CRH2型动车组控制系统冗余安全设计

袁玉睿

南京中车浦镇海泰制动设备有限公司 江苏南京 211800

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进轨道交通建设项目的增多。随着武广、京沪等高速铁路的正式开通，我国的高铁事业蓬勃发展，针对高速铁路的运营需要，相继出现了一系列高速动车组。目前高速铁路动车组的持续运营速度为300km/h，因此高速动车组的安全可靠性倍受关注。动车组制动系统的安全性能和控制模式直接决定了动车组运行的安全性和舒适度，制动系统各子系统、关键部件和控制软件等在设计时必须安全可靠并有足够的冗余。本文就CRH2型动车组控制系统冗余安全设计展开探讨。

关键词：CRH2型动车组；故障导向安全；安全可靠性

引言

CRH2型动车组控制系统在设计过程中充分考虑基于故障导向的安全，冗余通信保障和联锁保护等措施，以提升整车控制系统的安全可靠性。整车控制系统围绕控制指令这一核心要素，在指令传送环节采用了指令安全采集和冗余传送设计，在指令控制方面采用安全联锁设计以及在其他方面的安全可靠性设计。

1 制动系统基本功能

制动系统具有常用制动、紧急制动、停放制动、备用制动、乘客紧急制动等功能。（1）常用制动。常用制动包括直通电空制动（EP制动）和再生制动（电制动）。首先在动轴上施加电制动，如果电制动力不足，在从轴上施加ＥＰ制动进行补充。当动轴的电制动不能使用时，用空气制动代替。（2）紧急制动。在紧急情况下，制动管被快速彻底的排空，电制动、直通电空制动和间接空气制动冗余产生紧急制动作用。紧急制动可通过以下情形产生：（1）制动手柄处于紧急制动位置；（2）按下司机室的紧急制动按钮；（3）安全环路断开；（4）列车安全装置（ATP、ASD）启动；（5）列车断开；（6）列车运行时意外施加停放制动。（3）停放制动。转向架上设有足够数量的停放制动缸，可保证动车组安全地静置停放在20‰的坡道上。（4）备用制动。如果直通电空制动发生故障，动车组可启动备用制动继续运行。（5）乘客紧急制动。客室内的乘客紧急制动手柄可将制动信号迅速传递到司机室，并施加最大常用制动作用。司机可以通过制动手柄对最大常用制动进行缓解。

2 动车组制动系统的诊断系统

在保证动车组制动系统可靠性的同时，为监测制动系统可能发生的故障，制动系统还设有自己的故障诊断系统，实时诊断制动系统的状态。动车组制动系统的故障诊断以行车安全作为首要考虑因素，故障诊断系统可确认、评估、报告在所有的操作模式中发生的多数故障，包括故障对系统自身以及对其它系统的影响，便于系统维护、故障定位查找和分析故障成因。动车组在运行过程中，有关运行参数、过程数据、故障数据经由网络接口实时传输至中央诊断系统，用于实时监控列车状态并报告可能发生的故障和错误。制动系统诊断出故障时，列车将根据故障等级自动进行故障导向安全控制，保证列车安全、受控的运行。同时列车诊断系统将故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司机、列车员，用于采取相关的补救措施。动车组按故障影响程度设定了故障等级。发生各级故障的时候，将通过列车自动限速运行或者安全停车，以保障行车安全。以CRH3型动车组为例，对于6类可能危及行车安全的制动系统重大故障，除自身进行故障导向安全控制，也将通过与列车中央控制单元联锁，使得列车限速运行，以保障列车运行安全。CRH2型动车组制动系统在自身执行故障导向安全控制的同时，也将重要的诊断信息传输至列车管理系统，向司机提示当前列车的工作状态，由司机进行人工控制。

3 网络传输系统设计

3.1网络总线架构

CRH2型动车组的网络传输拓扑采用列车级与车辆级两层架构。列车级通信网络连接各动态编组车辆，而车辆通信网络连接车辆内固定设备。列车总线采用光纤技术，连接各中央装置和终端装置，采用双重环网结构。车辆总线网络用于各车厢车载设备的数据通信，主要采用光纤与电流环等形式。在两层架构外，网络控制系统还有备用的自我诊断传输线，采用双绞线方式连接中央装置和终端装置。CRH2型动车组网络控制系统核心为中央装置（CCU）与终端装置（LCU）。其中CCU主要包括处理器板CPU3、光通信板MDM8、控制指令发送卡TXC等单板；LCU主要包括处理器板CPU3、光通信板MDM8和MDM9、控制指令接收卡RXC等单板。

3.2网络配置

动力集中动车组重要部件单元具有MVB和ETH两种总线接口,具备双网冗余通信功能。MVB网络采用串行总线组网,网络增加终端电阻。ETH采用环形拓扑结构,由3个交换机组成环网,各个终端设备通过交换机接入网络中。当某一线路发生故障,数据可通过环网经另一路线路与其他终端设备通信。为解决信道丢失问题,采用了2级冗余策略:发送设备在MVB和ETH总线上同时发送相同的数据,接收设备从2种总线上接收数据后,底层软件优先选择信任线数据映射到应用层接口。当信任线发生故障时,底层软件会自动切换信任线,保证关键信号不会丢失,从而确保行车安全。其次,远程信号收发装置采用设备冗余热备,1路信号线分成2路分别进入2个完全相同的信号采集单元内。在数据采集软件中增加通信信道自检功能,远程通信设备各信道每100ms进行一次收发数据校验自检,并将检测结果发送给应用层。当应用层软件检测到底层发送的故障标识后,切换接收正常的采集单元发送的数据完成2次冗余切换,从而大大提高了通信的可靠性。入网各终端设备采用双网冗余组网模式。其中单MVB总线设备为BCU制动控制单元,单ETH总线设备为PSU充电机控制单元、6A系统、LGU列供控制单元、FSJ风速计和LLJ流量计等。

3.3网络传输总线冗余设计

网络传输系统MON为双重环网系统，以确保系统的冗余性。中央装置CCU和终端装置LCU采用双重环形结构的控制监视器传输连接线，采用了抗故障能力极强的双向环形网络方式，具有左转和右转2个路径，是一种分散性的系统。当网络传输系统出现1处故障时，节点可以选择相反方向的链路继续正常地传输数据，即使同时发生2处以上的链路故障，环形网络断开时，其他正常连接链路上的节点通信不受影响，还能继续保持传输功能。考虑环形网络全部中断，网络系统还配备有自诊断传输线，用于牵引/制动控制指令的传输，维持列车运行不中断。CRH2型动车组网络结构本身就可实现一重冗余，另外连接全车的自诊断传输线可实现第二重冗余（由于自诊断传输线只能传输控制指令，对其他的状态数据和数据块传输则不能通过自诊断传输线实现传输冗余）。在该系统中，节点检查接收到的数据，如果数据正常，就按照目的地址传送该数据；如果该数据异常，则该数据将被丢弃。传送系统上的负载通过信息包分配/优先级处理进行控制，以便控制数据可靠地被传送到每个设备。优先级定义如下：（1）第一优先级：控制指令数据；（2）第二优先级：状态数据（用于显示于司机室监控屏幕上的数据）；（3）第三优先级：数据块（已记录的数据，比如故障数据）。

结语

先进的动车组制动系统设计，使列车有足够的制动能力，保证列车在规定的制动距离内安全停车。动车组制动系统在安全性上具有高度冗余性，即使制动系统出现故障，也能保证列车安全停车，或在可控状态下安全运行。动车组制动系统具有良好的故障诊断功能，使制动系统始终处于受控状态，可以及时查找故障并分析故障成因。

参考文献

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