APM车辆制动控制模块国产化设计和展望

葛 永，蒋爱军，贺 成

(南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 211800)

自动旅客捷运系统(APM)是以无人驾驶胶轮电动车辆为主导，在配有运行轨道与导向轨的专用线路上全自动运行的城市轨道交通系统。APM具有中高运量、爬坡能力强、转弯半径小、运行噪音低、综合造价省等优点。适用于受地形等建设条件限制多、景观和环境要求高、投资经济合理性高的场合，如二、三线城市轨道交通干线、大城市联络线和补偿线、以及大型机场、CBD商贸区、企业园区的中运量轨道交通线路[1-3]。

国内首个国产化APM项目—上海浦江APM项目于2018年3月1日正式开通运营。该项目以庞巴迪(美国)的INNOVIA APM 300系统为基础[4]，系统使用的制动控制模块设计方为庞巴迪(美国)，制造方为南京海泰，并未实现自主国产化设计。南京海泰公司以上海浦江APM项目经验为基础，以国产深圳APM、成都APM、泰国APM和香港APM系统项目为依托，以故障导向安全为设计原则，开展制动控制模块自主国产化设计制造。

1 概 述

APM列车采用移动闭塞式信号技术，该技术可以实现单车全自动无人驾驶独立运行，且每辆车都拥有相同的配置，可进行灵活编组，主要参数见表1。运营方可根据工程投资需求、线路运营能耗、客流高低峰等情况对APM列车进行1～6节任意编组[5]。

表1 APM车辆的主要参数

2 制动控制模块产品

APM列车制动控制模块的主要产品见表2。

表2 制动控制模块产品配置

2.1 供风装置

每辆车配置一台供风装置，主要用于为制动系统和其他辅助系统提供洁净的压缩空气。

F03T-N0.4B供风装置无油涡旋的方式进行空气压缩，可将供风装置分为空气压缩模块、空气过滤模块和空气控制模块三大模块。空气压缩模块主要由电动机(M)、压缩机(C)、进气过滤器(AF)、冷却器(AC1)和安全阀(SF1)组成，其主要功能是提供压缩并冷却后的空气。空气过滤模块主要由气水分离器(WS)、双塔干燥器(DT)、灰尘过滤器(DF)和排污电磁阀(SV1/SV2)组成，其主要功能是对压缩空气进行过滤排污处理，提高压缩空气洁净度。空气控制模块由最小压力阀(MPV)、总风隔离旋塞(DC)、测试插座(TP)和压力传感器(P/I)组成，其主要功能是监测压力并对压缩空气供给进行控制。供风装置各子部件通过吊架集成，结构紧凑，对安装空间需求较小，有利于列车部件的集成布局。

2.2 空气控制包

每辆车配置一台空气控制包，主要用于调节和分配压缩空气至制动系统产品和其他气动附件。海泰公司的空气控制包共有两种国产型号，其中ACP-20型号是在上海项目营运经验、客户需求和国内外贸易环境影响下设计的新产品，ACP-20型号相比ACP-10型号性能更优、故障率更低、国产化率更高。

空气控制包可分为气控和电控箱两大模块，其中电控箱模块主要由护箱、模拟量控制器(AX-320)、数字量控制器(DX-310)和继电器(BIR)等电器部件组成。通过模拟量控制器和数字量控制器，车辆可进行制动控制管理。继电器用于紧急制动回路，可通过继电器控制多个电磁阀进行紧急制动并上报紧急制动状态信号。气控模块主要由风缸(R3)、过滤器(F2)、压力开关(PS-MRL)、减压阀(PR-PB/PR-AR)、塞门(MV-SS/MV-AR)、溢流阀(PH-SS)、压力表(PG-PB/PG-AR)、快泄阀(QRV)、电磁阀(SV-AR/SV-FS)、安全阀(RV3)和止回阀(CV3/CV4)等功能部件组成。

控制控制包主要功能如下，如图2所示。

(1)制动供风控制。经过减压阀(PR-PB)调压后，压缩空气通过“PROT B”口输往制动控制包。

(2)空簧供风控制。经过塞门(MV-SS)和溢流阀(PH-SS)的压缩空气通过“PROT S”口输往高度阀进气口。塞门(MV-SS)用于控制供气状态，溢流阀(PH-SS)用于设置进行空簧供风的压力门槛值。

(3)弹簧制动施加。电磁阀(SV-FS)断电后，弹簧缸的压缩空气通过“PROT E”口、塞门(MV-AR)、快泄阀(QRV)和电磁阀(SV-FS)排空。

(4)弹簧制动缓解。空气控制包共有三种冗余弹簧制动缓解方式：①通过电磁阀(SV-FS)通电后，来自主风缸的压缩空气经过电磁阀(SV-FS)、快泄阀(QRV)、塞门(MV-AR)和“PROT E”口输往弹簧缸进行缓解。②通过电磁阀(SV-AR)和电磁阀(SV-FS)通电后，来自风缸(R3)的压缩空气经过电磁阀(SV-AR)、电磁阀(SV-FS)、快泄阀(QRV)、塞门(MV-AR)和“PROT E”口输往弹簧缸进行缓解。③通过操作塞门(MV-AR)后，来自风缸(R3)的压缩空气经过塞门(MV-AR)和“PROT E”口输往弹簧缸进行缓解。

(5)空气压力监测。压力表(PG-PB/PG-AR)用于实时显示气路压力，压力开关(PS-MRL)实时监测总风压力，上报压力状态用于进行空压机控制判定。

(6)弹簧制动缓解保障。通过风缸(R3)和止回阀(CV3/CV4)可以消除总风缸压力波动对弹簧制动缓解的影响。

2.3 制动控制包

每辆车配置两台制动控制包，分布安装于车辆两端，每台制动控制包独立控制每个车轴上的制动器进行摩擦制动。如果任一台制动控制包制动失效，则另一台制动控制包将为整辆车提供所需制动力。如两台制动控制包制动均失效，为确保行车安全，车辆将触发紧急制动。

海泰公司的国产化制动控制包共有两种型号，其中BCP-20型号是在上海项目营运经验、客户需求和国内外贸易环境影响下设计的新产品，BCP-20型号相比BCP-10型号性能更优、故障率更低、国产化率更高。BCP-20新增空重车阀，使车辆紧急制动减速度不受载客情况影响，保持不变。

制动控制包主要由过滤器(F1，仅BCP-20)、止回阀(CV2)、风缸(R2)、中继阀(RLV)、电磁阀(SV-PE)、塞门(MV-BC)、压力开关(PS-P/PS-A/PS-E/PS-S，PS-S仅BCP-20)、压力传感器(PT-BC)、测试接头(T1/T2)、溢流双向阀(PPV-DCV1)、快泄阀(QRV)、减压阀(PR-PE)、压力表(PG-PE)、电空比例阀(PAV)、空重车阀(ELAV，仅BCP-20)等组成。

制动控制包通过风缸(R2)存储制动用风，产品进气口处过滤器(F1)可进一步提升供气质量，止回阀(CV2)可以避免供气端压力衰减对制动用风产生影响。

制动控制包中的中继阀(RLV)具有空气流量放大作用，以便快速响应制动指令，电空比例阀(PAV)用于实现常用制动时车辆控制电压与空气压力之间转换，最后通过电磁阀(SV-PE)和中继阀将常用制动压力输送至制动缸。经过减压阀(PR-PE)和空重车阀(ELAV)调整后的压缩空气，通过电磁阀和中继阀将紧急制动压力输送至制动缸。制动控制包的电磁阀用于对紧急制动模式和常用制动模式切换，以故障导向安全为原则，失电快速施加空气紧急制动。

塞门(MV-BC)可通过车厢内缓解拉绳操作，用于制动缓解故障时的制动力切除。双向溢流阀(PPV-DCV1)用于防止弹簧制动和空气制动叠加。快泄阀(QRV)可以快速排空弹簧气室的空气，实现弹簧紧急制动的快速响应。

压力开关和压力传感器(PT-BC)将回路压力状态反馈至TCMS系统，实时监测行车制动压力。其中压力开关(PS-A)反馈保持制动是否施加信号、压力开关(PS-E)反馈压力制动是否施加信号、压力开关(PS-P)反馈压力制动是否缓解信号、压力开关(PS-S)反馈弹簧制动是否缓解信号和压力传感器负责进行制动闭环控制监测。

2.4 高度阀

APM车辆采用高度阀三点位置控制设计[6]，所以每辆车配置三个高度阀。高度阀用于自动调整车辆高度，在不同载客量下，始终确保车辆地板高度和站台平面等高，以便进行无障碍上下客。

2.5 主风缸

每辆车配置一台主风缸，主风缸直接设置在供风装置出口处，用于存储压缩空气，在主风缸上装有一个安全阀(11 bar)和一个排水旋塞。安全阀可在供风装置故障时进行泄压，排水塞门可定期排放风缸内积水。

2.6 空簧风缸

每辆车配置四台空簧风缸。同高度阀的三点位置控制设计相同，仅需对三台空簧风缸配置压力传感器，TCMS通过压力传感器监测空簧压力状态，在异常时向车辆发出警报。

3 制动控制模块功能

3.1 网络系统架构

APM车辆的列车控制管理系统(TCMS)是国际电工委员会和国际铁路联盟规定的列车通讯网络(TCN)标准为基础。TCMS系统由铰接式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)组成，具有分布式、模块化、实时通讯等特点。WTB负责每辆车之间的通讯，MVB负责每辆车内设备之间通讯。每辆车上的TCMS系统均相同。

3.2 运行控制功能

车辆控制单元(VCU-C)通过MVB控制子系统或与子系统进行通讯。车辆控制系统软件安装在VCU-C中，包括车辆和列车两种控制功能，其中车辆控制中的运行控制模块负责车辆的牵引或制动模式控制。运行控制模块根据手动控制器或ATC的速度指令和牵引/制动指令，对车辆进行牵引或制动模式控制。运行控制模块中的电空混合和电制动淡出逻辑如下。

(1)当车辆速度超过5 km/h，电制动发挥其最大潜能。

(2)当车辆速度降低到5 km/h以下时，电制动减小，常用制动增加，以对减少的电制动力进行补偿。

(3)在大约1 km/h时，电制动将降低到零，同时常用制动力增加到所需要的制动力。

3.3 常用制动控制

常用制动控制模块负责常用制动系统的控制和诊断功能。常用制动控制与紧急制动相互分离，以便TCMS对安全没有影响。

常用制动控制模块根据收到的制动力请求计算所需制动气压。然后通过MVB将所需制动气压传输到空气控制包中的AX-320。AX-320随后输出一个与压力请求值成比例的电压至制动控制包中的PAV，同时通过PT-BC对制动气压进行闭环控制。如果实际制动气压与需求制动气压相差超过10%，AX-320将记录该故障并向ATC发送报警信息。

当列车需要短暂停车时，常用制动控制模块将进行保持制动控制，允许列车施加一个特定的压力。当列车停放在车站时，每个制动缸上施加90 PSI的压力，其余情况下施加100 PSI的压力。

在紧急制动期间，常用制动控制模块通过空气控制包中的DX-310切断PAV电源。当从紧急制动过渡到最大制动时(紧急制动重置)，立即施加最大制动力，以防止瞬间失去制动力产生冲击。

3.4 紧急制动控制

紧急制动通过纯摩擦制动提供所需制动力，车辆牵引在紧急制动时为禁用状态。在收到来自列车自动控制(ATC)的命令后或在紧急列车线中断后车辆启动紧急制动。

制动控制模块的紧急制动功能以故障导向安全的原则进行设计，通过切断BCP中的SV-PE和ACP中的SV-FS供电的方式施加气压紧急制动和弹簧紧急制动。弹簧紧急制动为气压紧急制动的冗余。若气压紧急制动未达到BCP中PPV-DCV的设定值时，弹簧紧急制动将自动施加以保证车辆安全地紧急停止。

当车辆停止服务或在车间长期停放的时候，通过断开紧急列车线的方式施加停放制动。气压紧急制动和弹簧紧急制动冗余作用，可使车辆保持在一个永久静置的状态。

3.5 弹簧制动辅助缓解

为了缓解弹簧紧急制动，需要供应足够的空气压力将弹簧状态进行复位。缓解弹簧紧急制动的方式有4种。

(1)正常情况下，闭合紧急列车线激活SV-FS的供电，将压缩空气充入弹簧缸，弹簧缸压力达到3.7 bar后即可完全缓解弹簧紧急制动。

(2)若恢复SV-FS的供电后，由于ACP前端的气压不足导致无法缓解弹簧紧急制动，则需通过操作手动控制器上的辅助释放按钮打开ACP上的SV-AR的供电。此时ACP中R3压缩空气将通过SV-AR、SV-FS、QRV和MV-AR到达弹簧缸，若R3中压缩空气大于3.7 bar，即可完全缓解弹簧紧急制动。

(3)可将ACP中MV-AR的手柄转动90°，使R3中的压缩空气充入弹簧缸，也可完全缓解弹簧紧急制动。

(4)通过旋转弹簧缸背面的紧固件，手动缓解弹簧紧急制动。

4 展 望

南京海泰公司实现了APM车辆制动控制模块的国产化设计和生产，为国内首个也是唯一的APM车辆制动控制模块的生产厂家。所谓制动控制模块国产化，包含两个内容。(1)重要的制动控制模块产品实现在国内制造生产，或进口国外零部件国内组装，如上海浦江APM项目用制动控制模块。(2)要实现关键核心技术的自主创新，这种国产化又称自主化[7]，如国内的深圳机场APM项目(18辆)、成都天府国际机场APM项目(4辆)和香港机场APM项目(36辆)和国外的泰国曼谷黄粉线APM项目(6辆)用制动控制模块。

虽然制动控制模块已经实现自主化和出口国外，为我国自动旅客捷运系统制动产品的健康发展起到了重要的引领作用。但部分核心部件仍依赖进口，如进行制动控制和管理的硬件和软件系统、电空比例阀、电磁阀、传感器、压力开关、双向溢流阀和中继阀，导致制动控制模块仍然会受到全球贸易环境及供应链安全的影响，存在一定的隐患，不利于国产化制动控制模块的长期健康发展。因此，攻关核心部件实现完全自主化是国产化制动控制模块发展的重要任务，也是国内自动旅客捷运系统产品健康发展的必经之路[8]。