重載鐵路機車同步操控系統研究

劉福 LIU Fu

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司機輛分公司，滄州 062350）

0 引言

現階段世界已將重載鐵路運輸技術視為鐵道運輸的主要發展方向，我國的鐵道運輸產業也在近幾年內憑借先進的同步控制重載技術實現了全面的改造升級，通過應用該項技術，使自身的運載量實現了翻倍，對于鐵路產業的整體經濟效益及國家能源和運輸緊張的狀況，都有了很好的緩解和提升，為我國整體經濟的發展起到了良性的整體作用。

在載機車同步操控系統內，現階段傳輸命令的主要傳輸形式是憑借制動波的傳導來最終實現的，制動波的傳導時間、重載機車間主管與支管的長度、管道間三通閥/分配閥等各類配件的相關性能均會關系到重載機車的最終同步操控質量，因為制動性對確保重載機車鐵路運輸的安全而言至關重要，因此在日常工作中我們對重載鐵路機車的同步操控系統提出了很高的要求，而這也就是本次研究開展的根本原因。

綜上所述，現階段重載鐵路運輸技術是世界公認的鐵路貨運發展趨勢，憑借加長重載機車的列車編組與在重載機車間開展多機車同步牽引這兩種形式，實現了重載鐵路機車同步操控技術的快速進步，并拉動了鐵路運輸載能的有效提升，但多機車編組也對各機車間的同步性要求極高，對此同步操控技術的研究也就顯得非常重要了。

1 重載鐵路運輸發展狀況

重載鐵路運輸作為當今中國的一項重要運輸組織模式，鑒于該模式運量大且成本低等多項優點，已經成為我國鐵路運輸的一項重要工作內容。伴隨電子、通訊及計算機信息技術的不斷迭代和更新，重載鐵路機車運輸技術及相關的設備水平也在不斷的發展和升級。在歷經一段時期的發展后，重載鐵路運輸這一模式也在不斷被完善和提升，該模式的成本也伴隨技術的革新而逐步壓縮，在產能不斷加大的前提下，經濟效益日益提高。

中國的重載鐵路機車運輸發展，我們最大程度的學習和借鑒了世界各國已有的經驗及技術，再通過充分融合中國的實際國情及自然條件，在融會貫通各國現有的同步操控系統基礎上進行了自主創新，研發了很多符合我國鐵路重載機車實際運用情況的同步操控系統，并在重載機車同步操控系統的研究上還在不斷探索。雖然相對西方國家，中國的重載鐵路機車運輸技術起步較晚，但伴隨這些年的不斷發展，我們已經在該領域實現了追趕超越并獲得了不錯的實效。下面本文將從國內幾條著名的重載鐵路出發，來具體分析這幾條線路的同步操控系統應有：

大秦鐵路與朔黃鐵路作為現階段國內頂級的重載鐵路線路，現在還在持續的使用與完善。筆者總結了我國主要的重載鐵路運輸情況，并匯總成了表1。

表1 我國主重載鐵路運輸情況明細表

①大秦鐵路。

大秦鐵路作為我國首條雙線電氣化重載鐵路機車煤礦運輸專線，其總長度現達653km，自上世紀90年代初開通以來，就被定位成了萬噸以上的重載鐵路列車專線。這幾年，根據實際的使用狀況，該線路進行了大規模的擴能改造升級，在2005年時大秦鐵路的運載量就達到了2億噸，經過改進又在2010年跨越了4億噸的關口，并在之后不斷優化升級，持續提升自身運載量。由于大秦鐵路貫穿多個山區，線路曲折隧道較多，因此運用了美國GE公司研發的Locotrol系統來完成線路內的重載鐵路機車同步操控，Locotrol系統能夠通過GSM-R網絡與800MHz無線電臺搭配來在重載鐵路機車中搭建一個無線數據傳導網絡。

②朔黃重載鐵路。

朔黃重載鐵路也是一條我國的經典重載鐵路機車線路，其全長為598公里，整條線路以運行軸重25噸以上的重載機車為主。朔黃重載鐵路自2012年投產以來，經過十年的發展，目前已經能夠承載軸重40噸以上的重載鐵路機車安全運行，計劃將年運輸能力提升到4億噸以上，憑借新銳的LTE衛星傳輸技術技術，目前該線路已達成對重載組合列車的無線重連、集群調度通訊及無線調度指令下達等業務日常開展。

③瓦日鐵路。

瓦日鐵路在國內又常常被稱作山西中南部鐵路通道，該鐵路線路為貫穿了晉、魯、豫三省的出海煤礦通道，總計長度為1260km，開通于2014年末，是全球首條軸重按照30t的重載鐵路標準修建的現代化鐵路，其設計時速達到了120km，全線采用電力牽引技術ECP系統進行同步操控，年運載量可達到2億噸，該鐵路的設計牽引質量為5千噸至1萬噸。

④蒙西至華中地區鐵路運煤通道。

蒙西至華中地區鐵路運煤通道全長為1816km，是我國實施“北煤南運”宏觀調控的戰略運輸通路，該鐵路網的設計運輸能力達2億噸，在開通初期實際運輸能力達到了1億噸。作為運用ECP系統展開同步操控的電牽引技術的鐵路，該道路牽引質量為5千噸與1萬噸兩種類型，其重載機車的軸重是25噸。

2 重載鐵路機車同步操控系統

在重載鐵路機車同步操控系統的選擇上，一定要考慮為以下兩點：一是需消減與規避機車的縱向沖力，尤其是針對在重載機車的制動過程中產生的縱向沖動，要最大化的削減其間的車鉤力；二是要合理的優化重載機車的再充風時長，以保障重載機車的再制動條件。想要解決這兩點問題，就需要一個完善的同步操控系統。現在全球用于重載鐵路機車同步操控的系統主要有兩種，即（Locotrol）機車無限動力分布控制技術與（ECP）電控空氣制動技術。

2.1 Locotrol系統——機車無限動力分布控制系統

機車無限動力分布控制簡單而言就是將各個重載機車分散安排在重載機車組的科學位置中，憑借無線電通訊控制系統來同步操控多臺機車，以達到協調整體運輸的最終目的，令操控人員在主控機車上，就能夠通過系統實現整列列車的操控。在原理上這種模式就是把長大型的重載機車分解為多個小編制的重載機車組，通過這種方式來削弱機車間的車鉤力，并通過在每臺機車上都配置從控裝置來進行空氣制動，從而實現重載鐵路機車的整體制動性能升級。因為制動及緩解在實際中是由多臺分散布置的機車來協調控制的，所以憑借這種模式能夠在很大程度上提升長大重載列車的制動及緩解性能，提高重載機車的整體運輸安全性。

locotrol系統的核心就是實現機車的遙控，該系統的主控機車能夠憑借無線通訊來遙控一個重載鐵路機車組內的每臺從控機車，以達成重載鐵路機車整體的同步牽引、制動與緩解，幫助重載鐵路機車組宏觀科學的實現動力分配從而更好的調控機車的制動，Locotrol系統的引入可以幫助重載鐵路機車更好更快的控制制動波及緩解波，最優的達成機車組內各項功能的同步操控。

Locctrol系統的最大特點就是能夠為操控者提供兩種重載機車組的控制方式：其一就是同步控制方式，控制者可以在主控機車內控制從控機車，在這種模式內主控機車與從控機車根據同一牽引及動力制動命令來設置及運行；其二獨立運轉模式，在該模式內重載鐵路機車的主控機車與從控制機車能夠依照不同的牽引及動力制動狀態來設置及運行，如此就能夠達成機車分開布置制動及充風的效果，很好的壓縮充風時間及制動距離，有效的消減列車間的內力，令控制者更便捷的展開列車的控制，從而確保重載機車的運行安全及效率。

本系統的核心優勢主要有以下幾點：

①更合理的配置動力，達成制動目標，可以憑借增加重載機車的總長來加大牽引力，并同時優化各個機車間的內部受力；

②在重載機車運行至坡度區域時，能夠削弱車鉤受力，并且還無需人工駕駛補機；

③加速及減速更快捷，令重載鐵路機車的運載效能實現大幅度增長，于縮短重載機車間距的基礎上壓縮了循環周期，令重載機車的制動距離縮短了30%以上，停車時長縮短了20%以上；

④牽引效率得到大幅度提高，滾動阻力削弱，合理的優化了重載機車燃油的消耗（至少節省五個百分點），對于機車及鐵路的各項損耗也有效降低。

2.2 ECP系統——電控空氣制動系統

ECP系統主要由三大版塊組成，即機車控制單元、車輛控制單元及列車網絡單元這三大版塊，重載機車的控制通訊憑借機車內部的有線通訊系統進行傳導，令每節機車都能夠最優的實現重載機車的同步制動及緩解，最終完美的消減機車間的縱向力。ECP系統的具體結構如圖1所示。

圖1 ECP系統的結構示意圖

ECP這一制動系統特別適用于長大編組的單元鐵路機車，其能夠很好的優化機車的制動及緩解歷程，合理削減機車的縱向力問題，更好的幫助重載機車達成再制動，優化提升重載鐵路機車的整體性能，相較于傳統的空氣制動有著特別顯著的優勢。具體該系統的特征優勢如下：①于編組的鐵路機車內，主控機車發出數控指令，此指令憑借數據通訊的模式，來控制各機車上配置的ECP裝置，在相關設備接收到數控指令之后，就會控制副風缸將自身壓縮的空氣注入到制動缸；②聯通整個重載機車的雙芯電纜為ECP系統的數據主通信渠道，同時重載機車自身的電力總線也可以幫助ECP系統內的各項裝置提供電能；③運用ECP系統能夠令每輛機車實現同步操控，主控機車下達的制動命令能夠同時達成全列車的制動與緩解，并且系統的各項配件還能夠宏觀的對故障異常的情況快速做出判斷和響應。

ECP系統將網絡技術應用在了重載機車鐵道運輸領域，達到了電控制動的效果。ECP憑借微型芯片技術操控把控制指令憑借傳導系統下達到各個從控機車的相關裝置之上，操控副風缸中的壓縮空氣抵達制動缸完成充風，從而實現重載機車的制動，在ECP系統內空氣波不再作為控制指令傳輸媒介，但還是擔任著制動的主要動力。由于ECP系統的電控制動模式是直通式的，在制動命令下達時機車的副風缸就會直接向制動缸內充風，這樣機車中的列車管就不會減壓，可以更好的減小機車制動過程中的壓縮空氣消耗。ECP系統不僅能夠達成重載機車階段制動及緩解，在整個的重載機車的制動過程內還能夠不間斷的往副風缸內充風，這樣就能夠依照實時的重載機車來宏觀科學的控制機車的整體制動力，更輕松的實現重載機車的同步操控和速度調節。

所以電動制控相較于傳統的空氣制控而言，能夠更好的達成重載機車運行過程中各個機車的同步制動及同步緩解，能夠更高品質的提升列車的制動及緩解波速，更加合理的削弱了各個機間的車鉤力副作用，將車鉤斷裂的發生概率降到了最低。

2.3 Locotrol系統與ECP系統對比

在實際重載鐵路機車同步操控過程內實踐當中，因為系統架構、系統應用、承載業務這三大方面的差異化，這三項的相關性能指標也會有所差異，Locotrol系統與EGP系統這兩種同步操控系統在實施同步操控時也對這三項數據的應用各有側重，比如就對數據的傳輸速率需求上，特別能夠彰顯無線通技術的發展對同步操控系統性能的影響。由于具體的Locotrol系統與ECP系統的運用選擇是要依照現實需求的，是需要從實際情況及預期來設定的，因此對比Locotrol系統與ECP系統明確二者性能上的差異，比較二者不同系統的特性。

Locotrol系統相較于ECP系統最顯著的差異就是Locotrol系統是憑借無線傳輸同步操控指令來實現重載鐵路機車同步控制的，如此一來就需要牽引力分布在機車的各個位置，相較EPC系統來說具備以下幾點優勢：一是該系統的架構更為簡潔，整體的機車控制系統都可以布置在機車內部，對重載鐵路機車的改造工作量較小，改造升級成本比較低廉，且升級較快捷方便；二是Locotrol系統更便于鐵路運輸的組織，由于列車不需要無線網絡便能夠達成同步操控，這樣就可以依照各自的目的地來對重載鐵路機車展開解編；三是Locotrol系統管理起來更方便且維護起來更便捷，非常符合我國當下的鐵路運輸實際，能夠更快更好的在全線鐵路重載機車運行中推廣落實。

3 運用實例

重載鐵路機車需要多臺機車同步牽引，因此機車間同步操控是確保機車安全、高效運載的先決條件，要達成機車間的同步操控需依托于實時通訊技術，于主、從控機車間快速準確的傳達控制指令。重載鐵路機車同步操控系統作為控制命令的傳導系統，采用Locotrol系統憑借無線通訊進行控制命令傳達，運用GSM-R網絡配合800MHz無線電臺這種當代常用的無線數據通訊手段，已經廣泛應用在我國重載機車同步操控系統中傳遞同步控制信息，隨著LTE衛星技術的發展，其優勢也逐漸凸顯，所以LTE衛星傳輸技術也將逐漸在鐵路應用中廣泛應用。

3.1 大秦鐵路

針對大秦線這種沿線多為山區、隧道的線路，特別是在隧道群情況中，不僅有長大隧道還有多個相鄰的短隧道群，常常會發生一列機車處于不同隧道內的情況，這就會導致發射電臺與接收電臺不在同一隧道內的情況發生，而在這時候無線數據的傳輸效果就會非常的差。所以，依照大秦鐵路的這一實際情況，該線路采取了給重載機車上安裝800MHz無線數據傳輸系統的方式，來結合Locotrol系統實現主從控機車間同步操控命令的傳送。因為重載鐵路機車組有時會出現重載線或空載線的狀態，所以在實際運用時的同頻直放站內該線路也配備了多個工作頻率，以便確保數據信號傳輸的穩定性及安全性。

3.2 朔黃鐵路

朔黃鐵路身為中國“西煤東運”核心鐵路線路，對中國的煤炭運輸有著非常重要的意義。目前朔黃鐵路采用800MHz+400kHz無線電臺作為同步操控數據的傳輸系統，雖然800MHz安全性及穩定性較高，但這種方式的數據傳輸量較小，通訊距離的問題還有待解決，為了實現朔黃鐵路開行2萬噸列車，我國在實際的Locotrol同步操控系統中嘗試運用了LTE網絡來滿足萬噸重載機車的同步操控數據傳輸的需求。

4 結論

綜上所述，本次研究對重載鐵路機車的同步操控系統有了一定的研究，也對Locotrol系統與EGP系統這兩類同步操控系統的特性展開了討論和研究，針對本次研究的這兩類重載鐵路機車同步操控系統來看，重載鐵路機車同步操控系統的延時大體出現在兩個方面，一是主控機車下達指令給從控機車的過程內的通訊數據延時，二是制動指令于列車管內憑借制動波模式的傳達給各個從控機車的延時。所以，把通訊的延時與制動波于列車管的傳導延時結合起來，解析重載鐵路機車的同步操控就很有必要。而鑒于我國現階段重載鐵路網絡實際情況，并結合我國當下的技術經濟現狀而言，目前中國鐵路在重載鐵路機車同步操控系統上，還是大面積采用Locotrol技術控制較為適宜。