王 凱，王韶力

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業(yè)部，山東 青島 266031)

CRH5型動車組在實際運用過程中，恒速模式下會出現(xiàn)速度偏差較大問題，通過對速度校準(zhǔn)原理及大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)原速度校準(zhǔn)方案在特殊工況下會造成速度校準(zhǔn)失敗，最終導(dǎo)致恒速模式異常。

為有效減少該問題對正常運營秩序的影響，本文提出了一種手動輸入輪徑值進(jìn)行速度校準(zhǔn)的優(yōu)化方案，通過修改速度計算邏輯、升級顯示屏軟件，可有效減少由于原速度校準(zhǔn)機(jī)制缺陷造成的動車組速度校準(zhǔn)失效。

1 速度校準(zhǔn)原理

CRH5型動車組為8輛車編組，每半列車為一個牽引單元。動車組TCMS(列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng))獲取的列車速度共有3個速度源：BCU(制動控制單元)、TCU(牽引控制單元)和PMU(旅客信息控制單元)，分別通過MVB總線和CAN總線獲取。以8車所在半列為例，BCU速度取自6車拖軸速度傳感器，TCU速度取自7車和8車電動機(jī)速度傳感器[1]。

由于BCU/TCU速度均采用半磨耗輪徑值計算，而動車組實際運用中由于新?lián)Q輪對、檢修旋輪及自然磨耗等原因，輪徑值可能并非半磨耗值，導(dǎo)致反饋速度不準(zhǔn)確，因此需要采用更為準(zhǔn)確的GPS速度對其進(jìn)行校準(zhǔn)。

TCMS校準(zhǔn)后的動車組速度vTCMS=vBCU·K(假設(shè)采用BCU速度)。CRH5型動車組速度校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 CRH5型動車組速度校準(zhǔn)原理框圖

2 恒速控車原理

手動控車模式下，牽引系統(tǒng)通過TCMS采集司控器的級位信息，由TCU計算牽引力大小，而制動系統(tǒng)則獨立采集司控器的級位信息，由BCU計算電制動力及空氣制動力的大小。恒速控車模式下，考慮到控制精度、牽引及制動頻繁切換、傳輸延時等因素，采用以TCMS為主的控車機(jī)制，可以方便地集中管理和分配列車的牽引力和制動力。

恒速控車的基本原理為：主控端主處理單元實時比較當(dāng)前動車組速度vTCMS與設(shè)定目標(biāo)速度vSET，通過相應(yīng)的控制算法，綜合司控器級位牽引力矩和BCU電制動力矩，產(chǎn)生調(diào)整速度所需的牽引力或制動力。當(dāng)動車組速度大于35 km/h時，默認(rèn)采用電制動；而當(dāng)速度低于35 km/h時，實現(xiàn)電空轉(zhuǎn)換，采用空氣制動[2]。

CRH5型動車組恒速控車原理如圖2所示。

圖2 CRH5型動車組恒速控車原理框圖

3 速度不準(zhǔn)原因分析

由第2節(jié)分析可知，動車組恒速控車僅與當(dāng)前動車組速度vTCMS與設(shè)定目標(biāo)速度vSET有關(guān)，目標(biāo)速度一旦設(shè)置即確定，因此能否實現(xiàn)恒速控車的關(guān)鍵在于vTCMS是否計算準(zhǔn)確。而根據(jù)第1節(jié)，vTCMS取決于待校準(zhǔn)的BCU/TCU速度及校準(zhǔn)系數(shù)K值，因此K值計算準(zhǔn)確與否直接決定動車組速度準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響恒速控車精度[3-5]。

如果K值計算偏小，即vTCMS偏小，而恒速控車以vTCMS為準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就會造成實際速度偏高；反之則偏低。

結(jié)合速度校準(zhǔn)原理及大量數(shù)據(jù)分析，可能造成K值誤差較大、速度“校不準(zhǔn)”的原因主要有幾個方面：(1)GPS信號不穩(wěn)定；(2)數(shù)據(jù)更新周期差異；(3)輪徑值差異。

3.1 GPS信號不穩(wěn)定

GPS信號來自PMU的GPS天線，受地形起伏、外界環(huán)境等影響較大。GPS速度是由GPS接收器利用其輸出位置數(shù)椐算出每一秒鐘的具體經(jīng)緯度坐標(biāo)差值，然后再除以一秒鐘，就是一秒鐘內(nèi)的平均速度。動車組在運用過程中，由于運行交路的差別，經(jīng)常需要穿越山脈溝谷、橋梁隧道等GPS信號較弱的區(qū)域，這種工況下經(jīng)緯度坐標(biāo)信息相對不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致計算得到的GPS速度出現(xiàn)較大誤差。如果此時正在進(jìn)行速度校準(zhǔn)系數(shù)的計算，就可能造成K值誤差較大。

GPS設(shè)備在車載應(yīng)用中，由于受到車輛等外界環(huán)境的干擾，不可避免地存在靜態(tài)位置漂移和速度漂移。一般來講，GPS速度越高越準(zhǔn)確，而速度較低時易出現(xiàn)速度漂移。然而，目前的算法并未對GPS設(shè)備無效漂移信號進(jìn)行過濾。如果動車組在靜止?fàn)顟B(tài)下，GPS速度由于速度漂移導(dǎo)致滿足K值計算條件，也會出現(xiàn)K值被錯誤計算及更新的情況。

3.2 數(shù)據(jù)更新周期差異

CRH5型動車組TCMS采用TCN標(biāo)準(zhǔn)，由列車級總線和車輛級總線2個總線層構(gòu)成。車輛級總線根據(jù)功能不同又分為MVB-A信號總線、MVB-B牽引總線、MVB-C舒適總線和CAN總線。MVB-A信號總線實現(xiàn)MPU-LT、MPU-LC與網(wǎng)關(guān)之間信息交互；MVB-B牽引總線實現(xiàn)與牽引、制動等子系統(tǒng)之間的信息交互；MVB-C舒適總線實現(xiàn)與空調(diào)、車門等子系統(tǒng)之間的信息交互；CAN總線實現(xiàn)與PMU、軸溫檢測等子系統(tǒng)之間的信息交互。CRH5型動車組TCMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

速度校準(zhǔn)邏輯在MPU-LT中實現(xiàn)，TCU/BCU速度可通過MVB-B牽引總線直接獲取，而GPS速度則首先由MPU-LC通過CAN總線獲取，然后通過MVB-A信號總線轉(zhuǎn)發(fā)給MPU-LT。

TCU速度端口的刷新周期為32 ms(BCU為128 ms)，PMU發(fā)送給MPU-LC的GPS速度更新周期為1 000 ms，MPU-LC再將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給MPU-LT的周期為256 ms。從理論上講，端口刷新周期越長，速度更新周期越慢。GPS速度與BCU/TCU速度的變化頻率對比如圖4所示。

圖4 各速度變化頻率對比

計算平均速度時，可以用自速度曲線與時間軸所圍成的區(qū)域的面積表示。由圖4可以直觀看出，由于刷新周期的差異，加速階段會造成GPS平均速度小于TCU和BCU平均速度，從而造成計算的K值出現(xiàn)誤差；且斜率越大、加速度越大，K值誤差越大。

3.3 輪徑值差異

CRH5型動車組PMU位于6車，由于GPS速度未通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送全列，因此僅8車MPU-LT可獲取。在目前的速度校準(zhǔn)方案下，無論1車主控還是8車主控，均由8車MPU-LT計算K值，然后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送全列，因此K值實際為8車所在半列輪徑值的校準(zhǔn)系數(shù)。

如果2個半列的輪徑值由于旋輪或磨耗造成相差較大，當(dāng)1車主控時，相當(dāng)于使用8車的輪徑校準(zhǔn)系數(shù)校正1車半列的輪徑值，就會造成主控端速度誤差較大；但當(dāng)8車主控時，則不存在這種問題。

4 速度校準(zhǔn)優(yōu)化方案

由上述分析可知，采用GPS信號進(jìn)行速度校準(zhǔn)的方案在較為理想的環(huán)境、較為良好的工況下可以正常發(fā)揮作用，然而當(dāng)動車組運行線路多隧道或GPS信號偏弱、K值計算時車組處于急加速或急減速、GPS接收器靜止?fàn)顟B(tài)下速度漂移嚴(yán)重以及2個半列輪徑值相差較大等工況下，均可能造成速度校準(zhǔn)失效。

為有效解決該問題，本文提出了一種通過顯示屏手動設(shè)置實際輪徑值進(jìn)行速度校準(zhǔn)的方案，基本原理為使用手動設(shè)置并存儲的輪徑值計算K值，以校準(zhǔn)BCU/TCU速度。優(yōu)化方案的速度校準(zhǔn)原理如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案的速度校準(zhǔn)原理框圖

4.1 輪徑值設(shè)置及保存

優(yōu)化方案修改了顯示屏通信協(xié)議，優(yōu)化了顯示屏軟件，增加了輪徑值設(shè)置界面及保存功能。每個司機(jī)室的顯示屏僅可設(shè)置本半列4輛車的輪徑值，按下確認(rèn)按鈕時同步更新保存值。

打開輪徑值設(shè)置界面時自動讀取保存值，上電后讀取保存值并通過MVB端口實時發(fā)送至信號總線。

4.2 輪徑值獲取與校驗

動車組輪徑值的合理取值范圍為810～890 mm，在此范圍之外的輪徑值是無效的，因此使用輪徑值計算K值前必須進(jìn)行有效性校驗。在輪徑值設(shè)置界面手動設(shè)置輪徑值時，顯示屏實時校驗設(shè)置的數(shù)值是否有效，無效時彈出對話框提示重新設(shè)置(圖6)。

圖6 輪徑值設(shè)置

只有在MPU-LT與顯示屏通信初建立或者手動設(shè)置輪徑值并按下確認(rèn)鍵時，MPU-LT才會從MVB總線獲取更新輪徑值。而在進(jìn)行后續(xù)運算之前，對更新的數(shù)值進(jìn)行有效校驗，并在數(shù)值無效時通過彈屏報文提示重新設(shè)置相關(guān)輪徑值。

通過兩級校驗，可最大限度地保證輪徑值的合法性和有效性。

4.3 輪徑值選擇

由于BCU速度和TCU速度分別來自不同的車廂，所在車廂的輪徑值可能存在差異，因此對應(yīng)被校準(zhǔn)的速度源，需要選擇相應(yīng)車廂的輪徑值作為K值計算依據(jù)。

以8車所在半列為例，BCU速度作為被校準(zhǔn)速度時需采用6車輪徑值進(jìn)行K值計算，而TCU速度作為被校準(zhǔn)速度時則需采用7車和8車輪徑值的均值進(jìn)行K值計算。

4.4 K值計算

BCU/TCU反饋的速度值與設(shè)定的半磨耗輪徑值成正比，而實際速度與實際輪徑值成正比，因此優(yōu)化方案的速度校準(zhǔn)系數(shù)計算方法為：K=設(shè)定輪徑值/半磨耗輪徑值。當(dāng)設(shè)定輪徑值無效時，默認(rèn)采用半磨耗輪徑值，算得K=1，此時相當(dāng)于無校準(zhǔn)功能。

優(yōu)化方案K值計算流程如圖7所示。

圖7 優(yōu)化方案K值計算流程圖

5 方案驗證

優(yōu)化方案已完成試驗驗證，效果滿足要求。優(yōu)化方案與原方案速度校準(zhǔn)基本原理均為采用K值對車組的BCU/TCU速度進(jìn)行校準(zhǔn)，然而K值的計算方式截然不同，2種方案對比如表1所示。

表1 速度校準(zhǔn)原方案與優(yōu)化方案對比

6 結(jié)束語

本文通過深入研究CRH5型動車組速度校準(zhǔn)及恒速控車原理，分析了原速度校準(zhǔn)方案存在的缺陷，針對性地提出了一種通過手動設(shè)置輪徑值計算速度校準(zhǔn)系數(shù)的優(yōu)化方案，邏輯實現(xiàn)簡單可靠，適用于各種運用環(huán)境和線路工況，兩級數(shù)據(jù)校驗可有效防止K值誤算，并有效解決CRH5型動車組恒速異常問題。