國內外機車同步操縱控制系統的發展和特點

陸 偉（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 機車同步操縱控制系統的發展過程

機車遠程操縱控制是在美國發展起來的，1960年以前，美國開始嘗試開行組合列車，即在編組列車內另外加掛一臺或數臺機車，合理地增加機車牽引能力。不過這種加掛的機車均有乘務組擔當值乘，采用各自獨立操縱的方式。頭部機車對后部機車的遠程操縱控制命令是靠事前約定的汽笛聲來傳遞，或者采用無線電話聯絡，然后由后部機車上的司機響應執行。

但是隨著列車的長度和重量不斷增加，這樣的操縱方式已經無法保證列車的行車安全，應該使用更有效、可靠的通訊方法來傳遞機車的控制指令。隨著技術的發展，加拿大和美國首先應用了無線遙控系統對分布在列車中部的機車進行遠程操縱控制，從而明顯增加了列車的牽引噸位。

1959年，美國開始進行機車無線遙控的（機車同步操縱）動力分布控制試驗。1962年，美國西屋（W estingh ouse）公司的遠程機車遙控系統開始用在由200輛車編組的18 000 t列車上，在經過多次試驗、改進后，該系統于1964年以后陸續在美國南方鐵路公司、南太平洋鐵路公司、賓夕法尼亞鐵路公司、紐約中央鐵路公司、聯合太平洋鐵路、圣太菲鐵路以及加拿大太平洋鐵路公司等大量應用。

哈里斯（Harris）公司（后被GE公司收購，為GETS Global Signaling的前身）于20世紀60年代開

陸偉，男，畢業于中國礦業大學，研究員。主要研究方向包括調車機車、高速列車、重載列車的機車信號自動控制，曾參與鐵道部項目“駝峰無線機車信號系統”的開發、“ WJD-X&K調車機車無線遙控與信號安全監控系統”等項目，主持了國家科委重點項目《青藏鐵路通信信號系統可行性研究》，為青藏線通信信號的引進和ETCS 4系統的實施進行了前期研究。曾獲得大秦重載列車組合牽引萬噸試驗“七五”攻關項目國家重大裝備特別獎（國務院重大裝備辦公室獎勵），ZLSK-160準高速旅客列車速度分級控制系統（鐵道部科技進步二等獎），鄭州北編組站綜合自動化系統——機車無線遙控，國家科技進步一等獎，鐵道部科技成果一等獎等榮譽。曾發表論文17篇，獲得2項發明專利。始研制類似的無線遙控機車動力分布式控制系統，1965年產生了第一代的產品，這就是LOCOTORL分布式動力控制產品。該系統產品應用了摩托羅拉公司生產的固態無線電技術，系統由安裝在頭部主控機車的主控設備和安裝在列車內專門車輛（遙控車）上的無線電受控設備組成。司機從主控機車發出指令，這些操縱命令通過無線電信道傳送到后面的受控設備上，受控設備接受到指令后進行處理，通過繼電器控制電路，控制從控機車牽引和制動設備的動作，實現各臺從控機車與主控機車的同步操縱。

20世紀80、90年代， H a r r is公司開始開發新型無線遙控系統，其采用現代化微處理機技術。1984年，首臺帶有微處理器的LOCOTORL Ⅱ代分布式動力控制產品被開發出來，其直接把受控設備放在從控機車上，體積縮小，而功能擴大。繼電器和電磁閥置于軟件的控制下，可以進行制動管路連通性測試、漏泄測試、主控與從控的連通性測試以及對空氣流速變化的檢測。對空氣流速有否變化的檢測使得制動管路成為輔助的通信鏈路。主控機車和從控機車設備能夠互換通用，進一步提高了安全性和靈活性，使操作和維修更加容易。

20世紀90年代初，第三代分布式動力控制型的LOCOTORL產品被開發出。該系統采用了更先進的微處理器，可提供增強型的用戶界面、多項遙控支持、從控機車自動排序和事件記錄及下載。LOCOTORL Ⅲ產品能提供一個完整的分布式動力控制系統，并且能與國外的各種類型的機車和制動系統接口。

最近這些年，GETS Global Signaling開發了第四代分布式動力控制的LOCOTORL產品并在鐵路上試用如圖1所示。它采用最先進的微處理器和固態電子技術，使用更少的元件，工作更加可靠，并且更容易與現代機車相配合。

使用動力分布式控制系統，可以：

1）獲得最佳的動力分配和制動操作，增加總噸位牽引能力（列車長度加長）、改善資產利用率、減少列車內部受力、減少對乘務員的需求（使用長列車時）；

2）減少列車在陡坡運行時的車鉤受力，不需要有人駕駛的補機；

3）更快的加速和減速，改善鐵路通過能力減小列車間隔、更快的循環周期、減少停車距離（30%）、減少停車時間（22%）；

4）增加牽引效率和減少滾動阻力，改善燃油的經濟性（平均5%）、減少輪緣和鐵軌的磨耗；

5）更快的制動緩解動作，有效地減少制動管充風時間（60%）,從而減少循環時間、改善對低速列車的控制、更平穩的制動動作、改善對列車間隙效應的控制，減少貨物的損失；

6）可以將多個短列車聯接成一個長列車，增加線路通過能力、簡化調度場對列車分解的后勤支持。

2 大秦線GE公司Locotrol系統的特點

采用LOCOTROL系統，各鐵路公司能夠基于整個列車長度優化動力分步和制動控制。LOCOTROL分布式動力系統可以通過主控機車，控制列內的從控機車以同步異步方式運行?；蛘擢毩⒖刂聘鱾€機車。在同步模式中，主控機車上接收的命令通過無線連接傳送給各個尾車。在獨立模式中，操作員可以使用車載顯示器控制從控機車手柄級位，而制動仍保持同步。

這種方式能夠更快、更平穩地完成列車啟動和制動，使啟動和制動距離縮短30%，時間縮短20%，實現更安全的列車控制和更高效的運轉。制動管充風時間可縮短至60%，列車可完成更快設置和恢復。

LOCOTROL使用了無線鏈路，可以控制多達4個遠程機車。制動管可用作備份通信鏈路，來使遠程機車空轉，并使制動器作用從而剎住列車。通過大幅度地減低車鉤受力及通過所有的機車提供減壓，使制動性能得到顯著的改善。

LOCOTROL的應用能夠提高牽引能力，軌道附著力和燃油效率，從而提高系統運載能力（平均提高12%）并降低運轉開支（平均降低10%）。LOCOTROL系統能夠幾乎與任何一種制動系統接口，包括空氣制動、真空制動和電空制動。目前，安裝在全球的電動機車、AC或DC內燃機車上的LOCOTROL系統已達5 000多套。

LOCOTROL系統的基本工作方式是前部機車通過GSM-R系統，向中、后部機車發布同步牽引和制動命令，實現前、中、后部機車的牽引及動力制動同步操縱及空氣制動系統同步制動與緩解。同時采用制動管壓力自動檢測，可以對系統的無線通訊狀態進行監控。

2.1 采用LOCOTROL系統的優點

有效減輕重載列車的牽引車鉤力；在彎道上減少列車阻力，減輕輪軌磨耗，降低燃油成本5%～6%；中、后部機車同步參與了全列車的列車管排風與充風，加快了列車的充排風速度，提高制動波傳播速度，有利于減輕列車制動縱向力作用，減少斷鉤的危險。

2.2 采用LOCOTROL系統的主要問題

1）LOCOTROL系統由于是單機系統，故障時必然會發生因死機而產生的懲罰性制動，對設備造成傷害并影響運行。

2）LOCOTROL系統的制動控制只能與科洛爾公司的CCBII型制動機配合，必須更換現有機車的制動系統，改造成本較大。

3）LOCOTROL系統信息傳送通道采用800 MHz電臺疊加GSM-R系統，配合地面中繼的方式，改造成本大，且當地面中繼設備故障時會影響所有列車的運行。

4）LOCOTROL系統目前還不能實現不同型號機車間的相互控制。

3 JTCS系統研發過程

3.1 研發過程

2004年北京全路通信信號研究設計院有限公司立項進行該課題的前期研發工作。

2006年北京全路通信信號研究設計院有限公司在鐵道部科研開發計劃中中標，進行《大秦線機車無線同步操縱技術與工程化的研究》工作。

2008年該課題列為國家發改委自主知識產權重點課題。

2010年北京全路通信信號研究設計院有限公司與成都鐵路局共同承擔鐵道部科研開發項目《西南山區鐵路在既有裝備條件下運輸組織優化及安全、提效技術的研究》。

北京全路通信信號研究設計院有限公司承擔該課題后，通過對國內鐵路重載運輸需求的調研，將開發重點放在對國內既有運輸設備的利舊和技術改造上，以滿足技術改造的低成本和高效率需求。

3.2 試驗驗證

為驗證系統的功能和系統控制的安全性和可靠性，北京全路通信信號研究設計院有限公司與成都鐵路局合作，從2009年8月至2011年6月在成昆線和川黔線進行了多次線路試驗，包括無線通道的測試；相同機型機車同步牽引控制試驗；不同機型機車同步牽引控制試驗。試驗結果滿足課題要求。

2009年在成昆線成都北至攀枝花間進行了無線通訊在山區隧道區段傳輸特性測試，和同步控制系統對無線通訊改造方案的驗證；通過對800 MHz無線通道全向傳輸和定向傳輸特性的測試和比較；通過對800 MH z無線通道在不同傳送速率下的誤碼率和控制誤組率的測試；確定了在該區段滿足同步控制系統工作要求的無線傳輸系統。

2010年在成昆線燕崗至西昌南間進行了2臺SS3電力機車推挽牽引4 500 t的重載試驗，進一步解決了利用計算機控制系統控制電力機車的技術問題和用計算機控制系統控制DK 1空氣制動機進行無級減壓的問題，使DK 1空氣制動機在計算機控制系統控制下能夠產生任意的減壓量。解決了同步控制系統控制機車分別獨立過分相的問題。同時驗證了同步控制系統的基本功能和空氣制動的同步特性測試。通過試驗的驗證：

1）列車牽引由集中牽引改為分散牽引，對列車的車鉤力和沖動會產生變化，有利于發揮機車的牽引效能；

2）使用該技術可以開行組合列車,有效提高輸送能力；

3）與雙機重聯方式比較，可以適當的提高牽引定數以提高運能；

4）由于采用雙機同時排風和充風，縮短列車的制動排風時間和緩解充風時間，制動作用時間短，提高列車運行的安全性；緩解充風時間短，有利于列車的連續制動，可以解決長大下坡道列車連續制動調速風壓不足的問題，保障列車運行安全；

5）由于采用雙機分別獨立過分相技術，與重聯運行相比，列車動力不會產生間斷，有利于列車在坡道上牽引動力和電阻值動力的保障，列車在上坡時的速度減少和下坡時的速度上升不會起伏較大；

6）在采用推挽牽引方式區段,可以取消尾部風壓反饋裝置及傳輸中繼設備,減輕現場工人勞動強度；

7）采用推挽牽引方式，可以在發生意外途停（上坡）時，通過改變運行方向，實現自救，較之另派救援機車才能完成救援既省時、經濟又減少運輸干擾。

2010年在川黔線貴陽南至趕水北間進行了SS3和SS4G電力機車不同型號間的同步控制試驗，解決了系統對SS4G電力機車的控制問題和不同型號機車的控制方案和控制模式問題；解決了無線通訊的全程覆蓋問題。通過試驗的驗證：

1）系統采用的信息傳輸通道是可行的。系統采用800 M H z無線通訊疊加400 k H z電力線感應載波通訊的方式，車站和供電分相區段以無線通訊為主，隧道區段以電力線感應載波通訊為主。信號均能正常傳輸，未出現信號中斷現象。保障了同步操縱控制的可靠性。

2）實現了對不同型號機車之間的同步控制。川黔線本務機車為SS3型電力機車，加補機車為SS4G型電力機車，這兩種型號的機車由于操縱方式不同，實現同步運行比較困難，系統采用級位電壓的控制方式，使機車牽引功率滿足了合理使用的問題。

3）實現了對不同型號機車的有線重聯同步控制。目前的運用機車在重聯運行時，只有相同型號的機車才能進行有線重聯同步操縱，對不同型號的機車由于操縱方式不同，無法實現有線重聯，而利用同步操縱設備可以實現了對不同型號機車的有線重聯控制。

4）實現了多機車牽引列車各機車獨立自動過分相的控制。最大限度的減少列車因機車過分相損失的牽引力，同時取代人工確認分相點，避免因過分相的誤判斷和誤操作造成的帶電過分相事故的發生。

5）補機全程實現自動操縱。補機乘務員全程只對設備的控制進行監督，增加了同步控制的實時性和可靠性，同時降低了乘務員的勞動強度。

2011在成昆線燕崗至西昌南間進行了SS3電力機車和SS4電力機車混合推挽牽引的重載試驗，牽引定數由原來的3 800 t提高到5 000 t。

3.3 成果應用范圍

1）系統通過不同的機車控制接口可以適用于鐵路運輸的國產和進口的貨運主力牽引機型（包括電力機車和內燃機車）。

2）同一列車編組中有多組機車（分散在不同牽引位置）。

3）系統不應破壞機車原有的結構和控制方式。

4）同一列車中各牽引位置的機車可以是相同類型的機車或不同類型的機車（電力機車和內燃機車混合編組）。

5）同一列車中各牽引位置的機車可以是相同型號的機車或不同型號的機車（有級牽引機車和無級牽引機車混合編組）。

3.4 系統應用場合和技術方法

1）對不同型號機車進行同步控制。不同型號的機車由于操縱方式不同，實現同步運行比較困難，系統采用級位電壓的控制方式，使機車牽引功率滿足了合理使用的問題。

2）對不同型號機車進行有線重聯同步控制。目前的運用機車在重聯運行時，只有相同型號的機車才能進行有線重聯同步操縱，對不同型號的機車由于操縱方式不同，無法實現有線重聯，而利用同步操縱設備可以實現對不同型號機車的有線重聯控制。

3）對多機車牽引列車各機車進行獨立自動過分相的控制。最大限度的減少列車因機車過分相損失的牽引力，同時取代人工確認分相點，避免因過分相的誤判斷和誤操作造成的帶電過分相事故的發生。

4）對補機全程進行自動操縱。補機乘務員全程只對設備的控制進行監督，增加了同步控制的實時性和可靠性，同時降低了乘務員的勞動強度。

4 JTCS系統的特點

此JTCS系統具有以下幾方面特點。第三代JTCS系統主機，如圖2所示。

1）計算機冗余安全技術：系統采用2oo3安全型計算機控制，保障控制的可靠和連續性，具備在線檢測，在線維修，在線報警和故障安全降級使用等多種安全措施與應急方案，不會因設備故障使列車解體，保證工作的可靠性、不間斷和控制的準確性。

2）功率同步協調技術：在機車牽引控制上，我們的系統較好地解決了當編組列車中使用不同型號的機車時，特別是在編組列車中同時存在電力機車牽引和內燃機車牽引時的同步操縱控制問題。

3）制動同步控制技術：在制動系統方面改造小、控制簡單、適用于多種制動機，有利于供電緊張區段的內、電機車混合編組。系統的電控制動控制接口，目前既可以滿足DK 1制動機的控制改造，也可以滿足JZ7制動機的控制改造，且控制方式完全一樣，這樣就可以實現不同類型制動機之間的完全同步制動控制和列車管壓力保持。系統的空氣制動控制部分不用更換機車原有的DK 1或JZ7空氣制動系統，同時對原系統的改造很小，控制的精度和可靠性比較高，更換簡單且不需要大型工具。

4）機車同步控制技術：系統可以實現在同一列車中采用不同型號的機車甚至采用不同類型的機車進行牽引的同步控制。此模式可以解決同步控制對機車配置一致性要求過高的問題；同時在未對供電系統進行改造的線路上開行的列車，以及在一個供電臂內開行由更多的機車牽引的列車時，利用電力牽引和內燃牽引混編的方式解決提能和供電的矛盾。

5）空氣同步技術：在通訊中斷的情況下，確保補機及時切斷補風和協助排風。系統利用流量傳感器監測列車管壓變化趨勢，在無線通道失靈時，利用空氣通道傳送的波速信號實現空氣同步制動放風和切斷牽引動力與機車補風，實現故障導向安全。系統具有空氣同步故障導向安全功能，因此可以實現補機對空氣系統的全程補風，充風時間縮短，有利于減壓調速對空氣制動的頻繁使用。

6）通道可靠性技術：雙網雙備份、定向傳輸技術、編碼糾錯技術。系統選用高增益的無線傳輸設備，在相同功率下，傳輸效果提高近3倍，采用800 MHz無線通訊疊加400 kHz電力線感應載波通訊的方式消除了通訊盲點，避免了地面補償設備故障對運輸的影響。

7）分散自律控制技術：系統可以根據地形作前向或滯后控制、在滿足整個列車操縱原則的基礎上，各機車作必要的微調。

8）自動過分相：各機車分別獨立的采取過分相操縱，過分相的影響最小。

5 成都局機車同步控制擴大試驗的安全防護方案

5.1 試驗運行安全防護措施

1）試驗運行中本務機車和補機的乘務員要密切監視機車運行狀態和傳輸控制指令的變化，發現異常及時采取防護措施并向相關人員通報故障狀態和現象。便于及時處理。

2）試驗列車運行1個往返后，技術人員要及時采集系統運行數據和機車監控數據并進行離線分析，提供沿線點式應答器的運行狀態和維修信息；提供控制系統的運行狀態、傳輸通道的狀態、機車的運行狀態和維修信息。

3）試驗機車出庫時（暫定在西昌南車間），要通過出庫檢測，確認指令傳輸通道完整可靠、點式接收可靠、系統采樣控制可靠后，才允許出庫。

4）補機乘務員發現系統控制異常或機車工作異常時，可以通過換向手柄切除系統控制轉成手動控制，將換向手柄置成與當前機車運行相同的狀態，就可以使機車與控制系統斷開，機車制動系統自動進入重聯態切除補風。此時，如果控制信號顯示正常，補機乘務員可以按信號操作，如果通道故障無信號顯示，補機乘務員通過其他通道通知本務機車，再由本務機車乘務員根據線路情況和牽引狀態使列車就地停車或維持運行到前方車站停車。

5）試驗運行中本務機車和補機的乘務員要經過培訓和考試，要全面了解本務機車和補機在運行中的工作狀態和采取的必要操作步驟。

5.2 試驗運行安全應急預案

1）由于供電系統、機車、信號、工務限速造成的途停，按技規和機務操作細則處理。

2）由于系統設備故障造成的途停，乘務員應利用語音通話設備與就近車站聯系，將列車引導到就近車站，當列車處于下坡道時可將列車引導到前方車站；當列車處于上坡道時可辦理反向進路將列車引導到后方車站。引導速度低于30 km/h。列車進站停車后，加補機迂回到列車頭部，按重聯方式運行到終點。

3）列車停于長大上坡道啟動時，在不產生空轉和打滑的前提下，在最大牽引電流時保持3 m in列車仍未移動，視為闖坡失敗，停車后與后方車站聯系辦理反向進路將列車引導到后方車站或坡度小于5‰的區段，重新起車闖坡。

6 國內外幾種同步控制系統的比較

國內外幾種同步控制系統的比較如表1所示。

表1 國內外現有同步控制裝置的比選