高速動車組車載地震緊急處置裝置自動控車方案研究*

周 軍，于鵬超，溫熙圓，童修偉，付 波，任志剛

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

我國是一個地震災(zāi)害嚴重的國家，地震災(zāi)害對高速列車運行安全的影響不容忽視。我國歷經(jīng)多年高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的研制，經(jīng)過技術(shù)條件制訂、技術(shù)方案研究、設(shè)計研發(fā)、試驗驗證、運用考核和技術(shù)評審，已形成成套地震預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)品，全面實現(xiàn)了預(yù)期的地震預(yù)警和緊急處置能力，對我國高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)的發(fā)展具有重大的意義。車載地震緊急處置裝置作為高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，在地震緊急控車方面起到關(guān)鍵作用，尤其是在地震警報處置及時性方面尤為顯著［1-2］。

目前，我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)采用車載地震緊急處置裝置實現(xiàn)控車功能，主要由車載地震主機、車載地震終端、組合天線、天饋線以及相應(yīng)的連接電纜組成。車載地震緊急處置裝置通過GPRS方式接收地面監(jiān)測臺站發(fā)送的地震警報信息，并根據(jù)警報級別觸發(fā)動車組制動。當(dāng)接收到I級警報時，通過車載地震終端的“聲光報警”方式提示司機手動施加最大常用制動，限速運行；當(dāng)接收到地震II級、III級警報時，自動觸發(fā)動車組的緊急制動，使動車組緊急停車［3-4］，如圖1所示。

圖1 車載地震緊急處置裝置當(dāng)前控車處置方式

由于地震是小概率事件，司機長期遇不到此類情況，一旦真的發(fā)生地震預(yù)警，司機很難快速做出準(zhǔn)確判斷，容易誤操作，存在安全隱患。此外，從地震預(yù)警到地震發(fā)生，時間在短短的幾秒鐘之內(nèi)，動車組運行中，司機注意力主要集中在瞭望和操縱列車，特別是遇到非正常行車和處置故障時，當(dāng)?shù)卣痤A(yù)警語言提示時，司機顧不上也不能在幾秒鐘內(nèi)做出迅速反應(yīng)并采取制動措施。因此，I級警報的處置方式由司機進行人工控制，響應(yīng)速度在很大程度上受司機操控的影響，不利于提高地震緊急處置的快速性、及時性和準(zhǔn)確性。因此，對車載地震緊急處置裝置I級警報處置方式的優(yōu)化方案研究已顯得十分必要［5］。

1 車載地震自動控車裝置硬件組成

基于前期車載地震緊急處置裝置研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上，針對動車組目前對I級地震警報信息處置的快速性、及時性和準(zhǔn)確性的實際需求，設(shè)計了一種車載地震自動控車裝置。

車載地震自動控車裝置主要由機箱、背板、電源板（冗余）、接口板、MVB通信板、存儲板、顯示板和GSM-R通信單元以及連接器和相關(guān)線纜組成，各板卡之間采用標(biāo)準(zhǔn)CAN總線進行通信，支持熱插拔技術(shù)［6］。車載地震自動控車裝置系統(tǒng)組成、車載地震自動控車裝置三維模型如圖2、圖3所示。

圖2 車載地震自動控車裝置組成

圖3 車載地震自動控車裝置三維模型

（1）機箱和背板

機箱和背板（型號BP84B）是標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，插槽采用哈丁96針，符合DIN 41612標(biāo)準(zhǔn)要求，分別以機械方式和電氣方式與各板卡連接。背板決定了用于連接電源和其他板卡的插槽的數(shù)目，實現(xiàn)了各電源板、接口板、MVB板、存儲板、顯示板和GSM-R通信單元之間的電氣連接。

（2）電源板

電源板（型號PW02B）為車載地震自動控車裝置的其他板卡提供不同制式的工作電源，包括有DC 24 V、DC 12 V、DC 5 V的電壓，對應(yīng)電壓制式的電流可以在2塊冗余電源板卡之間進行均流和同步。電源板前面板共有4個LED燈來指示電源供電工作狀態(tài)。電源板采用冗余設(shè)計，一塊電源板故障可采用另一塊電源板繼續(xù)供電。為滿足電磁兼容的浪涌、共模抑制等要求的特殊電路，電源板卡具有濾波器功能。

（3）MVB通信板

MVB通信板（型號CM04A）能夠滿足MVB多功能列車總線以及CAN總線的通訊需求，是車載地震自動控車裝置的主控單元板，完成邏輯運算和MVB通信功能。

（4）接口板

接口板（型號EX01B）是車載地震自動控車裝置的外部擴展組件，實現(xiàn)對數(shù)字量、頻率量的數(shù)字隔離式輸入輸出以及繼電器控制的功能。

（5）顯示板

顯示板（型號CM06A）具有4位LED顯示功能，可實時顯示故障代碼及狀態(tài)信息；通過CAN總線與服務(wù)終端通信，可以實現(xiàn)程序下載、數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。

（6）存儲板

存儲板（型號CM07A）具有程序下載、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、以太網(wǎng)通信等功能。

（7）GSM-R通信單元

GSM-R通信單元包括無線通信板和通信控制板，采用GPRS通信方式接收地震警報信息（I級警報、Ⅱ級警報和Ⅲ級警報），并將警報信息傳送給MVB通信板。

2 自動控車方案設(shè)計

2.1 電氣接口設(shè)計

車載地震自動控車裝置由車輛供電，電源電壓DC 110 V，電源冗余配置。車載地震自動控車裝置通過MVB總線與中央控制單元CCU通信，將地震預(yù)警級別發(fā)送給CCU，用于指令傳輸、狀態(tài)存儲及顯示。此外，車載地震自動控車裝置輸出緊急繼電器控制指令，并回采緊急繼電器動作狀態(tài)以及緊急繼電器隔離開關(guān)狀態(tài)。車載地震自動控車裝置還預(yù)留裝置主機動作狀態(tài)和裝置主機工作狀態(tài)2個輸出信號，用于今后車輛對車載裝置的狀態(tài)讀取。車載地震自動控車裝置的電氣接口如圖4所示。

圖4 車載地震自動控車裝置電氣接口圖

緊急繼電器由動車組供電，為雙觸點，一路常閉觸點（斷開緊急環(huán)路），一路常開觸點（緊急繼電器動作狀態(tài)）。隔離開關(guān)應(yīng)位于司機室，便于司機操作。隔離開關(guān)采用雙路觸點（常開），一路隔離，一路狀態(tài)回采。

GSM-R通訊單元通過相關(guān)線纜連接到對應(yīng)的車頂天線。

2.2 警報信息處置方式

車載地震自動控車裝置的GSM-R通信單元采用GPRS通信方式接收鐵路局中心系統(tǒng)發(fā)送的地震緊急處置信息（I級警報、Ⅱ級警報或Ⅲ級警報），并通過內(nèi)部背板CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給MVB通信板。當(dāng)MVB通信板收到I級警報時，通過MVB網(wǎng)絡(luò)將I級警報信息和160 km/h限速運行指令發(fā)送到中央控制單元CCU（Central Control Unit）；若此時列車速度高于160 km/h，中央控制單元CCU通過MVB網(wǎng)絡(luò)向制動控制單元BCU（Brake Control Unit）發(fā)送最大常用制動請求，制動控制單元BCU施加最大常用制動減速。同時，中央控制單元CCU將警報信息通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給HMI，用于顯示和報警。當(dāng)中央控制單元CCU監(jiān)測到列車速度低于160 km/h或接收到MVB通信板發(fā)送的解除160 km/h限速運行時，解除最大常用制動請求，制動控制單元BCU緩解最大常用制動。

當(dāng)MVB通信板接收到Ⅱ級警報或Ⅲ級警報時，通過CAN總線控制接口板發(fā)出緊急繼電器控制指令，控制緊急繼電器斷開緊急制動安全環(huán)路，觸發(fā)緊急制動。同時，車載地震自動控車裝置的接口板回采裝置隔離開關(guān)狀態(tài)和緊急繼電器動作狀態(tài)。車載地震自動控車裝置將上述信息通過MVB通信板傳輸給CCU，用于狀態(tài)存儲和顯示。車載地震自動控車裝置的信息傳輸及功能控制如圖5所示。

圖5 車載地震自動控車裝置信息傳輸及功能控制

2.3 數(shù)據(jù)存儲

車載地震自動控車裝置的存儲板CM07A可存儲裝置的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，最大存儲空間2 GB?？赏ㄟ^存儲板CM07A的以太網(wǎng)總線接口實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的下載。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控及程序下載

車載地震自動控車裝置的服務(wù)終端可通過以太網(wǎng)總線（存儲板CM07A）或CAN總線（顯示板CM 06A）接口與主機相連，實現(xiàn)板卡的信息讀取、I/O控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、應(yīng)用程序下載等功能。顯示板CM 06A具有4位LED數(shù)碼管，用于顯示故障代碼或狀態(tài)信息。

GSM-R通信控制單元通過MPLAB IPE進行相關(guān)程序下載；通過調(diào)試信息輸出端口可以監(jiān)測車地通信和主機內(nèi)部CAN通信的數(shù)據(jù)交互內(nèi)容。

3 室內(nèi)試驗驗證

通過PC上位機模擬中央控制單元CCU與自動控車裝置進行MVB通信，同時模擬鐵路局中心系統(tǒng)與自動控車裝置進行GPRS通信，搭建了自動控車裝置的試驗室模擬環(huán)境。通過模擬發(fā)送不同工況下的地震緊急處置信息，對自動控車裝置的功能進行了驗證，并記錄了試驗數(shù)據(jù)，其中涉及的信號見表1。

表1 試驗相關(guān)信號說明

3.1 地震I級模擬試驗

（1）試驗過程

模擬發(fā)送地震I級警報及I級警報解除，記錄自動控車裝置的運行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析

當(dāng)自動控車裝置接收到的地震緊急處置信息為“閾值報警I級”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm?Level=1）時，向CCU發(fā)出“160 km/h限速運行”指令（Apply_SpeedLimit=1），通知CCU觸發(fā)最大常用制動，如圖6所示。

圖6 地震I級警報觸發(fā)時的數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)?shù)卣鹁o急處置信息變?yōu)椤熬瘓蠼獬保―2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）時，自動控車裝置解除“160 km/h限速運行”（Apply_Speed?Limit=0），如圖7所示。

圖7 地震I級警報解除時的數(shù)據(jù)記錄

3.2 地震II級模擬試驗

（1）試驗過程

模擬發(fā)送地震II級警報及II級警報解除，記錄自動控車裝置的運行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析

當(dāng)自動控車裝置接收到的地震緊急處置信息為“閾值報警II級”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm?Level=2）時，發(fā)出緊急繼電器控制指令（A3_EB_Relay_Active=1），觸發(fā)緊急繼電器動作，使動車組施加緊急制動，如圖8所示。

圖8 地震II級警報觸發(fā)時的數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)?shù)卣鹁o急處置信息變?yōu)椤熬瘓蠼獬保―2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）且 接 收 到CCU發(fā)送的解除制動請求時，自動控車裝置解除緊急繼電器控制（A3_EB_Relay_Active=0），復(fù)位緊急繼電器，使動車組緩解緊急制動，如圖9所示。

圖9 地震II級警報解除時的數(shù)據(jù)記錄

3.3 地震III級模擬試驗

（1）試驗過程

模擬發(fā)送地震III級警報及III級警報解除，記錄自動控車裝置的運行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析

當(dāng)自動控車裝置接收到的地震緊急處置信息為“閾值報警III級”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm?Level=3）時，發(fā)出緊急繼電器控制指令（A3_EB_Relay_Active=1），觸發(fā)緊急繼電器動作，使動車組施加緊急制動，如圖10所示。

圖10 地震III級警報觸發(fā)時的數(shù)據(jù)記錄

之后，當(dāng)?shù)卣鹁o急處置信息變?yōu)椤熬瘓蠼獬保―2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）且 接 收 到CCU發(fā)送的解除制動請求時，自動控車裝置解除緊急繼電器控制（A3_EB_Relay_Active=0），復(fù)位緊急繼電器，使動車組緩解緊急制動，如圖11所示。

圖11 地震III級警報解除時的數(shù)據(jù)記錄

3.4 試驗結(jié)果分析

通過上述室內(nèi)功能模擬試驗，驗證了自動控車裝置功能的有效性和可靠性，結(jié)論如下：

（1）當(dāng)接收到地震I級警報時，自動控車裝置通過MVB網(wǎng)絡(luò)向CCU發(fā)出“160 km/h限速運行”指令，通知CCU觸發(fā)最大常用制動；當(dāng)警報解除時，自動控車裝置解除“160 km/h限速運行”。

（2）當(dāng)接收到地震II級或地震III級警報時，自動控車裝置發(fā)出緊急繼電器控制指令，觸發(fā)動車組的緊急制動；當(dāng)警報解除且接收到CCU發(fā)送的解除制動指令時，解除緊急繼電器控制，緩解緊急制動。

4 結(jié)論

在基于前期車載地震緊急處置裝置研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上，針對動車組目前對I級地震警報信息處置的快速性、及時性和準(zhǔn)確性的實際需求，設(shè)計了一種車載地震自動控車裝置，并提出了自動控車技術(shù)方案，包括系統(tǒng)組成、接口設(shè)計、警報信息處置方式等。室內(nèi)模擬試驗結(jié)果也驗證了車載地震自動控車裝置功能的有效性和可靠性，為今后車載地震自動控車裝置的工程推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。