鲎罱K的診斷結(jié)論。評價動車組故障診斷系統(tǒng)的性能指標有：

（1）故障辨識能力。制動系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)具有良好的故障辨識能力，便于對故障評價和指導(dǎo)維修。

（2）故障分離能力。制動系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌收线M行區(qū)別，實現(xiàn)故障的精確定位。

（3）故障檢測的及時性。在制動系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障診斷系統(tǒng)能夠在最短時間內(nèi)檢測到故障的能力。

（4）故障的誤報率和漏報率。誤報指制動系統(tǒng)沒有出現(xiàn)故障卻被錯誤檢測出發(fā)生故障；漏報是指自動系統(tǒng)發(fā)生故障卻沒有被檢測出來。和諧號動車組可靠的故障診斷系統(tǒng)能盡可能使誤報率和漏報率最小化。

（5）魯棒性。是制動系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)在存在噪聲、干擾等的情況下仍能夠正確完成故障診斷任務(wù)，同時保持低誤報率和漏報率的能力。

（6）自適應(yīng)能力。制動系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)對于變化的被測對象具有自適應(yīng)能力，能夠充分利用變化產(chǎn)生的新信息來改善自身的診斷結(jié)果。

2 現(xiàn)車故障再現(xiàn)與分析技術(shù)

和諧號動車組是制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)等諸多復(fù)雜系統(tǒng)的有機結(jié)合體，制動系統(tǒng)本身涉及諸多學(xué)科、多組份模塊、多種控制功能和控制方式等，是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。為保證列車安全受控的運行，和諧號動車組采用了交互式診斷技術(shù)，實現(xiàn)多系統(tǒng)間的信息共享和互操作，各個系統(tǒng)的故障均將有可能引起列車級的聯(lián)鎖控制與保護，從而增加了故障的多樣性和故障排查難度。為排查故障的根本原因從而消除故障隱患，需要針對現(xiàn)車故障采用數(shù)據(jù)分析和提取技術(shù)、甚至現(xiàn)車故障模擬技術(shù)來再現(xiàn)故障發(fā)生時刻的情景。

2.1 現(xiàn)車故障數(shù)據(jù)提取與分析技術(shù)

制動系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果通過列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送到列車中央控制單元，供不同的對象使用。在制動系統(tǒng)發(fā)生各級故障的時候，將通過列車自動限速運行或者安全停車，以保障行車安全。采用現(xiàn)車故障數(shù)據(jù)分析和提取技術(shù)，能夠還原故障發(fā)生的時間、故障出現(xiàn)時系統(tǒng)的狀況、故障經(jīng)過、故障的原因、故障特征和效果等，從而為故障定位和維修奠定基礎(chǔ)。以某型車為例，在試運行過程匯總共發(fā)生列車4次停車故障，最終提取了制動系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等所有相關(guān)系統(tǒng)的故障記錄，進行故障匯總和深入分析后將故障定位為制動系統(tǒng)產(chǎn)生了車輪處于抱死狀態(tài)的警告，從而導(dǎo)致前3次列車自動施加最大常用制動，最后一次因產(chǎn)生司機報警信息而人工停車。車輪處于抱死故障排除后，列車繼續(xù)投入了正常運用。

圖2 現(xiàn)車故障提取與分析實例

2.2 現(xiàn)車故障模擬技術(shù)

和諧號動車組制動故障診斷系統(tǒng)，可對系統(tǒng)級和部件級的功能、性能和工作狀態(tài)進行診斷，可確認、評估、報告在各種工況發(fā)生的多數(shù)故障。制動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，產(chǎn)生同一故障的環(huán)節(jié)較多，如制動系統(tǒng)電子制動控制單元通訊故障可能涉及到內(nèi)部所有控制板的工作狀態(tài)。由于列車在實際運用過程中，工作環(huán)境和列車操作狀態(tài)等會實時發(fā)生改變，從而導(dǎo)致制動系統(tǒng)的某一故障只有在特定的條件下才能夠出現(xiàn)。因此有些故障需要結(jié)合現(xiàn)車模擬技術(shù)，才能查找故障的根本原因。以某型車為例，制動系統(tǒng)報告其控制系統(tǒng)通訊異常，從而導(dǎo)致列車限速運行，經(jīng)現(xiàn)車故障模擬與深入分析，確認該故障是由某擴展接口板工作狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致。

圖3 現(xiàn)車故障模擬實例

3 試驗平臺故障再現(xiàn)與分析技術(shù)

和諧號動車組制動系統(tǒng)應(yīng)用車載診斷技術(shù)，通過故障容錯控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和故障診斷模型等快速準確識別故障并判定故障位置，盡可能在故障剛剛發(fā)生時就能識別，自動收集故障原因，用數(shù)據(jù)和量化的方法分析和診斷故障，大大提高了工作效率。但是對于一些復(fù)雜故障，特別是在現(xiàn)車難以模擬的故障，可通過試驗平臺中的制動系統(tǒng)綜合試驗臺、部件試驗臺、硬件在回路仿真平臺來進行故障在線、模擬與分析，避免了現(xiàn)車故障模擬帶來的高成本和長試驗周期等問題。

3.1 利用制動系統(tǒng)綜合試驗臺進行故障再現(xiàn)和分析

制動系統(tǒng)綜合試驗臺以實際8輛編組的動車組制動系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行配置，主要由列車級、車輛級控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動裝置組成，能夠充分反映和諧號動車組制動系統(tǒng)功能、性能以及零部件的真實情況。

對于現(xiàn)車的復(fù)雜故障、疑難故障、系統(tǒng)故障，應(yīng)用制動系統(tǒng)綜合試驗臺進行故障模擬、再現(xiàn)和分析，能早期發(fā)現(xiàn)故障成因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢。通過制動系統(tǒng)試驗平臺研究故障發(fā)生機理并對現(xiàn)車提出有針對性的改進建議，進一步提高制動系統(tǒng)的固有可靠性，從而保證和諧號動車組制動系統(tǒng)運行的安全性與可靠性。

圖4 和諧號動車組制動系統(tǒng)實尺試驗臺

3.2 利用制動系統(tǒng)部件試驗臺進行故障再現(xiàn)和分析

和諧號動車組制動系統(tǒng)應(yīng)用車載診斷技術(shù)能夠快速準確識別故障并判定故障位置，向維修人員提出指導(dǎo)建議。但是對于諸如制動盤和閘片等與運用工況、環(huán)境密切相關(guān)核心部件，以及中繼閥、溢流閥等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣動控制類元件等，明確故障成因則需要專用的部件試驗臺來完成。利用安裝在部件試驗臺上的傳感器、計算機等監(jiān)測裝置或監(jiān)控系統(tǒng)，實時記錄監(jiān)測點的性能參數(shù)，再通過計算機分析處理，來確認部件的故障點。

圖5 一種和諧號動車組制動系統(tǒng)部件試驗臺

利用制動系統(tǒng)部件試驗臺可進行關(guān)鍵部件的功能試驗、性能試驗、可靠性試驗、疲勞試驗等。對于故障部件和元件，采用性能參數(shù)分析法和部件分解法等試驗方法和手段，排查故障根本原因。對于典型部件故障可通過改進與優(yōu)化設(shè)計，增強其固有可靠性。

3.3 利用制動系統(tǒng)硬件在回路仿真測試平臺進行故障再現(xiàn)和分析

對于制動系統(tǒng)的故障，很多環(huán)境條件無法再現(xiàn)的，抑或要付出高昂的代價，如不同工況，不同環(huán)境（雨、雪、風、冰等）下的測試，如果用真實的動車組必然要花費相當長的時間，付出高昂測試費用。硬件在回路仿真平臺（HIL）是一整套計算機輔助測試的工具和方法，通過HIL系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境中對制動系統(tǒng)及軟件進行大量故障試驗，而無需真實的高速動車組或制動系統(tǒng)原型。這種試驗系統(tǒng)性強，成本低，而且非常安全，即使測試中超過極限條件，也不會造成任何損壞。并且可以模擬制動系統(tǒng)不同的工作環(huán)境和工作條件，自動的對控制系統(tǒng)進行全面批量測試。

硬件在回路仿真平臺屬于半實物仿真。半實物仿真是目前流行的對復(fù)雜系統(tǒng)進行研究和開發(fā)的手段，半實物仿真即避免了全虛擬仿真帶來的眾多參數(shù)的選取獲得和復(fù)雜實物系統(tǒng)難以模擬的問題，又解決了全部采用實物試驗帶來的高成本和長試驗周期的問題。在建立制動系統(tǒng)的虛擬仿真模型基礎(chǔ)上，通過通信協(xié)議和硬件進行聯(lián)合的半實物仿真，然后在硬件在回路仿真測試系統(tǒng)中進行典型的故障注入來測試系統(tǒng)對故障的響應(yīng)和處理能力。

圖6 制動系統(tǒng)硬件在回路仿真測試平臺

4 結(jié)論

和諧號制動系統(tǒng)具有良好的故障診斷和故障導(dǎo)向安全控制功能，與動車組其他系統(tǒng)之間采用了車載交互式診斷技術(shù)，即使制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也能保證列車安全停車，或在可控狀態(tài)下安全運行。

針對和諧號動車組制動系統(tǒng)的現(xiàn)車故障再現(xiàn)和分析技術(shù)，能夠真實的還原故障發(fā)生時的工況、故障經(jīng)過、故障的原因、故障特征等，從而指導(dǎo)故障定位和維修。

針對和諧號制動系統(tǒng)的復(fù)雜故障、疑難故障等，結(jié)合試驗臺等故障再現(xiàn)和分析手段和方法，可排查故障原因并消除故障隱患。

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