基于TCN技术的动车组恒速运行控制策略研究

基于TCN技术的动车组恒速运行控制策略研究

孙正阳

（长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

摘要：恒速运行是动车组列车常用的一种运行模式,通过恒速模式可以方便的实现动车组正

点运行和一些特殊的操作模式。本文在比较分析CRH3型动车组和CRH5型动车组恒速控

制的策略的基础上,提出一种基于TCN技术的动车组恒速控制策略,并通过仿真分析,验证其

可行性。

关键词：网络控制动车组恒速控制

1 前言

恒速控制可以实现动车组在(0%—100%)最高速度范围内任一速度下稳定运行，是动车组在运营过程中常用的一种操作模式。一方面，通过恒速控制可以实现动车组正点运行，有利于铁路系统的正常运行。另一方面，通过恒速控制可以方便的实现动车组一些特殊的操作模式，比如联挂操作、调车操作和车间运行操作等。

CRH3和CRH5型动车组是中国北车集团消化、吸收、引进的高速动车组的主导车型，也是目前中国在线运营的高速动车组的主要车型之一，其整车的核心控制系统是基于欧洲TCN标准的分布式的列车网络控制系统。通过列车网络控制系统的列车总线WTB(Wire Train Bus)、车辆总线MVB(Multifunction Vehicles Bus)和分布式的I/O模块可以实现整车信息的交互，实现整车的协同控制，实现整车故障信息的集中显示和存储，通过列车网络控制系统，可以很方便实现包括恒速控制在内的动车组的正常运行。

本文通过两种动车组在实际运用时的操作方法以及牵引、制动和网络之间的数据传输信息等方面的比较分析，结合其它行业恒速控制的常用方法，提出一种基于TCN技术的恒速控制策略，并通过仿真验证了其可行性。

2 恒速模式下网络控制的必要性

CRH3和CRH5型动车组短编组都为8辆编组，采用符合TCN标准的二级总线的拓扑结构，各车辆之间的通信总线为列车总线WTB；在车辆内部的通信总线为车辆总线MVB。主干通信网络采用两条冗余的线缆，核心部件如中央控制单元、UIC网关和人机接口单元完全冗余。两种动车组的拓扑结构基本上类似，列车网络拓扑示意图1所示[1]：

两种动车组整车的控制在细节上略有不同，基本思想上是一致的，动车组的牵引、辅助和制动等系统的控制是通过网络控制系统执行的，考虑到安全性，动车组的牵引控制以网络为主，制动的控制以硬线为主，牵引和制动的信息交互通过网络执行，涉及安全的信息有硬线备份。

在手动运行模式下，牵引和制动系统通过列车网络控制系统获取司控器的级位信息，由牵引控制单元计算牵引力的大小，由制动控制单元计算施加的电制动力的大小以及空气制动力的大小。在恒速模式下，尤其是低恒速模式下，列车频繁的处于牵引和制动两种不同且相互对立的两种状态，考虑到

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恒速控制精度、传输延时和列车的安全性等因素，此时不再适合采用手动模式的方式计算牵引和制动力的答谢，列车网络控制系统可以方便的获取整车牵引、制动的可用性，列车的速度信息，列车的载重等整车信息，可以方便的集中管理和分配列车的牵引和制动力。因此，两种动车组在恒速模式下牵引和制动力的大小由列车网络控制系统计算。

WTB/MVB 网关表示WTB 线；表示MVB 线；表示硬线有阴影的设备表示冗余的设备

WTB/MVB 网关司控器

人机接口

图1 动车组列车网络控制系统的拓扑示意图

3 两种动车组恒速模式的对比分析[2,3]

3.1 恒速模式触发方式的对比分析

两种动车组在恒速模式在触发方式，速度值的设定等方面存在差异，主要的差异如下表所示：

表1 动车组在恒速控制的触发方式比较分析

CRH3

CRH5 成立条件 成立条件由列车网络控制系统判断，基本上一样，即列车处于牵引状态，牵引手柄处于牵引位，制动手柄处于零

位，略有不同的是CRH3牵引和制动手柄是分开的，而CRH5型动车组是合在一起的。

触发方式 通过列车网络控制系统的人机接口单元（HMI ）触发

通过司机台单独的恒速手柄来触发，通过列车网络控制系统的

I/O 模块采集 速度设定 通过HMI 的触摸式按钮实现，可方便选择常用的低恒速的模式，以及其它速度的设定。通过网络检测

通过推动恒速手柄设定，向前为加，向后为减，速度30以下，

精度为1，30以上，精度为5。通过列车网络控制系统的I/O 模

块检测 通过上表分析，可以看出，CRH3型动车恒速触发的方式和速度的设定比较方便和人性化，完全通过列车网络控制系统实现，降低了成本，唯一不足可能是不太符合的操作习惯，操作感较差；而CRH5性动车组采用传统的操作模式，单独设置的恒速手柄，一方面增加了成本，一方面不够人性化，速度设定不是很方面，由于增加了中间的I/O 采集环节，速度设定时偶尔会出现迟滞的现象。

3.2 恒速模式控制策略的对比分析

两种动车组在控制策略上都是通过设定速度和当前速度的差值，通过相应的控制算法，产生牵引或制动力，通过列车控制网络传给牵引或制动控制器，然后控制牵引或制动系统输出相应的力，简单的控制流程图如下图所示：

图2 恒速控制控制流程图

在控制算法的实现方式上，CRH5型动车组通过MATLAB/SIMULINK实现应用层软件的开发，在通用模块的基础上，阿尔斯通进行了二次开发，控制算法采用常用的PI控制算法，控制逻辑简单明了；CRH3型动车组是西门子自己开发的，专用于铁路应用的模块化控制系统SIBAS G,控制模块内部信息没有开放，控制算法比较复杂，考虑了各种复杂的工况。

4 优化的恒速控制策略[4]

通过上面的比较分析，结合两种动车组的特点，取长补短，优化的恒速控制算法如下所示：（1）恒速控制的触发方式采用CRH3型动车组的方式，用显示屏触发，一方面实现方式简单、人性化，另一方面，降低成本，节约司机台空间。

（2）恒速控制策略上，通过分析两种动车有一些不足和相应的解决办法如下：

a：当恒速设定的速度比较高时，牵引手柄的设定值比较小时，有可能不能达到恒速控制的目标速度，需要二次调整牵引手柄的值或需要司机有很好的预判和经验，既然通过司机显示屏实现恒速的触发，列车网络能够通过获取相关信息，以理论计算的方式计算出当前牵引手柄的设定值所能达到的最大的速度，并可以通过显示屏动态的显示，给司机行车提供建议和指导。

b：当∆V小于0时，如果通过一系列计算和逻辑判断之后，如果得出的牵引力大于牵引手柄的设定值，仍输出牵引手柄的设定值，这不仅增加了额外计算延时，也是对系统资源的一种浪费，可以通过切换控制策略的思想优化算法如下[5]：

当系统处于牵引状态时，如果∆V＜ -10（可根据实际情况调整），可直接输出当前的牵引手柄的设定值；∆V＞-8（可根据实际情况调整），采用PI控制算法，输出牵引力的大小。可减少计算延时，实现恒速控制的快速响应。

同样的原理，当系统处于制动状态，电制动状态时，如果速度差值较大时，考虑到乘客的舒适性，可以直接输出建议的最大减速度所对应的电制动力，然后采用PI控制算法，计算相应电制动力；空气制动状态时，因为此时速度较小，直接输出最小级别的空气制动即可。

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