曹宏發(fā)，喬 峰，溫熙圓，安志鵬

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081；2 中國(guó)北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，長(zhǎng)春130062）

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)直接關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行安全，制動(dòng)能力須滿足列車(chē)制動(dòng)距離的要求，制動(dòng)系統(tǒng)須保證列車(chē)可靠的的制動(dòng)作用和管理，制動(dòng)系統(tǒng)須具有故障導(dǎo)向安全控制功能。這些都要求制動(dòng)系統(tǒng)必須具備良好的故障診斷能力和故障存儲(chǔ)功能，可確認(rèn)、評(píng)估、報(bào)告在制動(dòng)系統(tǒng)各種工況下的各種故障，包括故障對(duì)系統(tǒng)自身以及對(duì)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(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)。

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)涉及流固熱耦合、材料、熱機(jī)疲勞、電子技術(shù)、控制技術(shù)、軟件科學(xué)等，是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。同時(shí)和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)、牽引、列車(chē)控制系統(tǒng)等各主要系統(tǒng)之間通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)、硬線等，有機(jī)組合為一個(gè)整體，各系統(tǒng)之間有著直接或間接的作用和影響。列車(chē)級(jí)的故障診斷和故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)功能，使得各個(gè)系統(tǒng)的故障均將有可能引起列車(chē)級(jí)的聯(lián)鎖動(dòng)作與控制，以保證列車(chē)受控的安全運(yùn)行，包括故障情況下的列車(chē)自動(dòng)限速運(yùn)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(shí)，將需要在現(xiàn)車(chē)或者利用試驗(yàn)臺(tái)等可靠性試驗(yàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等在和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得制動(dòng)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的信號(hào)分析與數(shù)據(jù)管理功能，能全面記錄反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的各種信息，實(shí)現(xiàn)故障的精確診斷。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)化了和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組列車(chē)級(jí)故障診斷和遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的功能。

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷體系

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)具備良好的故障診斷能力，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)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(hù)。制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行故障數(shù)據(jù)在自身存儲(chǔ)的同時(shí)，經(jīng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至列車(chē)診斷中心，列車(chē)診斷中心的故障數(shù)據(jù)經(jīng)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)傳輸至地面服務(wù)中心，用于制動(dòng)系統(tǒng)的故障處理、維護(hù)檢修等。同時(shí)列車(chē)診斷系統(tǒng)同時(shí)也將列車(chē)的狀態(tài)、故障信息實(shí)時(shí)傳輸給制動(dòng)系統(tǒng)，用于制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)鎖診斷和故障導(dǎo)向安全控制，制動(dòng)系統(tǒng)自身存儲(chǔ)的故障數(shù)據(jù)也可經(jīng)系統(tǒng)維護(hù)終端監(jiān)視、下載，用于故障定性分析、定位查找。

1.2 制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷任務(wù)

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)可確認(rèn)、評(píng)估、報(bào)告在各種工況下的各種故障，包括故障對(duì)系統(tǒng)自身以及對(duì)其他系統(tǒng)的影響。在發(fā)生制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，對(duì)故障類(lèi)型、故障部位及原因進(jìn)行診斷，最終給出解決方案，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷包含3種操作模式。

（1）開(kāi)車(chē)前的系統(tǒng)檢查

動(dòng)車(chē)組開(kāi)車(chē)前，需對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)的制動(dòng)測(cè)試，用以檢查列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括緊急制動(dòng)功能、常用制動(dòng)功能、緊急制動(dòng)安全環(huán)路狀態(tài)等。檢測(cè)結(jié)果傳給動(dòng)車(chē)組列車(chē)中央診斷系統(tǒng)并存儲(chǔ)，同時(shí)將制動(dòng)測(cè)試結(jié)果提供給司機(jī)或操作人員。

（2）動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)診斷

動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中，有關(guān)運(yùn)行參數(shù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)經(jīng)由MVB接口實(shí)時(shí)傳輸至中央診斷系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)狀態(tài)并報(bào)告發(fā)生的故障和錯(cuò)誤。當(dāng)檢測(cè)到制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，列車(chē)將根據(jù)故障等級(jí)自動(dòng)進(jìn)行“故障－安全”控制，保證列車(chē)安全、受控地運(yùn)行。列車(chē)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(jī)、列車(chē)員，便于采取相關(guān)的補(bǔ)救措施。

（3）系統(tǒng)檢查和維修時(shí)的診斷

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

①制動(dòng)系統(tǒng)提供的診斷信息可被維修人員讀取并參考；

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

圖1 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷體系

1.3 制動(dòng)系統(tǒng)的故障分級(jí)管理

制動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)診斷事件都有對(duì)應(yīng)的維修優(yōu)先級(jí)見(jiàn)表1。和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)故障發(fā)生時(shí)的工況和故障部位對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響，設(shè)定了5個(gè)不同的運(yùn)用維修優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)最高級(jí)為暫停運(yùn)營(yíng)，最低為在下一次專(zhuān)項(xiàng)修時(shí)進(jìn)行故障處理。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)診斷事件的運(yùn)用維護(hù)優(yōu)先級(jí)

1.4 制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)性能指標(biāo)

制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)用條件來(lái)分析判斷哪些性能是主要的，哪些是次要的，然后對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)娜∩岷蟮贸鲎罱K的診斷結(jié)論。評(píng)價(jià)動(dòng)車(chē)組故障診斷系統(tǒng)的性能指標(biāo)有：

（1）故障辨識(shí)能力。制動(dòng)系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)具有良好的故障辨識(shí)能力，便于對(duì)故障評(píng)價(jià)和指導(dǎo)維修。

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

（3）故障檢測(cè)的及時(shí)性。在制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障診斷系統(tǒng)能夠在最短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到故障的能力。

（4）故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率。誤報(bào)指制動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)故障卻被錯(cuò)誤檢測(cè)出發(fā)生故障；漏報(bào)是指自動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障卻沒(méi)有被檢測(cè)出來(lái)。和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組可靠的故障診斷系統(tǒng)能盡可能使誤報(bào)率和漏報(bào)率最小化。

（5）魯棒性。是制動(dòng)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(shí)保持低誤報(bào)率和漏報(bào)率的能力。

（6）自適應(yīng)能力。制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)對(duì)于變化的被測(cè)對(duì)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(lái)改善自身的診斷結(jié)果。

2 現(xiàn)車(chē)故障再現(xiàn)與分析技術(shù)

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組是制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、列車(chē)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)等諸多復(fù)雜系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，制動(dòng)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(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。為保證列車(chē)安全受控的運(yùn)行，和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組采用了交互式診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的信息共享和互操作，各個(gè)系統(tǒng)的故障均將有可能引起列車(chē)級(jí)的聯(lián)鎖控制與保護(hù)，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(duì)現(xiàn)車(chē)故障采用數(shù)據(jù)分析和提取技術(shù)、甚至現(xiàn)車(chē)故障模擬技術(shù)來(lái)再現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)刻的情景。

2.1 現(xiàn)車(chē)故障數(shù)據(jù)提取與分析技術(shù)

制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送到列車(chē)中央控制單元，供不同的對(duì)象使用。在制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生各級(jí)故障的時(shí)候，將通過(guò)列車(chē)自動(dòng)限速運(yùn)行或者安全停車(chē)，以保障行車(chē)安全。采用現(xiàn)車(chē)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(shí)間、故障出現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)的狀況、故障經(jīng)過(guò)、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(chē)為例，在試運(yùn)行過(guò)程匯總共發(fā)生列車(chē)4次停車(chē)故障，最終提取了制動(dòng)系統(tǒng)、列車(chē)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等所有相關(guān)系統(tǒng)的故障記錄，進(jìn)行故障匯總和深入分析后將故障定位為制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了車(chē)輪處于抱死狀態(tài)的警告，從而導(dǎo)致前3次列車(chē)自動(dòng)施加最大常用制動(dòng)，最后一次因產(chǎn)生司機(jī)報(bào)警信息而人工停車(chē)。車(chē)輪處于抱死故障排除后，列車(chē)?yán)^續(xù)投入了正常運(yùn)用。

圖2 現(xiàn)車(chē)故障提取與分析實(shí)例

2.2 現(xiàn)車(chē)故障模擬技術(shù)

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，可對(duì)系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)的功能、性能和工作狀態(tài)進(jìn)行診斷，可確認(rèn)、評(píng)估、報(bào)告在各種工況發(fā)生的多數(shù)故障。制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，產(chǎn)生同一故障的環(huán)節(jié)較多，如制動(dòng)系統(tǒng)電子制動(dòng)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(chē)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，工作環(huán)境和列車(chē)操作狀態(tài)等會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致制動(dòng)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(chē)模擬技術(shù)，才能查找故障的根本原因。以某型車(chē)為例，制動(dòng)系統(tǒng)報(bào)告其控制系統(tǒng)通訊異常，從而導(dǎo)致列車(chē)限速運(yùn)行，經(jīng)現(xiàn)車(chē)故障模擬與深入分析，確認(rèn)該故障是由某擴(kuò)展接口板工作狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致。

圖3 現(xiàn)車(chē)故障模擬實(shí)例

3 試驗(yàn)平臺(tái)故障再現(xiàn)與分析技術(shù)

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用車(chē)載診斷技術(shù)，通過(guò)故障容錯(cuò)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和故障診斷模型等快速準(zhǔn)確識(shí)別故障并判定故障位置，盡可能在故障剛剛發(fā)生時(shí)就能識(shí)別，自動(dòng)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(duì)于一些復(fù)雜故障，特別是在現(xiàn)車(chē)難以模擬的故障，可通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)中的制動(dòng)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)、部件試驗(yàn)臺(tái)、硬件在回路仿真平臺(tái)來(lái)進(jìn)行故障在線、模擬與分析，避免了現(xiàn)車(chē)故障模擬帶來(lái)的高成本和長(zhǎng)試驗(yàn)周期等問(wèn)題。

3.1 利用制動(dòng)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行故障再現(xiàn)和分析

制動(dòng)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)以實(shí)際8輛編組的動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行配置，主要由列車(chē)級(jí)、車(chē)輛級(jí)控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成，能夠充分反映和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)功能、性能以及零部件的真實(shí)情況。

對(duì)于現(xiàn)車(chē)的復(fù)雜故障、疑難故障、系統(tǒng)故障，應(yīng)用制動(dòng)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)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(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)研究故障發(fā)生機(jī)理并對(duì)現(xiàn)車(chē)提出有針對(duì)性的改進(jìn)建議，進(jìn)一步提高制動(dòng)系統(tǒng)的固有可靠性，從而保證和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性。

圖4 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)尺試驗(yàn)臺(tái)

3.2 利用制動(dòng)系統(tǒng)部件試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行故障再現(xiàn)和分析

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用車(chē)載診斷技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確識(shí)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(duì)于諸如制動(dòng)盤(pán)和閘片等與運(yùn)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(dòng)控制類(lèi)元件等，明確故障成因則需要專(zhuān)用的部件試驗(yàn)臺(tái)來(lái)完成。利用安裝在部件試驗(yàn)臺(tái)上的傳感器、計(jì)算機(jī)等監(jiān)測(cè)裝置或監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的性能參數(shù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理，來(lái)確認(rèn)部件的故障點(diǎn)。

圖5 一種和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)部件試驗(yàn)臺(tái)

利用制動(dòng)系統(tǒng)部件試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行關(guān)鍵部件的功能試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等。對(duì)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(yàn)方法和手段，排查故障根本原因。對(duì)于典型部件故障可通過(guò)改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其固有可靠性。

3.3 利用制動(dòng)系統(tǒng)硬件在回路仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行故障再現(xiàn)和分析

對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的故障，很多環(huán)境條件無(wú)法再現(xiàn)的，抑或要付出高昂的代價(jià)，如不同工況，不同環(huán)境（雨、雪、風(fēng)、冰等）下的測(cè)試，如果用真實(shí)的動(dòng)車(chē)組必然要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，付出高昂測(cè)試費(fèi)用。硬件在回路仿真平臺(tái)（HIL）是一整套計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試的工具和方法，通過(guò)HIL系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境中對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)及軟件進(jìn)行大量故障試驗(yàn)，而無(wú)需真實(shí)的高速動(dòng)車(chē)組或制動(dòng)系統(tǒng)原型。這種試驗(yàn)系統(tǒng)性強(qiáng)，成本低，而且非常安全，即使測(cè)試中超過(guò)極限條件，也不會(huì)造成任何損壞。并且可以模擬制動(dòng)系統(tǒng)不同的工作環(huán)境和工作條件，自動(dòng)的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面批量測(cè)試。

硬件在回路仿真平臺(tái)屬于半實(shí)物仿真。半實(shí)物仿真是目前流行的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的手段，半實(shí)物仿真即避免了全虛擬仿真帶來(lái)的眾多參數(shù)的選取獲得和復(fù)雜實(shí)物系統(tǒng)難以模擬的問(wèn)題，又解決了全部采用實(shí)物試驗(yàn)帶來(lái)的高成本和長(zhǎng)試驗(yàn)周期的問(wèn)題。在建立制動(dòng)系統(tǒng)的虛擬仿真模型基礎(chǔ)上，通過(guò)通信協(xié)議和硬件進(jìn)行聯(lián)合的半實(shí)物仿真，然后在硬件在回路仿真測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行典型的故障注入來(lái)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)和處理能力。

圖6 制動(dòng)系統(tǒng)硬件在回路仿真測(cè)試平臺(tái)

4 結(jié)論

和諧號(hào)制動(dòng)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(dòng)車(chē)組其他系統(tǒng)之間采用了車(chē)載交互式診斷技術(shù)，即使制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也能保證列車(chē)安全停車(chē)，或在可控狀態(tài)下安全運(yùn)行。

針對(duì)和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)車(chē)故障再現(xiàn)和分析技術(shù)，能夠真實(shí)的還原故障發(fā)生時(shí)的工況、故障經(jīng)過(guò)、故障的原因、故障特征等，從而指導(dǎo)故障定位和維修。

針對(duì)和諧號(hào)制動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜故障、疑難故障等，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)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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［7］ISO－11898.Austausch digitaler Informationen；Controller Area Network（CAN）for schnellen Datenaustausch.ISO.1994.

［8］ISO15031.3－2004.Road vehicles－ Communication between vehicle and external equipment for emissions－related diagnostics－Part 3：Diagnostic connector and related electrical circuits，specification and use.ISO.2004.

［9］ISO15031.6－2005.Road vehicles－ Communication between vehicle and external equipment for emissions－related diagnostics－ Part 6：Diagnostic trouble code definitions.ISO.2005.