高速列車電子制動控制單元國產(chǎn)化工程實(shí)踐

袁 場， 周 鵬

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

2007 年，CRH 型和諧號動車組通過引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的方式開始上線運(yùn)營， 成功實(shí)現(xiàn)國內(nèi)高速列車250km/h 及以上的運(yùn)行速度；2013 年，在鐵路總公司的帶領(lǐng)下， 開始研制完全自主創(chuàng)新的時(shí)速350km/h 復(fù)興號動車組產(chǎn)品， 經(jīng)過4 年的開發(fā)創(chuàng)新于2017 年成功上線運(yùn)營。和諧號動車組的引進(jìn)到復(fù)興號動車組的正式運(yùn)營，中國高速列車用了10 年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了完全自主創(chuàng)新的目標(biāo)，邁出了從無到有，從追趕到領(lǐng)跑的關(guān)鍵一步。

電子制動控制單元[1]（Electronic Braking Control Unit，簡稱EBCU）是高度自動化、智能化的高性能、高可靠性的微機(jī)系統(tǒng)。作為高速列車制動系統(tǒng)的大腦，電子制動控制單元通過接收列車網(wǎng)絡(luò)和硬線等媒介傳輸?shù)目刂菩盘枺C合采集到的列車管壓力、列車速度等信號特征，實(shí)現(xiàn)高速列車的常用制動、快速制動、保持制動、停放制動、空壓機(jī)管理等功能。 與此同時(shí)，EBCU 實(shí)時(shí)進(jìn)行車輪狀態(tài)的滑行監(jiān)控、保護(hù)和控制，對列車可能存在的故障、失效等情況進(jìn)行診斷、上報(bào)，保證高速列車的行車安全。

電子制動控制單元作為高速列車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，隨著整車的自主化，順利從引進(jìn)吸收的道路邁向自主創(chuàng)新，逐步開始國產(chǎn)化的征程。 在國產(chǎn)化的道路上，電子制動控制單元的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用等環(huán)節(jié)將面臨一系列的機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)，需要提前部署有效的保障措施。

1 國產(chǎn)化現(xiàn)狀

近年來隨著我國科技實(shí)力的快速提升， 西方國家加強(qiáng)對我國的技術(shù)封鎖和限制，包括技術(shù)轉(zhuǎn)讓、原材料供應(yīng)等。 尤其2018 年中美貿(mào)易戰(zhàn)事件，美國對中興、華為等企業(yè)實(shí)施出口限制，禁止其相應(yīng)的供應(yīng)商提供服務(wù)，導(dǎo)致電子元器件等原材料供貨量出現(xiàn)斷崖式不足、 關(guān)鍵技術(shù)無法完全消化吸收，加劇了國內(nèi)整機(jī)制造商的風(fēng)險(xiǎn)和危機(jī)。此事件的發(fā)生導(dǎo)致國內(nèi)各行各業(yè)包括軌道交通行業(yè)均拉響了警報(bào)， 也加速了高速列車各關(guān)鍵子系統(tǒng)集成制造商將自主產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的進(jìn)程。

國產(chǎn)化將由原來的在國內(nèi)制造生產(chǎn)、 進(jìn)口國外零部件在國內(nèi)進(jìn)行組裝、 國外公司在國內(nèi)設(shè)立企業(yè)對設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)組裝等方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛趪a(chǎn)電子元器件、 國產(chǎn)材料等進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組裝以及驗(yàn)證，擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)的模式。 電子制動控制單元也將由原來的進(jìn)口零部件完全替換為國產(chǎn)化零部件， 在自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)真正的國產(chǎn)化。

2 國產(chǎn)化面臨的機(jī)遇

2.1 國產(chǎn)化意識的加強(qiáng)

高速列車電子制動控制單元的自主創(chuàng)新之路在2011 年已經(jīng)開展，在引進(jìn)消化的基礎(chǔ)上開始了對等替換的工作并成功實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的制造，并完成裝車驗(yàn)證，技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主化，但是原材料上還是依賴于進(jìn)口，主要包括電子元器件、電連接器等。

隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的愈演愈烈， 國內(nèi)從上至下對于完全國產(chǎn)化的呼聲越來越高，政府、企業(yè)等已完全意識到國產(chǎn)化的重要性和迫切性， 電子制動控制單元的完全國產(chǎn)化被提上日程。

2.2 國產(chǎn)化電子元器件的發(fā)展

電子元器件的國產(chǎn)化[2]在軍工企業(yè)帶頭的情況下，已經(jīng)有了足夠的發(fā)展和進(jìn)步。 目前的技術(shù)、工藝、質(zhì)量等已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，產(chǎn)品逐漸趨于成熟，部分實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化和產(chǎn)品化，打破了國外的絕對壟斷，為裝備的國產(chǎn)化提供了基礎(chǔ)條件。

電子制動控制單元主要由阻容感器件、 半導(dǎo)體分立器件、集成芯片以及電連接器等集成而成，目前市場上存在的國產(chǎn)元器件種類、 功能等關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)口元器件的替代。

2.3 行業(yè)推動

我國軌道交通行業(yè)規(guī)模大、產(chǎn)業(yè)鏈全，作為裝備制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展的典型代表，實(shí)現(xiàn)高速列車零部件產(chǎn)品完全自主化到國產(chǎn)化的進(jìn)程已經(jīng)刻不容緩。 電子制動控制單元作為高速列車的核心關(guān)鍵零部件，完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化亦迫在眉睫，國產(chǎn)化的進(jìn)程得到各個(gè)關(guān)鍵部門的支持和推進(jìn)。

3 國產(chǎn)化面臨的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 國產(chǎn)電子元器件的不成熟

EBCU 作為高速列車的關(guān)鍵零部件，對其實(shí)現(xiàn)功能的可靠性、安全性有嚴(yán)格的指標(biāo)要求。

根據(jù)表1，EBCU 規(guī)定的安全完整性等級（SIL）要求的可容許危害度（THR）至少需要小于10-6等級，因此對電子元器件的失效率、可靠度等提出了更嚴(yán)格的要求。

表1 安全指標(biāo)要求

目前國產(chǎn)元器件的種類、 功能已完全滿足電子制動控制單元的國產(chǎn)化，但是仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)?；竟δ艿膶?shí)現(xiàn)不代表其可靠性、安全性也達(dá)到了指定的要求，電子制動控制單元的使用環(huán)境包括溫度、振動、電磁等均對國產(chǎn)化電子元器件的運(yùn)用提出了巨大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 部分關(guān)鍵元器件的故障率在其使用條件下至少需要小于10-8等級，甚至更低。因此國產(chǎn)化元器件在軌道交通行業(yè)運(yùn)用的可靠性和安全性需要開展進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3.2 國產(chǎn)化設(shè)計(jì)的不成熟

在高速列車超過10 年的發(fā)展的歷程中，制動系統(tǒng)集成商累積了大量的運(yùn)營數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)， 為電子制動控制單元的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)， 在設(shè)計(jì)過程中從系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)層級、 制動力管理和控制層級可以規(guī)避大量的風(fēng)險(xiǎn)， 但是基于國產(chǎn)電子元器件的硬件設(shè)計(jì)依舊存在不確定性。

電子制動控制單元中電路設(shè)計(jì)、PCB 設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)均需要依據(jù)電子元器件的固有特點(diǎn)來開展， 無法和進(jìn)口電子元器件的設(shè)計(jì)保持一致， 因此技術(shù)上存在一定的不成熟，新的設(shè)計(jì)電路、新的設(shè)計(jì)理念均對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)度造成一定的影響。

3.3 國產(chǎn)化組裝工藝的不穩(wěn)定

電子制動控制單元的自主化在一定程度上已經(jīng)摸清了生產(chǎn)工藝的流程， 形成了一套成熟的生產(chǎn)工藝體系保障產(chǎn)品的可靠生產(chǎn)。 但是國產(chǎn)化的電子制動控制單元使用新的設(shè)計(jì)、新的元器件、新的電子輔料均對生產(chǎn)工藝提出了新的要求，其每一批次的可靠性、不同批次之間的穩(wěn)定性及一致性均需開展足夠的試驗(yàn)驗(yàn)證， 組裝工藝流程在原有的基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。

3.4 國產(chǎn)化驗(yàn)證的不充分

自主化電子制動控制單元成功裝車已經(jīng)形成了一套較為完善的驗(yàn)證體系，包括功能測試、型式試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等， 但國產(chǎn)化EBCU 使用的基礎(chǔ)物料的不同導(dǎo)致后端的驗(yàn)證體系無法完全延用現(xiàn)有的驗(yàn)證體系。

國產(chǎn)化電子制動控制單元在自主化產(chǎn)品驗(yàn)證規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合其特殊性繼續(xù)摸索驗(yàn)證方法， 對方法的適用性、理論的完整性、判定的合理性均提出了新的要求。 新的驗(yàn)證體系需要時(shí)間來沉淀， 產(chǎn)品的國產(chǎn)化之路也需要經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。

4 國產(chǎn)化保障措施

4.1 完善管理以及標(biāo)準(zhǔn)體系

建立完善的管理和約束體系。 從人、機(jī)、料、法、環(huán)等關(guān)鍵角度出發(fā)，對電子制動控制單元的需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)物料選型及采購、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量管控等各個(gè)環(huán)節(jié)建立一套完善的管理體系。

建立具有自主產(chǎn)權(quán)的管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 復(fù)興號的研發(fā)制造使用了大量的中國國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、中國鐵路總公司及中車集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 電子制動控制單元的國產(chǎn)化需要延續(xù)使用此類標(biāo)準(zhǔn)， 與此同時(shí)亦需建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)以及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 完善基礎(chǔ)物料的管控措施

合格、 高品質(zhì)的基礎(chǔ)物料是系統(tǒng)保證可靠運(yùn)營的關(guān)鍵， 電子制動控制單元選用的電子元器件更決定了其能否長久可靠的使用。

保證物料的購買渠道。國產(chǎn)化電子元器件面臨的巨大問題是假冒偽劣、不同批次產(chǎn)品一致性較差等[3]，因此需要正規(guī)的購買渠道，保證物料來源的可靠，與此同時(shí)須對物料供應(yīng)商進(jìn)行審核和監(jiān)管。 裝備集成商必須強(qiáng)化產(chǎn)品入廠檢驗(yàn)措施，必要情況下對物料開展可靠性鑒定試驗(yàn)。

優(yōu)化物料的存儲環(huán)境。 電子產(chǎn)品對存儲環(huán)境的要求較高，尤其是對靜電、濕度等敏感的元器件，良好的存儲環(huán)境是保證元器件可靠使用的前提。

建立物料優(yōu)選庫。 同樣功能的元器件需要儲備不同品牌、不同廠家的貨物，避免出現(xiàn)產(chǎn)品批次性質(zhì)量問題。優(yōu)選庫的物料均是經(jīng)過嚴(yán)格篩選和驗(yàn)證的可靠物料，從優(yōu)選庫中的選用的電子元器件能夠保證產(chǎn)品的可靠性。

4.3 完善設(shè)計(jì)評價(jià)體系

好的設(shè)計(jì)是電子制動控制單元擁有高可靠性的關(guān)鍵， 好的設(shè)計(jì)也是通過不斷的評價(jià)、 審核和改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。 在電子制動控制單元的設(shè)計(jì)過程中，需要從不同的角度對其設(shè)計(jì)進(jìn)行評審，包括物料的一致性、降額設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、防靜電設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 評審的目的不是走流程，而在于能夠真正發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

完整的評價(jià)體系是將產(chǎn)品的缺陷在源頭進(jìn)行杜絕。自主創(chuàng)新的電子制動控制單元也是經(jīng)過不斷的論證和改進(jìn)才最終上線運(yùn)行， 國產(chǎn)化的電子制動控制單元更需要經(jīng)過不斷地評價(jià)才能夠轉(zhuǎn)入生產(chǎn)、投入使用。

4.4 完善產(chǎn)品驗(yàn)證體系

建立富有特色的電子制動控制單元驗(yàn)證體系。 根據(jù)電子制動控制單元的實(shí)際運(yùn)用環(huán)境和積累的產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，結(jié)合選用的物料特點(diǎn)，針對性設(shè)計(jì)驗(yàn)證措施，包括環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、振動沖擊試驗(yàn)等，建立完整、有效的驗(yàn)證體系，保證產(chǎn)品的可靠性和安全性。

驗(yàn)證方法包括但不限于以下內(nèi)容：

（1）產(chǎn)品的獨(dú)立驗(yàn)證，包括例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)等。

（2）產(chǎn)品的聯(lián)調(diào)驗(yàn)證，包括制動系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，不同系統(tǒng)集成后的靜調(diào)試驗(yàn)，車輛線路型式試驗(yàn)、運(yùn)營考核等。

（3）完善的產(chǎn)品驗(yàn)證體系是產(chǎn)品能夠最終產(chǎn)量化的保證，是產(chǎn)品可靠使用的保障。

4.5 完善信息的交互和共享策略

電子制動控制單元的國產(chǎn)化僅是一個(gè)產(chǎn)品的國產(chǎn)化，但是如何做到軌道交通行業(yè)其余產(chǎn)品的國產(chǎn)化？如何實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的延續(xù)性？ 需要行業(yè)內(nèi)不同的系統(tǒng)廠家加強(qiáng)信息的交互和共享，包括電子元器件庫的建立、產(chǎn)品應(yīng)用剖面的分享、典型故障處理經(jīng)驗(yàn)的分享等。

信息的交互和共享能夠促進(jìn)國產(chǎn)化進(jìn)程， 減少不必要的付出，加速國產(chǎn)化產(chǎn)品的批量化和標(biāo)準(zhǔn)化。

5 結(jié)束語

電子制動控制單元作為高速列車的關(guān)鍵零部件，在當(dāng)今的局勢下，國產(chǎn)化進(jìn)程勢在必行。

電子制動控制單元的國產(chǎn)化進(jìn)程在機(jī)遇面前， 系統(tǒng)集成商需要強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)意識，明確過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，制定一系列的措施減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，從物料選型、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、驗(yàn)證等角度全面的保證產(chǎn)品的可靠性和安全性，加速推進(jìn)電子制動控制單元的國產(chǎn)化進(jìn)程，為高速列車的發(fā)展保駕護(hù)航。