复兴号智能动车组半实物仿真试验平台研究

郑恒亮, 李海龙, 吕龙

(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

复兴号CR400BF智能动车组采用完全以太网控车技术，列车网络系统TCMS与各子系统控制器通过以太网总线实现电气连接，基于复杂的总线传输协议实现复杂的控制算法、故障诊断与保护策略.要设计和实现如此复杂和庞大的控制系统，并确保安全可靠，无论是设计系统间的通信协议，开发系统内部控制算法，还是在列车运用维护过程中分析处理实际故障，都迫切需要一个地面仿真试验台，实现对网络通信协议、逻辑控制算法、故障诊断与保护策略等方面进行测试和验证[1-2].本文针对复兴号CR400BF智能动车组电气系统技术特点，通过软件编程虚拟整车电气系统数学模型，并与TCMS真实设备(如中央控制单元CCU、显示屏HMI)相结合，形成闭环测试系统，测试TCMS真实设备在虚拟整车环境下的响应特性，验证TCMS各项功能安全可靠.

1 总体设计

1.1 需求分析

为提高仿真结果的置信度，需最大限度地模拟实际车辆电控系统间交互联动工作环境，其中不仅需要考虑外围电路接线关系，还要考虑基于总线通信实现的更加复杂的信息交互关系.大量的信号交互、针对外部激励实现的多目标控制逻辑算法以及相应的故障诊断保护策略，是虚拟列车数学模型应该考虑和解决的问题[3].另一方面，仿真测试平台还应具备通用性、易操作性和经济性[4-5]，由于不同车辆电气原理不尽相同，仿真测试平台应具有较强的通用性，避免反复修改平台的电气接线[5]；应具备友好的人机交互界面便于测试人员进行操作，同时还应考虑缩减设计成本[6-7].

1.2 总体架构

基于以上需求分析，结合复兴号CR400BF智能动车组TCMS拓扑结构(如图1)进行总体设计.动车组列车采用8辆编组，分为2个牵引单元，每个牵引单元4辆编组(2动2拖).TCMS拓扑结构采用基于IEC61375系列标准的工业以太网架构，按照列车级、车辆级两级网络组织形式，列车级骨干网采用链路聚合线型架构，车辆级交换机之间采用并行冗余直线型连接，子系统设备通过双归属以太网接口分别连接至以太网交换机ECNN通道1和2.列车级骨干网ETB负责跨牵引单元的数据传输，编组网ECN负责本牵引单元内部数据传输，各子系统控制器作为以太网终端设备ED，通过双归属冗余接口分别连接至本车厢冗余的交换机链路上.本牵引单元内部CCU通过与子系统间的通信协议，实现对子系统控制工作状态的收集，通过输入输出模块IOM采集车辆硬线电路状态，经过逻辑运算发布控制指令，同时执行故障诊断和保护动作，将必要的信息通过列车显示器HMI实时推送给司乘人员.

图1 复兴号CR400BF智能动车组TCMS拓扑图

2 详细设计

搭建半实物仿真平台旨在利用虚拟仿真方法测试真实列车网络系统软硬件功能.因此平台搭建原则为列车网络系统重要设备采用与车辆实际型号相同的硬件产品，对于地面难以搭建的硬线原理以及其他子系统采用虚拟仿真的方式实现[8].仿真试验台系统结构如图2所示.

图2 半实物仿真试验台系统结构

2.1 硬件设计

硬件平台原理如图3所示，平台未按照实际车厢号进行划分，而是按照2个牵引单元进行硬件设备布局.考虑到试验台2个牵引单元之间ETBN实际距离较短，且终端设备所需的以太网接口较少，因此取消中间车EREP和ECNN.考虑到试验台成本取消部分冗余设置：ETB总线取消了冗余、双通道交换机取消冗余改成单一通道，子系统控制器双归属冗余接口仅使用其中一个与交换机进行连接.

图3 仿真试验平台拓扑图

TCMS待测设备CCU、HMI以及以太网通信载体(ETBN和ECNN)采用实际硬件设备，仿真工控机IPC搭载实时以太网板卡，通过以太网接口与CCU进行硬件连接，借助显示器HMI进行必要的状态显示和故障提示等.

2.2 软件设计

基于复兴号CR400BF智能动车组整车电气原理和各子系统控制器实现的电气功能，在ControlBuild开发环境下进行软件编程，搭建虚拟列车数学模型.以系统为单位进行模块化设计，具体包括：整车电气原理仿真模型和子系统控制器仿真模型.电气原理仿真模型，完全按照真实车辆电气接线关系进行开发，实现各系统外围硬线控制电路信号传输；子系统控制器仿真模型，基于子系统与TCMS的通信协议进行软件开发，实现子系统对内部设备的监控和管理，并将系统实际工作状态反馈至TCMS.

2.2.1 整车电气原理仿真建模

考虑到应用的广泛性和复杂性，ControlBuild为电路仿真提供了多种手段，其中应用比较广泛的是Structured Text和Low Voltage Diagram，本文采用Low Voltage Diagram进行电气原理仿真建模.

依据复兴号CR400BF智能动车组电气接线图，逐步实现单个功能的仿真，图4为所开发的牵引控制器TCU外部供电电路仿真模型.TCU外部供电条件包括“直流110V电源信号”和“直流110V控制电信号”.“直流电源110V信号”具备条件需通过闭合空开C02_F23_F01实现；正常工况下“直流110V控制电信号”具备条件需同时满足空开C02_F23_F02闭合以及CCU输出DO指令驱动继电器触点(qytcuenabledo35或qytcuenabledo36)闭合(CCU故障工况下，可通过闭合紧急模式继电器C02_F22_K72旁路CCU的DO指令)上述条件通过电气原理仿真模型实现，作为TCU仿真模型输入，经TCU仿真模型判断后续是否可正常上电启动.

图4 电气原理仿真模型

对单一功能进行仿真结束后，可逐渐完成整个功能组电气原理仿真模型的开发，最终将功能组电气原理模型整合成整车电气原理仿真模型.

考虑到平台的易操作性，设计了可视化司机操纵台界面，列车司机台和电气柜内部可操作电器元件(如：开关、继电器、接触器)均可通过可视化界面方便地进行操作.如图5模拟复兴号CR400BF智能动车组司机台开发了可视化操作界面，其中主要包括司机钥匙、方向开关、升弓开关、主断开关、司控器手柄、开关门按钮等.同时开发了司机室二级操作区可视化操作界面，主要包括ATP隔离开关、GFX过分相开关、紧急制动旁路开关、拖拽/救援选择开关、保持制动隔离等；开发了客室各电气柜可视化操作界面，主要包括各系统控制器供电空开、继电器等.

图5 仿真试验台可视化操作界面

2.2.2 子系统控制器仿真建模

子系统仿真模型应涵盖车辆所有关键系统，包括牵引系统、高压系统、制动系统、辅助供电、安全监控、车门等众多子系统，子系统控制器仿真模型接收CCU控制指令，通过仿真算法虚拟实现系统内部控制功能，并将系统工作状态反馈给CCU.

由于车辆子系统较多，在ControlBuild开发环境下应根据系统功能进行模块化设计，首先选取关键子系统逐一分解控制器的功能，本例选取牵引系统关键功能进行软件模块化设计：TCU上电启动流程,如图6.

图6 TCU上电启动流程

TCU上电实现流程如下：①TCU供电启动需同时具备直流110V电源信号和110V控制电信号，如蓄电池电量较低，CCU检测受电弓升起后通过DO输出TCU控制电信号，受电弓降下CCU延时取消TCU控制电信号，因此TCU需获取的车辆状态包括110V电源信号、CCU通过DO输出的110V控制电信号；②推理机内预先设置软件控制规则，当同时具备110V电源信号和110V控制电信号，TCU上电启动进行自检；③若自检失败应记录故障并保持封锁状态，若无故障TCU正常启动，转入牵引/电制动实现流程.

牵引/电制动实现流程如图7所示，过程如下：①TCU上电正常启动后，TCU输出VCB使能信号；②CCU根据VCB使能信号状态，输出VCB闭合指令，VCB闭合后车辆具备高压电；③TCU检测到高压电后，进行预充电过程控制；④预充电完成后，进行主接触器闭合控制；⑤主接触器闭合后，采集到CCU发出的车辆具备牵引/电制动条件，牵引系统PWM脉冲信号激活；⑥TCU根据CCU发出的牵引/电制动力实际信息，输出牵引/电制动力，维持车辆整车运行，并将工作状态反馈至CCU.

图7 牵引/电制动实现流程

另外在故障工况下CCU可以根据故障情况对故障进行安全导向，严重时刻进行牵引系统设备切除或执行整车限速功能，上述功能可通过模拟车辆故障进行验证.

同理可对车辆其他子系统功能进行逐一分解，逐步完善子系统仿真模型，最终形成整车所有子系统控制器仿真模型.

3 功能测试

3.1 正常工况测试

通过可视化操作界面，检查“司机钥匙”置于开位激活司机室， “司控器手柄” 置于中立位， 空开C02_F23_F01和C02_F23_F02处于闭合状态，蓄电池长时间工作电量已降低至55%，将“受电弓开关”置于升弓位，通过观测CCU内部变量查看车辆状态如图8所示，具体说明见表1.

图8 车辆状态监视界面

表1 TCU上电启动阶段说明

3.2 故障工况测试

通过可视化操作界面，将“司机钥匙”置于开位激活司机室，“方向开关”置于向前，分别操作“关门”和“缓解停放制动”，正常操作受电弓闭合和主断VCB闭合，操作“司控器手柄”设置列车恒速运行.列车运行期间，模拟5车1轴大齿轮箱电机侧超温，动车组列车可自动封锁牵引逆变器并通过HMI提示故障，同时提示列车自动限速140 km/h以下，如图9所示.

图9 仿真试验台故障诊断与显示界面

4 结论

本文针对复兴号CR400BF智能动车组整车功能测试需求， 创建了整车电气原理仿真模型(含可视化操作界面)和子系统控制器仿真模型，通过以太网总线实现仿真工控机与TCMS真实设备的数据通信，仿真模拟动车组列车真实运行环境，分别在正常工况和故障工况下，检验整车控制及故障保护功能.复兴号CR400BF智能动车组调试及运用结果表明，该仿真试验平台能够在实验室环境下有效地完成列车功能测试，有效缩短了列调周期，为车辆正线运营的安全性和可靠性提供了技术保障.