CRH5A 动车组制动安全环路优化方案研究

一、CRH5A 动车组制动安全环路的核心需求

根据 CRH5A 型动车组实际运行工况及对制动系统安全性的要求，对 CRH5A型动车组制动安全环路设计应重点关注以下主要要素：在响应速度方面，命令从发出到完成的全部延迟时间需少于 100 毫秒，以免因延迟使制动距离急剧增长；从冗余保证方面来看，“ ⁴N+1 ”级故障包容策略要保证一个节点失效时，剩余节点可继续正常运行；从抗干扰指标上来说，在电磁干扰（牵引逆变器产生的谐波）以及低温潮湿等环境条件的影响下，数据传输产生的误码率应在 10^-6 以下；在可维护性层面而言，故障的查找定位要准确、修理速度必须快，故障识别所用时间需把控在 3 分钟之内，这样才能够加快修理速度，减少停机总时长。

二、CRH5A 动车组制动安全环路优化方案设计

2.1 硬件冗余强化方案

依托传统的 CAN_A 和 CAN_B 双绞线总线体系，再增加以太网总线Ethernet_C，创建起“双 CAN + 以太网”的三线冗余网络系统。CAN 总线主要承担常规制动控制信号的传输任务，以太网总线则专注于高速故障数据的交换和系统级冗余备份功能；当任意两条总线出现故障时，剩余的一条总线依然可以保证制动指令和监控数据的可靠传输。为提升抗干扰能力并降低单点失效风险，在各个总线接口处添加信号隔离模块，采用光电耦合技术实施电气隔离，这样就把总线系统的容错能力从“N+1”提升到了 ⁶⁶N+2 ”。

制动安全回路的核心组件冗余设计包含以下几个方面：司机室制动控制单元采取“主备双机”形式，两套控制器随时同步数据交换，主机出故障时，备用系统可在 20 毫秒以内完成无感切换并启动工作；车轴速度传感器采用“双探头”结构，两组探头围绕车轴圆周方向呈 90^∘ 排列，各自搜集轮对转速信息，BCU 通过交叉校验保证数据正确性，单路探头失效后，另一路依然可维持正常监控功能；制动缸压力传感器采用“主辅双通道”布置方法，两组传感器并行搜集相同制动缸的压力数值，在主传感器异常情形下，备用传感器会自动接手，测量精度维持在 ±2% 范围之内。

2.2 控制逻辑优化方案

在 BCU 控制程序里加入动态优先级调度算法，把制动指令分成“紧急制动（最高优先级）、快速制动和常用制动（最低优先级）”三个级别；当多个指令同时发送时，该算法先处理优先级高的指令，且保证紧急制动指令能在 30毫秒之内完成对全车的数据交互。采用“分段传送 + 并行处理”的优化方法，把整车的制动指令分解成多个独立的子集，每节车厢的 BCU 会同时接收并解析这些指令，这样就把指令传送的总体延迟从传统的 80 毫秒明显缩短到 50毫秒以内，完全符合系统及时性的严格要求。

形成包含“参数阈值”“趋势分析”以及“交叉验证”的多指标集成故障诊断架构，即时搜集制动缸压力、车轴转速、总线信号强度、部件温度等 12项关键参数；当某项参数超出既定阈值时，依照其动态变化规律和相关特性展开综合评判，进而压制瞬态噪声造成的误判风险。在某些场景中，比如单个制动缸压力传感器发生故障时，该模型把临近车厢的压力监测信息同车轴转速波动情况结合起来，精准分辨出设备故障和实际制动工况的差别，使得故障识别准确率从传统的 95% 大幅跃升到 99% 以上。

规划故障自愈与降级控制模块，其主要功能包含：检测到轻微故障时，用算法进行弥补，如依靠历史数据修正传感器偏差，这样就能实现故障的自动修补，避免紧急制动现象发生；当故障超出自愈范围时，就自动切换成降级运行模式，保证核心制动系统正常运作，关闭不重要的功能模块，给司机室发出故障提示消息，引导司机采取对应举措，从而减少故障致使列车停止运行的可能性。

2.3 环境适应性提升方案

制动安全环路的关键部件（BCU 及其总线接口）在外在结构设计上需执行有效的保温防护举措，选用导热系数小于等于 0.03W/(m⋅μK) 的离心玻璃棉与聚氨酯复合材料当作隔热层，把厚度设为 50mm ，保证外界温度降到 - 40℃时，外壳表面温度依然能维持在 5°C 以上。BCU 内部集成 100W 的电加热模块，凭借温度传感器随时掌握内部情况，在温度低于 0^∘C 时自动开启加热功能，从而有效防止低温对芯片性能产生影响。为保证总线线缆在极端寒冷条件下也能正常运行，采用耐低温护套材料（工作温度范围 - 60℃到 80^∘C ），按照布线路径布置伴热带，让线缆温度一直处在 - 10^∘C 以上，极大地减少了因温度急剧下降而引发脆性断裂的可能性。

为提高制动安全环路中总线线缆的电磁兼容性能，本文提出使用双层屏蔽的措施（内屏蔽为铝箔、外屏蔽为编织网）；经过测试，该种双层屏蔽的屏蔽效能可超过 80dB 以上，极大地减少了外界电磁干扰信号对线缆信号传输的干扰。在 BCU 的电源输入端加入 EMC 滤波器，选择共模电感以及 X/Y 电容，其在150kHz^-30MHz 频段范围内抑制传导干扰的效果在 40dB 以上；优化接地系统，采用单相接地和等电位连接的方法，各个模块的接地端子通过铜排汇接到一起，形成统一的接地电阻小于等于 1 欧姆，消除了由于不同接地点带来的电压差所造成的干扰电流，有效降低了总线信号误码率，由原来的初始值 10^-5 降到了10^-7 以下。

制动安全环路部件安装支架利用阻尼系数为 0.3 的橡胶减振垫配合剪切型减振技术，能大幅削减振动加速度，从 3.5g 降到 1.0g 以下，进而避免零部件因振动而松动或者芯片焊接失效等情况发生。针对总线连接器以及接线端子，采用硅酮密封胶实施灌封处理，这种材料具备 - 60^∘C 到 200^∘C 的宽广温度适应范围，且防护等级达到 IP68 标准，可阻止外界湿气和水分渗透到设备内部。BCU 柜体内增添除湿装置，其额定除湿量是 0.3kg/h ，当柜内相对湿度高于 75% 时就会自动开始除湿，把环境湿度控制在 50%～60% 范围之内，以此遏制潮气引发的金属腐蚀以及绝缘性能下滑现象。

结语：CRH5A 型动车组制动安全环路的优化设计要围绕“冗余强化、逻辑重构、环境适应”这三个核心方向展开。在硬件方面，可采用三总线冗余架构并设置双重备份机制；在软件方面则应执行动态指令调度算法以及多维度故障诊断策略；同时还要提升低温防护性能和电磁兼容性设计，从而系统性地解决环路在复杂工况下出现的指令传输延迟、误报频发以及冗余失效等现象。放眼未来，可借助数字孪生技术创建制动安全环路的虚拟仿真平台，实现故障预警和动态优化功能，给动车组制动系统的智能运维提供新的方案。

参考文献：

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