軌道交通車(chē)輛制動(dòng)管理方式探討

吳明趙 楊 俊 孫環(huán)陽(yáng) 馬 璐

(南京中車(chē)浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 210084， 南京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

軌道交通車(chē)輛有兩種比較常見(jiàn)的制動(dòng)方式：牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦制動(dòng)。其中，摩擦制動(dòng)又分為空氣制動(dòng)和液壓制動(dòng)兩種方式。高鐵、動(dòng)車(chē)組和地鐵車(chē)輛多數(shù)采用空氣制動(dòng)方式；新型城市軌道交通車(chē)輛，如有軌電車(chē)、跨座式單軌和懸掛式單軌車(chē)，由于車(chē)輛空間限制，絕大多數(shù)采用液壓制動(dòng)方式。在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中列車(chē)一般采用混合制動(dòng)形式，優(yōu)先發(fā)揮牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)力，如實(shí)際電制動(dòng)力不能滿(mǎn)足制動(dòng)要求時(shí)，用摩擦制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。在混合制動(dòng)的過(guò)程中，需要基于整列車(chē)或者特定編組車(chē)輛為單位，對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算和分配，因此便逐漸形成了制動(dòng)管理的概念。隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展，列車(chē)減速度控制技術(shù)、ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)模式以及無(wú)人駕駛技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)列車(chē)制動(dòng)控制要求越來(lái)越高，要求對(duì)制動(dòng)力的控制更加的精準(zhǔn)，因此制動(dòng)管理水平的高低也直接影響著車(chē)輛的性能。

由于高鐵列車(chē)、動(dòng)車(chē)組以及城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)用場(chǎng)景的不同，加上國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠(chǎng)在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案上存在差異，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛在制動(dòng)管理主體、電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的施加等方面呈現(xiàn)了多種方式。文獻(xiàn)[1]僅從響應(yīng)時(shí)間的角度對(duì)兩種不同制動(dòng)管理方式進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[2-3]分別僅對(duì)特定的動(dòng)車(chē)組和地鐵車(chē)輛中與制動(dòng)管理相關(guān)的信號(hào)在各單元之間的傳輸進(jìn)行了說(shuō)明；文獻(xiàn)[4-9]側(cè)重于研究和分析電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的制動(dòng)力分配方案。因此，有必要對(duì)國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛不同的制動(dòng)管理方式進(jìn)行分析和研究。

1 制動(dòng)管理概述

制動(dòng)管理一般基于整列車(chē)或者一定編組為單位，由特定的微機(jī)控制部件來(lái)負(fù)責(zé)計(jì)算總的制動(dòng)力需求，并向各相關(guān)制動(dòng)執(zhí)行單元分配制動(dòng)力。根據(jù)軌道交通車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)用來(lái)看，一般由TCMS(列車(chē)控制管理系統(tǒng))的核心部件VCU(車(chē)輛控制單元)或者制動(dòng)系統(tǒng)的EBCU(電子控制單元)來(lái)承擔(dān)列車(chē)制動(dòng)管理的職能。VCU負(fù)責(zé)列車(chē)制動(dòng)管理時(shí)，牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)不進(jìn)行制動(dòng)力計(jì)算，僅根據(jù)VCU分配的制動(dòng)力請(qǐng)求，各自施加電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力。當(dāng)由制動(dòng)系統(tǒng)的EBCU負(fù)責(zé)列車(chē)制動(dòng)管理時(shí)，VCU不參與制動(dòng)計(jì)算，只負(fù)責(zé)傳輸制動(dòng)級(jí)位等相關(guān)信息，EBCU負(fù)責(zé)計(jì)算總制動(dòng)力需求并根據(jù)牽引系統(tǒng)反饋的實(shí)際電制動(dòng)力計(jì)算，補(bǔ)充施加摩擦制動(dòng)力。

2 典型制動(dòng)管理方式

根據(jù)制動(dòng)管理主體的不同以及電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的施加方式的差異，可以將軌道交通車(chē)輛的制動(dòng)管理方式歸納為以下幾種典型方式。

2.1 方式1：VCU集中式管理

該方式由VCU負(fù)責(zé)整列車(chē)的制動(dòng)管理，VCU根據(jù)制動(dòng)級(jí)位和車(chē)輛載荷計(jì)算總制動(dòng)力需求；VCU分別向各車(chē)TCU(牽引控制單元)和EBCU請(qǐng)求電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力。TCU和EBCU根據(jù)請(qǐng)求力值施加制動(dòng)力，不負(fù)責(zé)制動(dòng)計(jì)算。這種制動(dòng)管理方式在有軌電車(chē)和單軌車(chē)領(lǐng)域運(yùn)用比較普遍。比如，國(guó)內(nèi)車(chē)輛主機(jī)廠(chǎng)從龐巴迪等公司引進(jìn)的平臺(tái)有軌電車(chē)以及跨座式單軌車(chē)均采用該種制動(dòng)管理方式。VCU集中式管理的典型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向圖(方式1)

在“VCU集中式管理”方式下，各相關(guān)部件的功能描述如下：

1) VCU功能。匯總各車(chē)載荷后計(jì)算全列車(chē)質(zhì)量；匯總并判斷各車(chē)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的可用狀態(tài)；接收制動(dòng)級(jí)位指令；根據(jù)制動(dòng)指令、車(chē)重計(jì)算需施加的總制動(dòng)力；根據(jù)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)可用情況進(jìn)行制動(dòng)力計(jì)算和分配；根據(jù)制動(dòng)力分配方案向各車(chē)請(qǐng)求電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力；根據(jù)各車(chē)反饋的實(shí)際電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力，對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行二次分配(如需要)。

2) TCU功能。根據(jù)VCU的電制動(dòng)力請(qǐng)求發(fā)揮電制動(dòng)力；向VCU反饋實(shí)際電制動(dòng)力；向VCU反饋電制動(dòng)可用狀態(tài)。

3) EBCU功能。根據(jù)摩擦制動(dòng)力請(qǐng)求施加摩擦制動(dòng)力；反饋實(shí)際摩擦制動(dòng)力；反饋液壓制動(dòng)可用狀態(tài)。

2.2 方式2：TCU自律+EBCU分布式管理

這種制動(dòng)管理方式下，TCU根據(jù)制動(dòng)級(jí)位和車(chē)輛載荷自主計(jì)算需施加電制動(dòng)力；各車(chē)EBCU根據(jù)制動(dòng)級(jí)位和車(chē)輛載荷以及實(shí)際電制動(dòng)力反饋，基于全列車(chē)進(jìn)行制動(dòng)力管理并計(jì)算本車(chē)應(yīng)施加的摩擦制動(dòng)力。其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向圖(方式2)

在“TCU自律+EBCU分布式管理”方式下，各部件具有如下功能：

1) VCU功能。匯總各車(chē)載荷后計(jì)算全列車(chē)質(zhì)量，并下發(fā)各TCU和EBCU；匯總各車(chē)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的可用狀態(tài)，并下發(fā)各TCU和EBCU；接收制動(dòng)級(jí)位指令并轉(zhuǎn)發(fā)給TCU和EBCU；匯總各車(chē)的電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力反饋，并下發(fā)各TCU和EBCU。

2) TCU功能。根據(jù)VCU的載荷信息和制動(dòng)級(jí)位信息計(jì)算所需施加的電制動(dòng)力，并發(fā)揮電制動(dòng)力；向VCU反饋實(shí)際電制動(dòng)力；向VCU反饋電制動(dòng)可用狀態(tài)。

3) EBCU功能。各車(chē)EBCU各自根據(jù)VCU的載荷信息、制動(dòng)級(jí)位信息計(jì)算總制動(dòng)力需求；各車(chē)EBCU根據(jù)各車(chē)實(shí)際電制動(dòng)力計(jì)算總摩擦制動(dòng)力需求；各車(chē)EBCU根據(jù)電制動(dòng)可用狀態(tài)、摩擦制動(dòng)可用狀態(tài)對(duì)各車(chē)摩擦制動(dòng)力進(jìn)行分配；各車(chē)EBCU根據(jù)分配計(jì)算的結(jié)果施加摩擦制動(dòng)力；各車(chē)EBCU根據(jù)反饋的實(shí)際摩擦制動(dòng)力進(jìn)行二次分配計(jì)算(如需要)；向VCU反饋實(shí)際摩擦制動(dòng)力；向VCU反饋摩擦制動(dòng)可用狀態(tài)。

2.3 方式3：TCU自律+EBCU集中式管理

TCU根據(jù)制動(dòng)級(jí)位和車(chē)輛載荷自主計(jì)算需施加的電制動(dòng)力；制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置主、從EBCU；主EBCU基于制動(dòng)級(jí)位和車(chē)輛載荷計(jì)算全列車(chē)所需制動(dòng)力，主EBCU根據(jù)TCU實(shí)際反饋電制動(dòng)力，向各從EBCU請(qǐng)求需補(bǔ)充施加的摩擦制動(dòng)力，各從EBCU根據(jù)主EBCU的請(qǐng)求施加摩擦制動(dòng)力。其典型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

在“TCU自律+EBCU集中式管理”方式下，各部件具有如下功能：

1) VCU功能。匯總各車(chē)載荷后計(jì)算全列車(chē)質(zhì)量，并下發(fā)各TCU和EBCU；匯總各車(chē)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的可用狀態(tài)，并下發(fā)；接收制動(dòng)級(jí)位指令并轉(zhuǎn)發(fā)給TCU和EBCU；匯總各車(chē)的電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力反饋，并下發(fā)。

2) TCU功能。根據(jù)VCU的載荷信息和制動(dòng)級(jí)位信息計(jì)算所需施加的電制動(dòng)力，并發(fā)揮電制動(dòng)力向EBCU反饋實(shí)際電制動(dòng)力；向EBCU反饋電制動(dòng)可用狀態(tài)。

3) EBCU功能。主EBCU根據(jù)載荷信息、制動(dòng)級(jí)位信息計(jì)算總制動(dòng)力需求；主EBCU根據(jù)各車(chē)實(shí)際電制動(dòng)力計(jì)算總摩擦制動(dòng)力需求；主EBCU根據(jù)電制動(dòng)可用狀態(tài)、摩擦制動(dòng)可用狀態(tài)對(duì)各車(chē)摩擦制動(dòng)力進(jìn)行分配；各EBCU根據(jù)分配結(jié)果施加摩擦制動(dòng)力；各車(chē)EBCU根據(jù)反饋的實(shí)際摩擦制動(dòng)力進(jìn)行二次分配計(jì)算(如需要)；向VCU反饋實(shí)際摩擦制動(dòng)力；向VCU反饋摩擦制動(dòng)可用狀態(tài)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向圖(方式3)

2.4 方式4：EBCU集中式管理

由EBCU負(fù)責(zé)整列車(chē)制動(dòng)力管理。制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置主、從EBCU；主EBCU基于制動(dòng)級(jí)位和車(chē)輛載荷計(jì)算總制動(dòng)力需求；主EBCU向各TCU請(qǐng)求電制動(dòng)力，向各從EBCU請(qǐng)求補(bǔ)充施加摩擦制動(dòng)力，各從EBCU根據(jù)主EBCU的請(qǐng)求施加摩擦制動(dòng)力。其典型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向圖(方式4)

在“EBCU集中式管理”方式下，各部件具有如下功能：

1) VCU功能。匯總各車(chē)載荷后計(jì)算全列車(chē)質(zhì)量，并下發(fā)各TCU和EBCU；接收制動(dòng)級(jí)位指令并轉(zhuǎn)發(fā)給TCU和EBCU。

2) TCU功能。根據(jù)主EBCU的電制動(dòng)力請(qǐng)求發(fā)揮電制動(dòng)力；向主EBCU反饋實(shí)際電制動(dòng)力；向主EBCU反饋電制動(dòng)可用狀態(tài)。

3) EBCU功能。主EBCU根據(jù)載荷信息、制動(dòng)級(jí)位信息計(jì)算總制動(dòng)力需求；主EBCU根據(jù)各車(chē)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)可用狀態(tài)(或能力值)對(duì)各車(chē)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)力分配；各EBCU根據(jù)分配結(jié)果施加摩擦制動(dòng)力；主EBCU根據(jù)反饋的實(shí)際電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力進(jìn)行二次分配(如需要)；向VCU反饋實(shí)際摩擦制動(dòng)力；向VCU反饋摩擦制動(dòng)可用狀態(tài)。

3 制動(dòng)管理方式對(duì)比分析

3.1 指令傳輸差異對(duì)比

由于牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)能力屬于其固有特性，本文側(cè)重于對(duì)不同制動(dòng)管理方式下的指令在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟町愡M(jìn)行分析。實(shí)際上，不同車(chē)輛的制動(dòng)信號(hào)傳遞時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度、網(wǎng)絡(luò)層級(jí)數(shù)均有關(guān)系，這里僅對(duì)在同一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下制動(dòng)指令接收/處理主體、制動(dòng)力計(jì)算/分配主體以及相應(yīng)的傳輸路徑進(jìn)行了分析，具體如下：

方式1：①指令接收/處理【TCMS】→③制動(dòng)力計(jì)算【TCMS】。

方式2：①指令接收/處理【TCMS】→②指令傳輸【TCMS→TCU/EBCU】→③制動(dòng)力計(jì)算【TCU/EBCU】。

方式3：①指令接收/處理【TCMS】→②指令傳輸【TCMS→TCU/EBCU】→③制動(dòng)力計(jì)算/分配【TCU/主EBCU】→④需求制動(dòng)力傳輸【主EBCU→從EBCU】。

方式4：①指令接收/處理【TCMS】→②指令傳輸【TCMS→主EBCU】→③制動(dòng)力計(jì)算/分配【主EBCU】→④需求制動(dòng)力傳輸【主EBCU→TCU、從EBCU】。

可以看出，方式1和2從指令接收、處理及傳輸?shù)倪^(guò)程相對(duì)較少；方式3在方式1、2的基礎(chǔ)上增加了主EBCU分配制動(dòng)力至從EBCU的過(guò)程；方式4再增加主EBCU處理和分配制動(dòng)力至各TCU的過(guò)程。

3.2 網(wǎng)絡(luò)控制復(fù)雜度對(duì)比

在VCU集中式管理方式下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成了制動(dòng)管理功能，牽引和制動(dòng)系統(tǒng)分別只負(fù)責(zé)電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)力的施加控制，牽引與制動(dòng)系統(tǒng)之間直接交互的信息較少。另外，各車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)接口也相對(duì)獨(dú)立。該方式不適用于車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)功能和制動(dòng)管理功能比較復(fù)雜的車(chē)輛，否則，可能將影響系統(tǒng)之間通信的實(shí)時(shí)性。

如果對(duì)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)有比較復(fù)雜的制動(dòng)管理和功能要求時(shí)(如高速動(dòng)車(chē)組設(shè)置了列車(chē)級(jí)/網(wǎng)段級(jí)/單元級(jí)制動(dòng)管理單元、車(chē)上制動(dòng)試驗(yàn)等)，EBCU集中式管理這種方式將突顯其優(yōu)勢(shì)。但是，EBCU集中式管理除了在總線(xiàn)上要傳輸相關(guān)狀態(tài)量之外，還需要傳輸重要的控制指令信號(hào)，因此對(duì)通信總線(xiàn)的可靠性要求更高。很多地鐵車(chē)輛上甚至使用了制動(dòng)專(zhuān)網(wǎng)，以保證制動(dòng)管理功能的可靠。另外，在該種方式下，牽引系統(tǒng)只根據(jù)EBCU分配施加電制動(dòng)力，不負(fù)責(zé)制動(dòng)力計(jì)算，與牽引系統(tǒng)耦合度高。隨著專(zhuān)業(yè)化程度的加深，由EBCU負(fù)責(zé)制動(dòng)管理也逐漸成為一種趨勢(shì)。

在EBCU分布式管理方式下，網(wǎng)絡(luò)只傳輸相關(guān)的狀態(tài)信號(hào)，基本無(wú)控制信號(hào)，管理方式相對(duì)集中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性要求偏低。

3.3 制動(dòng)控制統(tǒng)一性及精確度對(duì)比

在TCU自律的制動(dòng)管理方式下，各TCU單元分別自主計(jì)算并施加電制動(dòng)力。對(duì)于基于“優(yōu)先發(fā)揮電制動(dòng)，不足部分由摩擦制動(dòng)補(bǔ)足”原則設(shè)計(jì)的車(chē)輛，電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)接口相對(duì)比較簡(jiǎn)單。但是需牽引和制動(dòng)系統(tǒng)按照約定的規(guī)則執(zhí)行完成電制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的匹配。而在TCMS集中式管理和EBCU集中式管理方式下，全列車(chē)統(tǒng)一由TCMS或主EBCU進(jìn)行制動(dòng)力的計(jì)算和分配，控制主體唯一，因此在控制的統(tǒng)一性以及精確度方面相對(duì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

綜上，各種制動(dòng)管理方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 各種制動(dòng)管理方式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比表

4 運(yùn)用建議

不同類(lèi)型的軌道交通車(chē)輛在運(yùn)用特點(diǎn)、技術(shù)要求以及制造成本等方面均有一定的差異。比如：動(dòng)車(chē)組、高鐵列車(chē)由于運(yùn)行速度較高，車(chē)輛功能相對(duì)復(fù)雜，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性要求更高，因此一般采用EBCU集中式管理更為合適；對(duì)于城市軌道交通車(chē)輛，由于站間距較短，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)的要求較高，并且由于站臺(tái)設(shè)置屏蔽門(mén)，對(duì)制動(dòng)停車(chē)精度要求較高，采用TCU自律+EBCU集中式管理的方式比較合適；另外，城市軌道交通車(chē)輛作為公共交通的一種重要方式，也需要在設(shè)計(jì)時(shí)把成本因素的限制作為一個(gè)重要考慮因素，可以靈活采用EBCU分布式管理或VCU集中式管理。

因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)高鐵列車(chē)、動(dòng)車(chē)組及各種城市軌道交通的車(chē)輛類(lèi)型，結(jié)合其運(yùn)用特點(diǎn)，針對(duì)性地給出了不同制動(dòng)管理方式的建議，如表2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，不同制動(dòng)管理方式在數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)控制復(fù)雜度和控制統(tǒng)一性等方面存在一定的差異，針對(duì)不同類(lèi)型的軌道交通車(chē)輛制式和運(yùn)用場(chǎng)景，選用適合的制動(dòng)管理方式，可以有利于更好地發(fā)揮制動(dòng)效果，提升車(chē)輛性能。本文在對(duì)4種制動(dòng)管理方式的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)高鐵列車(chē)、動(dòng)車(chē)組以及城市軌道交通車(chē)輛，給出了相應(yīng)的制動(dòng)管理方式的建議，對(duì)實(shí)際工程運(yùn)用具有一定的參考意義。

表2 制動(dòng)管理方式建議表