高速动车组车载地震紧急处置装置自动控车方案研究*

周 军，于鹏超，温熙圆，童修伟，付 波，任志刚

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

我国是一个地震灾害严重的国家，地震灾害对高速列车运行安全的影响不容忽视。我国历经多年高速铁路地震预警系统的研制，经过技术条件制订、技术方案研究、设计研发、试验验证、运用考核和技术评审，已形成成套地震预警系统产品，全面实现了预期的地震预警和紧急处置能力，对我国高速铁路防灾系统的发展具有重大的意义。车载地震紧急处置装置作为高速铁路地震预警系统的重要组成部分，在地震紧急控车方面起到关键作用，尤其是在地震警报处置及时性方面尤为显著［1-2］。

目前，我国高速铁路地震预警系统采用车载地震紧急处置装置实现控车功能，主要由车载地震主机、车载地震终端、组合天线、天馈线以及相应的连接电缆组成。车载地震紧急处置装置通过GPRS方式接收地面监测台站发送的地震警报信息，并根据警报级别触发动车组制动。当接收到I级警报时，通过车载地震终端的“声光报警”方式提示司机手动施加最大常用制动，限速运行；当接收到地震II级、III级警报时，自动触发动车组的紧急制动，使动车组紧急停车［3-4］，如图1所示。

图1 车载地震紧急处置装置当前控车处置方式

由于地震是小概率事件，司机长期遇不到此类情况，一旦真的发生地震预警，司机很难快速做出准确判断，容易误操作，存在安全隐患。此外，从地震预警到地震发生，时间在短短的几秒钟之内，动车组运行中，司机注意力主要集中在瞭望和操纵列车，特别是遇到非正常行车和处置故障时，当地震预警语言提示时，司机顾不上也不能在几秒钟内做出迅速反应并采取制动措施。因此，I级警报的处置方式由司机进行人工控制，响应速度在很大程度上受司机操控的影响，不利于提高地震紧急处置的快速性、及时性和准确性。因此，对车载地震紧急处置装置I级警报处置方式的优化方案研究已显得十分必要［5］。

1 车载地震自动控车装置硬件组成

基于前期车载地震紧急处置装置研究和开发的基础上，针对动车组目前对I级地震警报信息处置的快速性、及时性和准确性的实际需求，设计了一种车载地震自动控车装置。

车载地震自动控车装置主要由机箱、背板、电源板（冗余）、接口板、MVB通信板、存储板、显示板和GSM-R通信单元以及连接器和相关线缆组成，各板卡之间采用标准CAN总线进行通信，支持热插拔技术［6］。车载地震自动控车装置系统组成、车载地震自动控车装置三维模型如图2、图3所示。

图2 车载地震自动控车装置组成

图3 车载地震自动控车装置三维模型

（1）机箱和背板

机箱和背板（型号BP84B）是标准化的结构，插槽采用哈丁96针，符合DIN 41612标准要求，分别以机械方式和电气方式与各板卡连接。背板决定了用于连接电源和其他板卡的插槽的数目，实现了各电源板、接口板、MVB板、存储板、显示板和GSM-R通信单元之间的电气连接。

（2）电源板

电源板（型号PW02B）为车载地震自动控车装置的其他板卡提供不同制式的工作电源，包括有DC 24 V、DC 12 V、DC 5 V的电压，对应电压制式的电流可以在2块冗余电源板卡之间进行均流和同步。电源板前面板共有4个LED灯来指示电源供电工作状态。电源板采用冗余设计，一块电源板故障可采用另一块电源板继续供电。为满足电磁兼容的浪涌、共模抑制等要求的特殊电路，电源板卡具有滤波器功能。

（3）MVB通信板

MVB通信板（型号CM04A）能够满足MVB多功能列车总线以及CAN总线的通讯需求，是车载地震自动控车装置的主控单元板，完成逻辑运算和MVB通信功能。

（4）接口板

接口板（型号EX01B）是车载地震自动控车装置的外部扩展组件，实现对数字量、频率量的数字隔离式输入输出以及继电器控制的功能。

（5）显示板

显示板（型号CM06A）具有4位LED显示功能，可实时显示故障代码及状态信息；通过CAN总线与服务终端通信，可以实现程序下载、数据监控等功能。

（6）存储板

存储板（型号CM07A）具有程序下载、数据监控、数据存储、以太网通信等功能。

（7）GSM-R通信单元

GSM-R通信单元包括无线通信板和通信控制板，采用GPRS通信方式接收地震警报信息（I级警报、Ⅱ级警报和Ⅲ级警报），并将警报信息传送给MVB通信板。

2 自动控车方案设计

2.1 电气接口设计

车载地震自动控车装置由车辆供电，电源电压DC 110 V，电源冗余配置。车载地震自动控车装置通过MVB总线与中央控制单元CCU通信，将地震预警级别发送给CCU，用于指令传输、状态存储及显示。此外，车载地震自动控车装置输出紧急继电器控制指令，并回采紧急继电器动作状态以及紧急继电器隔离开关状态。车载地震自动控车装置还预留装置主机动作状态和装置主机工作状态2个输出信号，用于今后车辆对车载装置的状态读取。车载地震自动控车装置的电气接口如图4所示。

图4 车载地震自动控车装置电气接口图

紧急继电器由动车组供电，为双触点，一路常闭触点（断开紧急环路），一路常开触点（紧急继电器动作状态）。隔离开关应位于司机室，便于司机操作。隔离开关采用双路触点（常开），一路隔离，一路状态回采。

GSM-R通讯单元通过相关线缆连接到对应的车顶天线。

2.2 警报信息处置方式

车载地震自动控车装置的GSM-R通信单元采用GPRS通信方式接收铁路局中心系统发送的地震紧急处置信息（I级警报、Ⅱ级警报或Ⅲ级警报），并通过内部背板CAN总线转发给MVB通信板。当MVB通信板收到I级警报时，通过MVB网络将I级警报信息和160 km/h限速运行指令发送到中央控制单元CCU（Central Control Unit）；若此时列车速度高于160 km/h，中央控制单元CCU通过MVB网络向制动控制单元BCU（Brake Control Unit）发送最大常用制动请求，制动控制单元BCU施加最大常用制动减速。同时，中央控制单元CCU将警报信息通过MVB网络发送给HMI，用于显示和报警。当中央控制单元CCU监测到列车速度低于160 km/h或接收到MVB通信板发送的解除160 km/h限速运行时，解除最大常用制动请求，制动控制单元BCU缓解最大常用制动。

当MVB通信板接收到Ⅱ级警报或Ⅲ级警报时，通过CAN总线控制接口板发出紧急继电器控制指令，控制紧急继电器断开紧急制动安全环路，触发紧急制动。同时，车载地震自动控车装置的接口板回采装置隔离开关状态和紧急继电器动作状态。车载地震自动控车装置将上述信息通过MVB通信板传输给CCU，用于状态存储和显示。车载地震自动控车装置的信息传输及功能控制如图5所示。

图5 车载地震自动控车装置信息传输及功能控制

2.3 数据存储

车载地震自动控车装置的存储板CM07A可存储装置的运行状态数据和故障数据，最大存储空间2 GB。可通过存储板CM07A的以太网总线接口实现存储数据的下载。

2.4 数据监控及程序下载

车载地震自动控车装置的服务终端可通过以太网总线（存储板CM07A）或CAN总线（显示板CM 06A）接口与主机相连，实现板卡的信息读取、I/O控制、数据监控、应用程序下载等功能。显示板CM 06A具有4位LED数码管，用于显示故障代码或状态信息。

GSM-R通信控制单元通过MPLAB IPE进行相关程序下载；通过调试信息输出端口可以监测车地通信和主机内部CAN通信的数据交互内容。

3 室内试验验证

通过PC上位机模拟中央控制单元CCU与自动控车装置进行MVB通信，同时模拟铁路局中心系统与自动控车装置进行GPRS通信，搭建了自动控车装置的试验室模拟环境。通过模拟发送不同工况下的地震紧急处置信息，对自动控车装置的功能进行了验证，并记录了试验数据，其中涉及的信号见表1。

表1 试验相关信号说明

3.1 地震I级模拟试验

（1）试验过程

模拟发送地震I级警报及I级警报解除，记录自动控车装置的运行数据。

（2）数据分析

当自动控车装置接收到的地震紧急处置信息为“阈值报警I级”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm⁃Level=1）时，向CCU发出“160 km/h限速运行”指令（Apply_SpeedLimit=1），通知CCU触发最大常用制动，如图6所示。

图6 地震I级警报触发时的数据记录

当地震紧急处置信息变为“警报解除”（D2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）时，自动控车装置解除“160 km/h限速运行”（Apply_Speed⁃Limit=0），如图7所示。

图7 地震I级警报解除时的数据记录

3.2 地震II级模拟试验

（1）试验过程

模拟发送地震II级警报及II级警报解除，记录自动控车装置的运行数据。

（2）数据分析

当自动控车装置接收到的地震紧急处置信息为“阈值报警II级”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm⁃Level=2）时，发出紧急继电器控制指令（A3_EB_Relay_Active=1），触发紧急继电器动作，使动车组施加紧急制动，如图8所示。

图8 地震II级警报触发时的数据记录

当地震紧急处置信息变为“警报解除”（D2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）且 接 收 到CCU发送的解除制动请求时，自动控车装置解除紧急继电器控制（A3_EB_Relay_Active=0），复位紧急继电器，使动车组缓解紧急制动，如图9所示。

图9 地震II级警报解除时的数据记录

3.3 地震III级模拟试验

（1）试验过程

模拟发送地震III级警报及III级警报解除，记录自动控车装置的运行数据。

（2）数据分析

当自动控车装置接收到的地震紧急处置信息为“阈值报警III级”（D2_AlarmType=1，D2_Alarm⁃Level=3）时，发出紧急继电器控制指令（A3_EB_Relay_Active=1），触发紧急继电器动作，使动车组施加紧急制动，如图10所示。

图10 地震III级警报触发时的数据记录

之后，当地震紧急处置信息变为“警报解除”（D2_AlarmType=5，D2_AlarmLevel=0）且 接 收 到CCU发送的解除制动请求时，自动控车装置解除紧急继电器控制（A3_EB_Relay_Active=0），复位紧急继电器，使动车组缓解紧急制动，如图11所示。

图11 地震III级警报解除时的数据记录

3.4 试验结果分析

通过上述室内功能模拟试验，验证了自动控车装置功能的有效性和可靠性，结论如下：

（1）当接收到地震I级警报时，自动控车装置通过MVB网络向CCU发出“160 km/h限速运行”指令，通知CCU触发最大常用制动；当警报解除时，自动控车装置解除“160 km/h限速运行”。

（2）当接收到地震II级或地震III级警报时，自动控车装置发出紧急继电器控制指令，触发动车组的紧急制动；当警报解除且接收到CCU发送的解除制动指令时，解除紧急继电器控制，缓解紧急制动。

4 结论

在基于前期车载地震紧急处置装置研究和开发的基础上，针对动车组目前对I级地震警报信息处置的快速性、及时性和准确性的实际需求，设计了一种车载地震自动控车装置，并提出了自动控车技术方案，包括系统组成、接口设计、警报信息处置方式等。室内模拟试验结果也验证了车载地震自动控车装置功能的有效性和可靠性，为今后车载地震自动控车装置的工程推广应用提供了理论基础和技术支持。