制动减速度
城轨交通制动系统技术交流会
演讲题目
基于减速度控制的新一代地铁车辆制动控制技术
演讲嘉宾
赵建飞克诺尔车辆设备（苏州）有限公司
当前地铁车辆空气制动技术是将制动缸压力作为最终控制目标，然而受到制动摩擦材料自然特性的限制，制动过程中实际瞬时减速度波动相对较多；制动摩擦材料在实际使用过程中的摩擦特性是动态变化的，制动控制参数中采用固定计算摩擦系数并不能真实反映摩擦性能的变化。减速度控制技术在制动控制上的应用，将使地铁车辆空气制动控制技术实现从制动缸压力间接控制减速度的粗放型控制到制动减速度作为直接控制目标的精细化控制的转变。减速度控制技术使地铁车辆制动性能更稳定。
地铁车辆的制动系统通常由电制动、空气制动及机械停放制动实现列车的制动功能。
制动控制技术方面的突破直接推动轨道交通车辆制动技术的发展，如从真空制动发展到空气制动，从列车管自动空气制动发展到电空制动，从车控制动系统发展到分布式架控制动系统。根据地铁列车编组短且相对固定的特点，现代地铁列车通常采用直通式电空制动控制方式，具有结构简单、响应快速、性能稳定的特点。
地铁列车空气制动系统主要包括风源装置、电空制动控制装置及转向架基础制动装置等。其中电空制动控制装置是空气制动系统中的关键控制设备，具备与列车控制系统及电制动之间的通信功能，并实现空气制动系统内部空气制动力的实时计算分配，将需要的摩擦制动力转换成具体的制动缸控制压力并传至转向架的基础制动装置，再通过基础制动装置及相应的摩擦副产生摩擦制动力，最终通过轮轨间的黏着传递摩擦制动力，从而实现列车的制动。
国内地铁列车由于普遍采用列车自动驾驶（ato）及站台屏蔽门设置，因此对列车制动瞬时减速度的控制精度要求相当高。目前，地铁列车空气制动控制技术是通过对制动缸压力的控制达到对目标减速度的间接控制，但由于摩擦材料摩擦系数的自然波动特性使列车实际瞬时减速度并不能真正满足ato信号系统控制精度的要求。虽然列车精确停车与ato信号系统最后停车阶段的控制策略有很大关系，但最后停车阶段空气制动减速度的波动及不稳定现象往往成为信号系统认为列车停车对标不准的一个主要原因。
基于减速度控制的制动控制技术是目前地铁列车制动控制领域一个新的发展方向，标志着空气制动控制从粗放型控制到精细化控制的转变，从被动受制于制动摩擦材料的波动特性到主动调整控制减速度的转变。
01
地铁列车空气制动技术现状
1.1地铁列车制动性能要求
目前国内地铁列车制动性能的要求通常如下：
（1）列车最高运营速度下的紧急制动平均减速度≥1.2m/s2（较多a型地铁要求≥1.3m/s2）；
（2）列车最高运营速度下的最大常用制动平均减速度≥1.0m/s2。
从这些对地铁列车制动性能的顶层技术指标来看，它们对制动性能的要求更多的是从满足基本的制动能力要求出发，是一种粗放式的宏观指标要求而不是精细要求。最高运营速度下的平均减速度就是以某一特定速度下的总制动距离为目标，是一个宏观指标，而且所要求的最大常用制动平均减速度≥1.0m/s2并没有一个明确的目标名义减速度值及可度量的允许变化范围。ato信号系统对列车制动性能的要求更多的是基于瞬时减速度控制，这与目前地铁列车制动性能指标按照宏观平均减速度的要求不一致。
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1.2制动控制系统及功能
地铁列车制动控制系统对于来自司机控制器（以下简称“司控器”）或者ato信号系统的制动指令，通常采用图1所示的方式进行传递与处理。
图1制动控制系统与列车相关设备间的关系
图1中是6车编组地铁列车上一个制动控制器局域网络（can）单元内的制动系统与列车相关设备间（如列车控制管理系统tcms、牵引控制单元tcu）的关系，其中rbx代表制动控制智能阀及网关阀中的本地制动控制板，实现制动控制中最基本的紧急制动、常用制动及防滑控制功能；bcu是指网关阀中的制动控制管理板卡，bcu与各制动控制阀内的rbx（包括网关阀内的rbx）通过制动can内网进行通信。空气制动控制过程至少实现以下3个方面的功能。
（1）通过bcu与多功能车辆总线（mvb）之间的通信，可以实时获取牵引/制动状态及具体制动级位大小、电制动状态及实际电制动力反馈、本列车另一个制动can单元的状态（包括计算质量及各转向架制动控制阀的健康状态等）等信息，为网关阀的制动力计算及分配管理提供相关外部输入信息。
（2）进行列车总制动力需求计算并进行各转向架空气制动力分配。制动力分配按照电制动优先、空气制动力按需补偿的原则；空气制动力在补偿时通常按照各转向架平均分配及黏着限制相结合的分配方式，结合具体项目实际电制动能力状况可以适当调整动车制动计算黏着限制值，实现空气制动力的合理分配并兼顾拖车热负荷能力；网关阀计算出本制动can单元内各转向架制动控制阀的目标制动缸压力，并通过制动can内网传输至各转向架制动控制阀。
（3）各制动控制阀的rbx（包括阀关阀内的rbx）根据网关阀bcu实时传输过来的制动缸压力请求执行其所在转向架空气制动力具体施加的任务（紧急制动时各rbx板自动执行）。
1.3制动性能与摩擦材料性能的关系
列车制动过程就是能量转换过程，将列车的动能（如果有高度差时还有相应势能）转换为其他形式的能量，如电制动过程就是将能量转换为电能（反馈再生制动）或者热能（电阻制动装置）的过程；对于空气制动系统来说，制动力的产生是通过转向架基础制动装置摩擦副（如踏面制动的制动闸瓦与车轮踏面，盘型制动装置的制动闸片与制动盘）的摩擦制动实现，在此摩擦制动过程中产生摩擦热，制动力通过轮轨间黏着力的传递而实现。
制动摩擦系数与摩擦副之间的相对速度、温度及压应力等因素有关。图2所示为一种摩擦材料的摩擦系数与相对速度v、温度t及压应力p的关系曲线，从图中可知，实际摩擦系数是相对动态变化的，并非一个固定值。
图2摩擦系数与速度、温度及压应力关系
在中国城市轨道交通协会团体标准t/camet04004.9-2018《城市轨道交通车辆制动系统第9部分：合成闸片技术规范》及t/camet04004.10-2018《城市轨道交通车辆制动系统第10部分：合成闸瓦技术规范》中对于制动摩擦材料瞬时摩擦系数的允许范围分别如图3和图4所示。从瞬时摩擦系数的允许范围可以看到，实际摩擦材料的摩擦系数是在一个区间范围内变化的，而不是一个固定值，而且变化幅度相对较大，影响因素相对较多。
图3合成闸片瞬时摩擦系数允许范围
图4合成闸瓦瞬时摩擦系数允许范围
1.4制动力计算分配过程
制动计算摩擦系数是制动控制软件中的一个重要参数，为简化制动计算及相应制动控制过程，制动计算软件及控制软件中用一个相对固定的值作为计算摩擦系数。图5为目前地铁列车型式试验中对于紧急制动关系特性曲线（各转向架空气簧压力对应紧急制动缸压力）及常用制动控制软件中确认计算摩擦系数的过程，其中∑fbd代表列车总制动力需求；∑m代表列车计算总制动质量（静态质量与计算旋转质量的和，通过空气簧压力及车重与空气簧压力关系计算得到）；ae代表计算等效减速度（与制动级位大小相关）；∑fb代表摩擦制动力总和；∑fbed代表电制动力总和；fb代表具体某个转向架的摩擦制动力（受空气摩擦制动力分配原则及每个转向架的计算黏着系数限制）；pc代表具体某个转向架的制动缸压力（与基础制动装置参数及制动摩擦材料摩擦系数相关）。通过在试验列车上加装雷达及加速度计等测试装置的方法验证实际制动性能与目标值之间的差距，并在不断修正计算摩擦系数后达到固化制动控制参数的目的。
列车制动动态型式试验是对制动性能（最高运营速度下的制动距离及平均减速度）大闭环验证确认的一个重要过程，也就是通过实测制动距离、调整参数、再验证的过程来确认是否满足目标制动距离。当列车实际制动平均减速度（通过制动距离计算得到）没有达到最高速度下相应制动模式的目标值时，通过调整参数（计算摩擦系数或空气簧压力等）使制动缸压力相应微调来实现。考虑到制动摩擦材料特性及列车空气簧压力特性对列车制动减速度的偏差影响因素，在确定计算用摩擦系数时会适当留有一定的裕量。
在制动性能参数固化后，制动控制系统根据来自ato信号系统或者司控器的动态制动级位和当时列车计算载重值计算出列车所需要的总制动力，再结合实际电制动力反馈值，并根据制动力与制动缸压力的关系（考虑到实际摩擦系数波动相对较大，制动软件中根据制动力大小分成几个区间来取相应计算摩擦系数）及各转向架黏着计算限制值最终分别计算出相应各转向架所需要施加的制动缸压力大小。
从图5可以看出，虽然制动控制软件对制动力计算分配过程快速实时、制动缸压力输出精度高，但实际上列车所表现出来的制动性能（瞬时减速度）仍在很大程度上受到实际摩擦材料性能波动的影响，也就是目前地铁列车的空气制动仅实现制动缸压力闭环控制，还没有达到对实际瞬时制动减速度的闭环控制。
图5紧急制动关系特性曲线及常用制动控制软件中
确认计算摩擦系数的过程
1.5以制动缸压力作为控制目标的局限性
目前以制动缸压力间接控制列车减速度的方式可以满足列车最基本的制动性能要求（如最高速度时对应制动工况下的最长允许制动距离，为达到这个目标，确定参数时需要一定的安全裕量），对于制动过程中瞬时减速度变化并没有明确特殊的处理，只是被动接受摩擦材料当时表现出来的性能，因此不能做到对制动减速度精确控制的要求。
国内地铁普遍采用站台屏蔽门方式，ato信号系统在对列车控制时采用实时调整目标制动减速度的控制方式，亦即瞬时减速度控制方式。列车最后停车阶段通常需要采用空气摩擦制动停车及保持制动，摩擦性能的不确定性导致ato控制较难获得一个相对稳定的列车制动性能。实际制动减速度与目标减速度存在差异的原因有很多，主要有以下几个方面。
（1）对目标减速度的理解不完全一致。地铁列车通常定义最高速度下的最大常用制动平均减速度为≥1.0m/s2。当最高速度为80km/h时，理论计算平均减速度为1.0m/s2，在考虑制动响应时间后的理论等效减速度为1.12m/s2；考虑到偏差的存在以及希望使具体项目中的绝大部分车辆能满足此≥1.0m/s2要求，因此在型式试验确定制动性能参数时对100%制动级位的实际制动平均减速度会比1.0m/s2要高一些，对于纯空气制动通常10%左右的裕量。ato信号系统和车辆系统的接口参数中制动减速度被定义为一个固定值，即用最大常用制动时的计算等效减速度值（如80km/h时的1.12m/s2）对应100%制动级位时的名义减速度（ato额外考虑制动响应时间）。
（2）计算摩擦系数与实际动态摩擦系数间存在偏差。在制动控制参数中对于一个制动力区间范围采用一个相对固定的计算摩擦系数值，但实际摩擦系数是一个动态变化的参数，其在列车实际制动过程中因载重、制动级位及制动速度不同而表现出不同的摩擦性能。
（3）列车空气簧压力与载荷间的特性偏差。在地铁列车实际使用过程中空气簧压力特性关系会发生一定的波动及变化，导致计算质量与列车实际质量间存在一定的偏差，从而使计算目标总制动力与实际需求制动力之间产生偏差。
（4）列车制动摩擦材料表面状态的影响。在型式试验中地铁列车用于确认制动性能参数时的摩擦材料表面是得到充分磨合及使用的状态，制动性能也处于相对稳定的状态；而在实际使用时，通常是优先使用电制动，摩擦制动在高速阶段基本不用或者作为少量补充，在低速阶段电制动退出后的空气制动能量非常低，对于摩擦材料表面的修复作用非常有限。这就导致在实际使用过程中摩擦材料的表面状态与列车型式试验时有所不同，所表现出来的摩擦系数也会有偏差。
02
以减速度控制技术为代表的
新一代地铁列车制动控制技术
针对目前地铁列车制动控制在以制动缸压力作为控制手段时不能达到实时减速度精确控制的现状，以减速度为控制目标的制动控制技术成为当前地铁列车制动控制技术一个新的发展方向。
2.1实现制动减速度控制的技术手段
目前地铁列车制动系统中并没有实时检测减速度的设备，为实现制动减速度控制，则需要有精确可靠的减速度检测手段。通过在制动控制阀内部配置加速度计，可以在列车制动过程中获得列车的真实减速度，在此基础上，制动控制系统可以修正制动控制计算减速度值来调节对每个制动控制阀的实时制动缸压力请求，从而最终实现与目标减速度的跟随性。
采用减速度控制时，可以允许制动控制阀在常用或者紧急制动时提供一个相对准确及稳定的制动距离，特别有助于目前地铁列车停车时精确对标的要求。
如图6所示，每个转向架的制动控制阀内均配置了加速度计，每个制动智能阀将实时测量到的减速度值通过制动can内网上传到制动网关阀内的中央集成设备。网关阀通过列车总线（如mvb）将2个制动can单元内的减速度控制信息共享，网关阀内部的中央集成设备对当前制动计算减速度值进行修正，相应的各转向架制动缸压力请求也在一定幅度范围内得到调整，从而使列车实时减速度尽可能接近目标减速度。
图6减速度控制制动系统配置原理
制动减速度控制可以根据项目需要设置成紧急制动及常用制动时可用或者仅常用制动时可用。对于紧急制动采用减速度控制时，由于紧急制动是以不超过允许最长制动距离（如80km/h的a型车≤190m，80km/h的b型车≤205m）为目标，可以通过调整制动控制系统内部控制目标减速度值（也就是解析制动级位与目标瞬时减速度关系），使实际输出的紧急制动缸压力在一定范围内调整时不超过允许最长制动距离（实际轮轨黏着低出现滑行现象除外），还可以将实际紧急制动距离控制在一个相对较小的偏差范围内。
减速度控制并不能创造轮轨黏着的奇迹，因此在紧急制动或者常用制动时实现相对稳定制动减速度性能的前提条件仍为一定的轮轨黏着。
2.2制动减速度控制处理坡道对减速度的影响
制动控制阀内的加速度计不仅可以获得列车实际减速度，还可以实时感知重力加速度大小。减速度控制仅是对目标制动减速度与实际制动减速度之间偏差的调整控制，也就是需要排除线路坡道所产生的重力加速度对列车减速度的影响。列车在上坡道上的制动距离相对平直道上时要短一些，而在下坡道上的制动距离会相对平直道上时要长一些，列车所表现出来的制动减速度性能与司机及ato的期望是一致的，也就是实现平直道上的制动减速度。
如列车在10‰下坡道（重力加速度约0.1m/s2）上时施加约9%最大常用制动级位（9%×1.12=0.10m/s2）期望列车能匀速下坡，因重力加速度方向与制动减速度方向相反，大小相等，列车所表现出来的实际减速度约为0。此时制动控制阀的减速度控制功能并不会因实际列车减速度为0而增加制动缸压力使实际列车在下坡道上减速度保持0.1m/s2，因为加速度计在测量到减速度为0的同时还感知到重力加速度约为0.1m/s2，在扣除重力加速度后的实际制动减速度为0.1m/s2，控制目标已经达到，因此不需要增加制动缸压力。
同理，对于列车在10‰上坡道（重力加速度约0.1m/s2）上时施加约9%最大常用制动级位（9%×1.12=0.10m/s2）时，因重力加速度方向与制动减速度方向相同，且大小相等，列车在上坡道上所表现出来的实际减速度约为0.2m/s2。此时制动控制阀的减速度控制功能并不会因实际列车减速度为0.2m/s2而减少制动缸压力使实际列车在上坡道上减速度保持0.1m/s2，因为加速度计在测量到减速度为0.2m/s2的同时还感知到重力加速度约为0.1m/s2，在扣除重力加速度后的实际制动减速度约为0.1m/s2，控制目标已经达到，因此不需要减少制动缸压力。
2.3制动减速度控制在防滑状态下的工作情况
对于列车防滑控制激活时的减速度控制功能，可根据项目需要确定是否激活或者关闭。但正如前文所述，减速度控制不能突破轮轨黏着的限制，当列车处于滑行状态下的减速度控制功能只能对没有产生滑行动作的转向架适当增加制动力，而不能改变已经出现滑行轴的制动力状态。事实上，处于防滑纠正过程中的转向架对于网关阀增加的制动缸压力请求已经基本忽视，因为在防滑状态下的各转向架制动控制阀的防滑控制功能接管了该转向架制动缸压缩空气进、排气状态的控制。
2.4常规制动控制与减速度制动控制的区别
2.4.1常规制动控制
图7为目前地铁列车空气制动控制系统（以制动缸压力作为最终控制目标）的目标制动减速度（红线）与列车实际制动减速度（蓝线）之间的关系。虽然目前制动控制阀输出制动缸压力的控制精度已经相当高了，但实际得到的制动减速度波动还是比较大。列车制动减速度波动较大的瓶颈是制动摩擦材料的摩擦系数波动大，摩擦系数波动是一种物理现象，受到温度、速度及制动压应力大小的影响，并不是一个固定不变的值，依靠目前的技术手段在摩擦系数方面很难有明显突破。
图7非减速度控制时目标制动减速度
与实际制动减速度关系
ato控制模式下所要求的列车制动减速度是瞬时减速度，虽然ato可以根据列车状态实时调整对车辆的制动命令，但列车最后停车阶段的对标精度要求高，空气制动减速度的偏差增加了ato停车对标控制的难度。
空气制动系统不能仅满足于制动缸压力控制的精确性，因为ato实时控制所需要的是列车实际减速度跟随性而不是制动缸压力是否精准。目前电制动控制基本能跟随ato制动减速度请求而实时响应，但纯空气制动时由于空气制动系统控制是基于项目列车型式试验时最高速度下的调试结果（满足总制动距离这一宏观目标）作为确定制动软件中关键参数（如计算摩擦系数）的输入。地铁列车在实际使用时的不同工况及不同速度下的瞬时减速度离散性已经远远超过型式试验几种粗略工况的范围，同时也不是目前制动控制软件通过简单补偿调节就能解决的。
目前空气制动性能的进一步优化受到摩擦材料性能的限制，因此，空气制动系统的控制需要从制动缸压力这个小闭环放大到减速度控制这个大闭环，才能将摩擦材料及空气簧等性能偏差影响全部涵盖在内综合考虑。由于地铁列车已经从人工驾驶模式进入ato自动驾驶及无人驾驶模式，操作模式的改变需要空气制动适应ato对瞬时减速度控制精度要求高的事实，因此制动瞬时减速度也并不是越大越好。
2.4.2减速度制动控制
图8为采用减速度控制方式时的目标制动减速度曲线（红线）、实际制动控制计算减速度曲线（粉色）与列车实际制动减速度（蓝线）关系。当实际制动减速度比目标制动减速度偏低时，将适当增加制动控制计算减速度值（如图8中时间轴上的17～26s）；当列车实际制动减速度与目标制动减速度基本吻合时，将保持当前制动控制计算减速度值（如图8中时间轴上的26～31s）；当列车实际制动减速度比目标制动减速度偏高时，将适当减小制动控制计算减速度值（如图8中时间轴上的32s至制动停车）。采用减速度控制技术时，将制动减速度作为调节控制目标，此时制动缸压力是获得实时制动减速度目标的一个手段，而不再是最终控制目标。
图8减速度控制时目标制动减速度
与制动控制计算减速度及实际制动减速度关系
2.5制动减速度控制可补偿性能偏差
采用制动减速度控制技术后，列车在其部件（如车轮、空气弹簧、制动摩擦材料）的寿命期内可以获得相对稳定的制动性能。
（1）目前采用盘型制动的列车，在车轮部分磨耗时制动减速度会有所增加（因为制动盘的摩擦半径不变，在制动力矩不变的情况下，随车轮直径变小，轮轨间所传递的制动力会增大），但采用减速度控制技术后，不受轮径变化的影响。
（2）转向架与车体间的空气簧随着使用年限的增加会出现内部压力与载重关系变化，这种变化使目前制动控制系统的载重计算体系发生一定的偏差，进而影响实际紧急制动压力及计算制动质量。但在采用减速度控制技术后，空气簧的偏差影响被综合考虑。
（3）制动摩擦材料随着使用时间的增加会出现性能退化现象。这种摩擦性能退化的原因在于：①合成摩擦材料本身的老化；②摩擦表面的状态并不能维持列车型式试验时的状态。列车在进行型式试验时使用纯空气制动工况相对比较集中，摩擦材料表面得到充分磨合，而列车在实际使用中主要采用电制动，空气制动在低速阶段的使用并不能有足够的制动能量让摩擦表面有更新的可能，且随着使用时间的增加，摩擦表面会出现一钝化层；同时，列车在使用过程中，部分更换成新的摩擦材料也会使列车性能有所变化。采用减速度控制技术后，摩擦材料的偏差影响将得到有效控制。
03
结束语
目前，地铁列车每年都需要进行制动性能（包括制动距离）例行检查，但检查时往往受到试验线路长度的限制不能进行最高速度下的制动性能测试，即使能够进行测量也会受到当时车载制动距离计算软件精度的限制，因此并不能正确反映实际制动性能。而采用以实际减速度作为闭环控制的新一代制动控制技术后，在不降低制动性能的同时，可以减少用户定期进行检查的试验次数，使制动性能更稳定，重复性更高。
随着基于减速度为控制目标的制动控制技术在地铁列车上的逐步推广使用，地铁列车制动控制技术将上一个新台阶；其空气制动控制也将摆脱目前粗放式控制的局面，实现精细化的减速度控制。
参考文献
赵建飞.基于减速度控制的新一代地铁车辆制动控制技术[j].现代城市轨道交通，2019（11）：39-46.
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