機車無線同步操縱系統的研究及試驗*

葉柏洪，池 海

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081)

為適應經濟形式的發展，大秦鐵路已經正式開行了2萬t重載組合列車，使用的是GE公司的LOCOTROL無線動力分布式控制系統技術，日開行對數已達20多對，采用的機車除了有SS4機車外，還有新型和諧型大功率交流傳動電力機車。為大秦線年運量的提高起到了關鍵作用。

1 開行重載列車的難點及解決措施

1.1 開行重載列車的難點

要提高單位列車的運量，除了增加軸重以外，最簡單的方法就是增加編組。但增加編組會出現很多的問題，而制動問題尤為突出，這將直接影響到列車的運行安全，主要原因如下。

(1)重載列車編組超長，由于空氣制動波速無法超過聲速，列車在常用、緊急制動時首尾車發生作用的時間差將近10 s，可能會造成嚴重的斷鉤、脫軌事故。

(2)重載列車在長大下坡道上，由于列車編組較長，列車沒有階段緩解作用，制動后的再充氣時間過長，使得列車再次制動的能力減弱容易造成列車失控，對安全產生威脅。

(3)常規的動力集中式牽引方式，在機車進行牽引或動力制動時，在靠近機車后車輛的車鉤緩沖器承受著巨大的拉壓力，同樣容易造成斷鉤等故障。

1.2 解決措施

為解決超長大列車重載運輸的制動問題，國際上主要采用了以下兩種技術。

(1)機車無線同步操縱(動力分布式)控制技術。在重載列車編組中，將牽引機車分別布置在列車頭部、中間或尾部，采用無線通訊進行遠程控制。在列車進行牽引和動力制動時，能夠降低列車中的最大車鉤力;而在空氣制動時，由于本務機車和遠程分布機車同時參與列車的制動和緩解控制，在制動時大大提高了列車制動時的制動波速，縮短了制動距離，減少了車鉤力。同樣在緩解時，重聯機車參與列車管充風，既加快了整列車的緩解波速，同時又縮短了列車制動后的再充氣時間，提高列車再制動的能力。在大秦線已經開行的2萬t級組合列車就是采用了這樣的技術。

(2)有線電控空氣制動技術。這項技術在20世紀90年代中后期在美國才發展起來，有著傳統空氣制動無可比擬的優越性，其對列車制動性能的改善以及取得的實際效果更優于機車動力分散控制的作用，極大限度地改善了列車制動和緩解過程中列車縱向沖動的問題以及列車再制動的能力，尤其適用于特長編組的單元列車。

2 機車無線同步操縱(動力分布式)系統

為了實現機車無線同步操縱(動力分布式)控制技術，研發機車無線同步操縱系統。考慮到國內貨運電力機車的現狀，決定以SS4型電力機車，制動機采用DK1為基礎進行研究，同時也考慮了采用和諧型大功率交直交機車的配合應用方案。1列組合列車允許多達4臺電力機車編組，由1輛主控電力機車操縱，其余從控機車同步于主控機車的操縱，由系統自動執行牽引、制動、惰行等操縱功能。

系統包含可以裝在4臺(套)機車上的設備。每套設備包括:系統處理模塊、列車控制接口模塊、制動控制接口模塊、無線通訊模塊、操作顯示模塊及各自相關的應用軟件、同步操縱控制的通訊協議等。

系統采用800 MHz無線電臺作為通信手段，應用于SS4電力機車的框圖如圖1所示;應用于和諧型電力機車的框圖如圖2所示，由于采用了MVB網絡通信，使得控制變得簡單。

圖1 應用于SS4電力機車DK-1制動機的系統框圖

圖2 應用于和諧型電力機車的系統框圖

3 系統的主要技術方案及難點

3.1 無線通信

我國的重要貨運線路，一般都地處山區、丘陵地段，地形復雜、隧道密集。由于無線電波的傳輸特性決定了線路的盲區較多，根據大秦公司開行美國GE公司的同步操縱系統的經驗，即便是采用了800 MHz+GSM-R電臺的方式，仍然不能保證100%的通信良好率，故此系統必須考慮通信丟失時候的應對處理。800 MHz的頻率屬于甚高頻頻段，傳播特性和光線相似，所以當列車運行在特殊地區的時候可能造成通信丟失。為此采取的應對措施是當被控機車檢測到通信丟失時，如果被控機車沒有檢測到空氣管路的異常狀態，即通過空氣管路沒有檢測到主控機車進行制動操作，則從控機車維持通信丟失前的狀態不變;從控機車一旦檢測到主控機車進行了制動操作，從控機車則切除制動閥，如機車原先在牽引狀態，則以一定的速率退級，直至零。這樣，最大限度地保障了列車運行的安全。

3.2 制動機狀態的檢測及控制

同步操縱方案是基于國產DK-1制動機實現制動的同步功能。不同于運用于GE公司的LOCOTROL系統采用的CCBII機車制動機。DK-1制動機是由司機通過控制排風時間并監測壓力表控制目標減壓量的，所以檢測制動機手柄位置以及相關壓力成了主要問題。

CCBII機車制動機制動手柄直接給出了制動機的目標減壓量，同步操縱系統在讀取了目標減壓量以后，通過無線通信可以1次傳送到被控機車上去，此時，即便暫時的通信丟失，整套系統仍然可以實現比較精確的同步。

采取檢測電磁閥動作狀態判定制動手柄的位置，通過檢測制動缸壓力、作用管壓力、均衡風缸壓力等，將實時量實時傳遞到被控機車，被控機車在接收到主控機車的實時狀態以后，同步于主控機車，實現同步操縱。由此可見，基于DK-1制動機的同步操縱系統對通信系統具有更高的要求。

通過傳遞機車制動缸的壓力、作用管的壓力以及均衡風缸的壓力，可以實現機車的單獨制動、單獨緩解功能。

3.3 控制系統的組成及網絡的選擇

控制系統采用多CPU的方案，每個功能單元都有自己的CPU控制。機車顯示器采用LINUX操作系統，其余控制部分采用C/ASM語言編制，各模塊間采用CAN總線進行通信。

4 試驗室試驗驗證

為了檢驗同步操縱系統的性能，摸清配合同步操縱系統的關鍵參數，在制動試驗室做了制動系統漏泄試驗、系統充風試驗、意外流量的測試、制動緩解的同步性能測試、機車模擬操縱臺等試驗。

4.1 系統漏泄試驗

由于系統漏泄會增大機車中繼閥向列車管供風的流量值，漏泄過大時可能造成意外流量的誤判斷。所以在200輛貨車試驗臺上進行了實際測試，其結果為:在定壓穩定以后，關閉折角塞門，系統平均漏泄2 kPa/min。

4.2 系統充風試驗

系統制動及再充風試驗目的一是測試在不同編組、不同減壓工況、單雙機充風、單雙壓縮機工作的情況下的充風時間和總風壓降，以確保長大編組列車的供風能力;二是測試不同減壓制動后僅由主控機車充風，看從控機車列車管在120 s時間內能否上升20 kPa，以確保從控機車制動閥切除后能夠相應這一壓力上升而正確投入。

表1列出了幾個典型工況的總風壓最低值和尾車充至定壓的充風時間。

表1 典型工況的總風壓最低值和尾車充至定壓的充風時間

從表中數據可以看出雙壓縮機供風除初充風這一用風最多的工況外，總風壓的最低壓力均在600 kPa左右，單壓縮機供風除緊急后充風這一用風次多的工況外，總風壓的最低壓力均在760 kPa左右，充風時間也在正常范圍內;不同工況減壓后僅主控機車充風，從控機車列車管在上升20 kPa的時間，均在30 s以內，能夠確保從控機車制動閥切除后的正確投入。

4.3 意外流量測試

在同步操縱通信丟失的情況下，如果主控機車實施制動或制動后的追加，通過對從控機車產生的意外流量的判斷，可以切除其制動閥，使全列車僅受控于主控機車的命令，確保列車在通信丟失的情況下利用意外流量這一后備的通信方式實現對列車的操縱。圖3中40 s，60 s內的2道豎線所標志的時間間隔就是意外流量發生的時間;60 s后明顯上升的桔色曲線為意外流量。

圖3 意外流量測試截圖

4.4 同步性能試驗

試驗測試從控機車相對于主控機車的制動和緩解及牽引控制的時間差，即動作的同步性，這一指標是同步操縱系統的重要參數，關系到全列車縱向沖動加速度和車鉤力的大小。

試驗將從控機車(圖4～圖6中的J1)鏈接至主控機車(圖4～圖6中的J2)，關閉從控機車前的折角塞門，讓制動和緩解指令僅通過無線電臺傳遞，來測試各制動工況下，從控機車相對于主控機車的制動和緩解的系統同步性。試驗包括自動制動的最小減壓后緩解、追加制動后緩解、最大減壓后緩解、緊急制動后緩解;單獨制動、單獨緩解、自動制動后單獨緩解。部分試驗曲線和數據如圖4～圖6所示。

試驗通過模擬機車控制的接點閉合、開放，測試從主控機車接點閉合到從控機車接點閉合所需要的時間，系統響應(延時)時間的分布情況如圖7所示。

從圖中可以看出:

(1)從控機車能夠快速響應主控機車的指令，平均動作時間差在2 s以內。

(2)從控機車的列車管和制動缸的壓力值與主控一致，可以確保全列車制動力分布的均勻性。

圖4 制動和緩解的同步情況

圖5 最小減壓后緩解的同步情況

圖6 階段制動后緩解的同步情況

圖7 系統響應時間散點圖

4.5 機車模擬操縱試驗臺及試驗

機車模擬操縱試驗臺用來配合模擬電力機車的各種開關信號及牽引、動力制動模擬信號，諸如牽引使能、動力制動使能、主斷路器分/合、劈相機啟動等。

考慮到一般機車的需要，裝置設計成可以提供48路開關量輸入(顯示)、輸出及4路模擬量輸出，模擬試驗臺外觀如圖8。

圖8 模擬試驗臺外觀

48路的開關量輸入采用LED指示燈指示，通過調整輸入電阻，可以兼容110 V、24 V輸入，開關量輸出采用鈕子開關方式，直觀明了，可以承受110 V的電壓。

4路模擬量輸出用來模擬機車的模擬信號，如牽引級位、速度給定等。采用單片機控制，D/A轉換輸出，輸出滿量程可以在10 V/15 V等之間調整。通過扳把開關控制輸出電壓，當扳把開關向上扳動時，輸出電壓升高，向下扳動時，輸出電壓降低。輸出電壓的大小通過LED顯示器以百分比的形式顯示出來，最高99%，最低0%。

(1)開關量輸入響應測試

系統的開關量輸入響應測試，主要是檢查同步操縱系統的開關量輸入部分能否滿足機車110 V供電(帶蓄電池)系統的感知要求，測量開關量輸入從零上升到110 V的動作電壓和從110 V下降到零時候的返回電壓。

為滿足抗干擾等性能的要求，此電壓設計要求在50 V左右，測試結果表明符合設計要求(表2)。

表1 系統開關量輸入時響應電壓 V

(2)系統牽引/電制級位輸入測試

該試驗用于驗證系統對于SS4主控機車司控器手柄在牽引、動力制動各級位輸入電壓的響應能力，以滿足機車牽引、動力制動控制的要求。圖9為牽引、動力制動級位量化關系圖。表3為系統在司控器手柄牽引、動力制動各級位的開始電壓測試數據，測試結果表明可以滿足傳遞牽引、動力制動級位的要求。

圖9 牽引、動力制動級位量化關系圖

表3 牽引、動力制動各級位的標準值、上下限值及測試值V

5 結束語

研發的機車無線同步操縱系統，采用分布式微處理器系統的方案，內部各模塊間采用CAN總線聯網，與機車的接口采用可靠的繼電器接口，采集制動、牽引、監控及其他裝置的相關信息，平穩控制列車。采用LCD顯示器完成和司機的人機交互，直觀清晰。

試驗結果表明，研發的無線同步操縱系統，同步性能良好，可以解決超長列車所帶來的制動不同步、緩解充風慢、車鉤力過度集中的問題，滿足重載列車開行的要求。

［1］ 耿志修.大秦線開行20 kt級載在組合列車系統集成與創新［J］.中國工程科學，2008，10(3):31-43.

［2］ 高春明，冀 彬，張 波，等.大秦線重載組合列車的LOCOTROL技術應用研究［J］.電力機車與城軌車輛，2006，(6):5-7，41.

［3］ 林 暉，葉柏洪，池 海，等.大秦線機車無線同步操縱技術與工程化的研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，2009.