国内外机车同步操纵控制系统的发展和特点

2013-05-09北京全路通信信号研究设计院有限公司北京100073

铁路通信信号工程技术 2013年1期

陆伟（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 机车同步操纵控制系统的发展过程

机车远程操纵控制是在美国发展起来的，1960年以前，美国开始尝试开行组合列车，即在编组列车内另外加挂一台或数台机车，合理地增加机车牵引能力。不过这种加挂的机车均有乘务组担当值乘，采用各自独立操纵的方式。头部机车对后部机车的远程操纵控制命令是靠事前约定的汽笛声来传递，或者采用无线电话联络，然后由后部机车上的司机响应执行。

但是随着列车的长度和重量不断增加，这样的操纵方式已经无法保证列车的行车安全，应该使用更有效、可靠的通讯方法来传递机车的控制指令。随着技术的发展，加拿大和美国首先应用了无线遥控系统对分布在列车中部的机车进行远程操纵控制，从而明显增加了列车的牵引吨位。

1959年，美国开始进行机车无线遥控的（机车同步操纵）动力分布控制试验。1962年，美国西屋（W estingh ouse）公司的远程机车遥控系统开始用在由200辆车编组的18 000 t列车上，在经过多次试验、改进后，该系统于1964年以后陆续在美国南方铁路公司、南太平洋铁路公司、宾夕法尼亚铁路公司、纽约中央铁路公司、联合太平洋铁路、圣太菲铁路以及加拿大太平洋铁路公司等大量应用。

哈里斯（Harris）公司（后被GE公司收购，为GETS Global Signaling的前身）于20世纪60年代开

陆伟，男，毕业于中国矿业大学，研究员。主要研究方向包括调车机车、高速列车、重载列车的机车信号自动控制，曾参与铁道部项目“驼峰无线机车信号系统”的开发、“ WJD-X&K调车机车无线遥控与信号安全监控系统”等项目，主持了国家科委重点项目《青藏铁路通信信号系统可行性研究》，为青藏线通信信号的引进和ETCS 4系统的实施进行了前期研究。曾获得大秦重载列车组合牵引万吨试验“七五”攻关项目国家重大装备特别奖（国务院重大装备办公室奖励），ZLSK-160准高速旅客列车速度分级控制系统（铁道部科技进步二等奖），郑州北编组站综合自动化系统——机车无线遥控，国家科技进步一等奖，铁道部科技成果一等奖等荣誉。曾发表论文17篇，获得2项发明专利。始研制类似的无线遥控机车动力分布式控制系统，1965年产生了第一代的产品，这就是LOCOTORL分布式动力控制产品。该系统产品应用了摩托罗拉公司生产的固态无线电技术，系统由安装在头部主控机车的主控设备和安装在列车内专门车辆（遥控车）上的无线电受控设备组成。司机从主控机车发出指令，这些操纵命令通过无线电信道传送到后面的受控设备上，受控设备接受到指令后进行处理，通过继电器控制电路，控制从控机车牵引和制动设备的动作，实现各台从控机车与主控机车的同步操纵。

20世纪80、90年代， H a r r is公司开始开发新型无线遥控系统，其采用现代化微处理机技术。1984年，首台带有微处理器的LOCOTORL Ⅱ代分布式动力控制产品被开发出来，其直接把受控设备放在从控机车上，体积缩小，而功能扩大。继电器和电磁阀置于软件的控制下，可以进行制动管路连通性测试、漏泄测试、主控与从控的连通性测试以及对空气流速变化的检测。对空气流速有否变化的检测使得制动管路成为辅助的通信链路。主控机车和从控机车设备能够互换通用，进一步提高了安全性和灵活性，使操作和维修更加容易。

20世纪90年代初，第三代分布式动力控制型的LOCOTORL产品被开发出。该系统采用了更先进的微处理器，可提供增强型的用户界面、多项遥控支持、从控机车自动排序和事件记录及下载。LOCOTORL Ⅲ产品能提供一个完整的分布式动力控制系统，并且能与国外的各种类型的机车和制动系统接口。

最近这些年，GETS Global Signaling开发了第四代分布式动力控制的LOCOTORL产品并在铁路上试用如图1所示。它采用最先进的微处理器和固态电子技术，使用更少的元件，工作更加可靠，并且更容易与现代机车相配合。

使用动力分布式控制系统，可以：

1）获得最佳的动力分配和制动操作，增加总吨位牵引能力（列车长度加长）、改善资产利用率、减少列车内部受力、减少对乘务员的需求（使用长列车时）；

2）减少列车在陡坡运行时的车钩受力，不需要有人驾驶的补机；

3）更快的加速和减速，改善铁路通过能力减小列车间隔、更快的循环周期、减少停车距离（30%）、减少停车时间（22%）；

4）增加牵引效率和减少滚动阻力，改善燃油的经济性（平均5%）、减少轮缘和铁轨的磨耗；

5）更快的制动缓解动作，有效地减少制动管充风时间（60%）,从而减少循环时间、改善对低速列车的控制、更平稳的制动动作、改善对列车间隙效应的控制，减少货物的损失；

6）可以将多个短列车联接成一个长列车，增加线路通过能力、简化调度场对列车分解的后勤支持。

2 大秦线GE公司Locotrol系统的特点

采用LOCOTROL系统，各铁路公司能够基于整个列车长度优化动力分步和制动控制。LOCOTROL分布式动力系统可以通过主控机车，控制列内的从控机车以同步异步方式运行。或者独立控制各个机车。在同步模式中，主控机车上接收的命令通过无线连接传送给各个尾车。在独立模式中，操作员可以使用车载显示器控制从控机车手柄级位，而制动仍保持同步。

这种方式能够更快、更平稳地完成列车启动和制动，使启动和制动距离缩短30%，时间缩短20%，实现更安全的列车控制和更高效的运转。制动管充风时间可缩短至60%，列车可完成更快设置和恢复。

LOCOTROL使用了无线链路，可以控制多达4个远程机车。制动管可用作备份通信链路，来使远程机车空转，并使制动器作用从而刹住列车。通过大幅度地减低车钩受力及通过所有的机车提供减压，使制动性能得到显著的改善。

LOCOTROL的应用能够提高牵引能力，轨道附着力和燃油效率，从而提高系统运载能力（平均提高12%）并降低运转开支（平均降低10%）。LOCOTROL系统能够几乎与任何一种制动系统接口，包括空气制动、真空制动和电空制动。目前，安装在全球的电动机车、AC或DC内燃机车上的LOCOTROL系统已达5 000多套。

LOCOTROL系统的基本工作方式是前部机车通过GSM-R系统，向中、后部机车发布同步牵引和制动命令，实现前、中、后部机车的牵引及动力制动同步操纵及空气制动系统同步制动与缓解。同时采用制动管压力自动检测，可以对系统的无线通讯状态进行监控。

2.1 采用LOCOTROL系统的优点

有效减轻重载列车的牵引车钩力；在弯道上减少列车阻力，减轻轮轨磨耗，降低燃油成本5%～6%；中、后部机车同步参与了全列车的列车管排风与充风，加快了列车的充排风速度，提高制动波传播速度，有利于减轻列车制动纵向力作用，减少断钩的危险。

2.2 采用LOCOTROL系统的主要问题

1）LOCOTROL系统由于是单机系统，故障时必然会发生因死机而产生的惩罚性制动，对设备造成伤害并影响运行。

2）LOCOTROL系统的制动控制只能与科洛尔公司的CCBII型制动机配合，必须更换现有机车的制动系统，改造成本较大。

3）LOCOTROL系统信息传送通道采用800 MHz电台叠加GSM-R系统，配合地面中继的方式，改造成本大，且当地面中继设备故障时会影响所有列车的运行。

4）LOCOTROL系统目前还不能实现不同型号机车间的相互控制。

3 JTCS系统研发过程

3.1 研发过程

2004年北京全路通信信号研究设计院有限公司立项进行该课题的前期研发工作。

2006年北京全路通信信号研究设计院有限公司在铁道部科研开发计划中中标，进行《大秦线机车无线同步操纵技术与工程化的研究》工作。

2008年该课题列为国家发改委自主知识产权重点课题。

2010年北京全路通信信号研究设计院有限公司与成都铁路局共同承担铁道部科研开发项目《西南山区铁路在既有装备条件下运输组织优化及安全、提效技术的研究》。

北京全路通信信号研究设计院有限公司承担该课题后，通过对国内铁路重载运输需求的调研，将开发重点放在对国内既有运输设备的利旧和技术改造上，以满足技术改造的低成本和高效率需求。

3.2 试验验证

为验证系统的功能和系统控制的安全性和可靠性，北京全路通信信号研究设计院有限公司与成都铁路局合作，从2009年8月至2011年6月在成昆线和川黔线进行了多次线路试验，包括无线通道的测试；相同机型机车同步牵引控制试验；不同机型机车同步牵引控制试验。试验结果满足课题要求。

2009年在成昆线成都北至攀枝花间进行了无线通讯在山区隧道区段传输特性测试，和同步控制系统对无线通讯改造方案的验证；通过对800 MHz无线通道全向传输和定向传输特性的测试和比较；通过对800 MH z无线通道在不同传送速率下的误码率和控制误组率的测试；确定了在该区段满足同步控制系统工作要求的无线传输系统。

2010年在成昆线燕岗至西昌南间进行了2台SS3电力机车推挽牵引4 500 t的重载试验，进一步解决了利用计算机控制系统控制电力机车的技术问题和用计算机控制系统控制DK 1空气制动机进行无级减压的问题，使DK 1空气制动机在计算机控制系统控制下能够产生任意的减压量。解决了同步控制系统控制机车分别独立过分相的问题。同时验证了同步控制系统的基本功能和空气制动的同步特性测试。通过试验的验证：

1）列车牵引由集中牵引改为分散牵引，对列车的车钩力和冲动会产生变化，有利于发挥机车的牵引效能；

2）使用该技术可以开行组合列车,有效提高输送能力；

3）与双机重联方式比较，可以适当的提高牵引定数以提高运能；

4）由于采用双机同时排风和充风，缩短列车的制动排风时间和缓解充风时间，制动作用时间短，提高列车运行的安全性；缓解充风时间短，有利于列车的连续制动，可以解决长大下坡道列车连续制动调速风压不足的问题，保障列车运行安全；

5）由于采用双机分别独立过分相技术，与重联运行相比，列车动力不会产生间断，有利于列车在坡道上牵引动力和电阻值动力的保障，列车在上坡时的速度减少和下坡时的速度上升不会起伏较大；

6）在采用推挽牵引方式区段,可以取消尾部风压反馈装置及传输中继设备,减轻现场工人劳动强度；

7）采用推挽牵引方式，可以在发生意外途停（上坡）时，通过改变运行方向，实现自救，较之另派救援机车才能完成救援既省时、经济又减少运输干扰。

2010年在川黔线贵阳南至赶水北间进行了SS3和SS4G电力机车不同型号间的同步控制试验，解决了系统对SS4G电力机车的控制问题和不同型号机车的控制方案和控制模式问题；解决了无线通讯的全程覆盖问题。通过试验的验证：

1）系统采用的信息传输通道是可行的。系统采用800 M H z无线通讯叠加400 k H z电力线感应载波通讯的方式，车站和供电分相区段以无线通讯为主，隧道区段以电力线感应载波通讯为主。信号均能正常传输，未出现信号中断现象。保障了同步操纵控制的可靠性。

2）实现了对不同型号机车之间的同步控制。川黔线本务机车为SS3型电力机车，加补机车为SS4G型电力机车，这两种型号的机车由于操纵方式不同，实现同步运行比较困难，系统采用级位电压的控制方式，使机车牵引功率满足了合理使用的问题。

3）实现了对不同型号机车的有线重联同步控制。目前的运用机车在重联运行时，只有相同型号的机车才能进行有线重联同步操纵，对不同型号的机车由于操纵方式不同，无法实现有线重联，而利用同步操纵设备可以实现了对不同型号机车的有线重联控制。

4）实现了多机车牵引列车各机车独立自动过分相的控制。最大限度的减少列车因机车过分相损失的牵引力，同时取代人工确认分相点，避免因过分相的误判断和误操作造成的带电过分相事故的发生。

5）补机全程实现自动操纵。补机乘务员全程只对设备的控制进行监督，增加了同步控制的实时性和可靠性，同时降低了乘务员的劳动强度。

2011在成昆线燕岗至西昌南间进行了SS3电力机车和SS4电力机车混合推挽牵引的重载试验，牵引定数由原来的3 800 t提高到5 000 t。

3.3 成果应用范围

1）系统通过不同的机车控制接口可以适用于铁路运输的国产和进口的货运主力牵引机型（包括电力机车和内燃机车）。

2）同一列车编组中有多组机车（分散在不同牵引位置）。

3）系统不应破坏机车原有的结构和控制方式。

4）同一列车中各牵引位置的机车可以是相同类型的机车或不同类型的机车（电力机车和内燃机车混合编组）。

5）同一列车中各牵引位置的机车可以是相同型号的机车或不同型号的机车（有级牵引机车和无级牵引机车混合编组）。

3.4 系统应用场合和技术方法

1）对不同型号机车进行同步控制。不同型号的机车由于操纵方式不同，实现同步运行比较困难，系统采用级位电压的控制方式，使机车牵引功率满足了合理使用的问题。

2）对不同型号机车进行有线重联同步控制。目前的运用机车在重联运行时，只有相同型号的机车才能进行有线重联同步操纵，对不同型号的机车由于操纵方式不同，无法实现有线重联，而利用同步操纵设备可以实现对不同型号机车的有线重联控制。

3）对多机车牵引列车各机车进行独立自动过分相的控制。最大限度的减少列车因机车过分相损失的牵引力，同时取代人工确认分相点，避免因过分相的误判断和误操作造成的带电过分相事故的发生。

4）对补机全程进行自动操纵。补机乘务员全程只对设备的控制进行监督，增加了同步控制的实时性和可靠性，同时降低了乘务员的劳动强度。

4 JTCS系统的特点

此JTCS系统具有以下几方面特点。第三代JTCS系统主机，如图2所示。

1）计算机冗余安全技术：系统采用2oo3安全型计算机控制，保障控制的可靠和连续性，具备在线检测，在线维修，在线报警和故障安全降级使用等多种安全措施与应急方案，不会因设备故障使列车解体，保证工作的可靠性、不间断和控制的准确性。

2）功率同步协调技术：在机车牵引控制上，我们的系统较好地解决了当编组列车中使用不同型号的机车时，特别是在编组列车中同时存在电力机车牵引和内燃机车牵引时的同步操纵控制问题。

3）制动同步控制技术：在制动系统方面改造小、控制简单、适用于多种制动机，有利于供电紧张区段的内、电机车混合编组。系统的电控制动控制接口，目前既可以满足DK 1制动机的控制改造，也可以满足JZ7制动机的控制改造，且控制方式完全一样，这样就可以实现不同类型制动机之间的完全同步制动控制和列车管压力保持。系统的空气制动控制部分不用更换机车原有的DK 1或JZ7空气制动系统，同时对原系统的改造很小，控制的精度和可靠性比较高，更换简单且不需要大型工具。

4）机车同步控制技术：系统可以实现在同一列车中采用不同型号的机车甚至采用不同类型的机车进行牵引的同步控制。此模式可以解决同步控制对机车配置一致性要求过高的问题；同时在未对供电系统进行改造的线路上开行的列车，以及在一个供电臂内开行由更多的机车牵引的列车时，利用电力牵引和内燃牵引混编的方式解决提能和供电的矛盾。

5）空气同步技术：在通讯中断的情况下，确保补机及时切断补风和协助排风。系统利用流量传感器监测列车管压变化趋势，在无线通道失灵时，利用空气通道传送的波速信号实现空气同步制动放风和切断牵引动力与机车补风，实现故障导向安全。系统具有空气同步故障导向安全功能，因此可以实现补机对空气系统的全程补风，充风时间缩短，有利于减压调速对空气制动的频繁使用。

6）通道可靠性技术：双网双备份、定向传输技术、编码纠错技术。系统选用高增益的无线传输设备，在相同功率下，传输效果提高近3倍，采用800 MHz无线通讯叠加400 kHz电力线感应载波通讯的方式消除了通讯盲点，避免了地面补偿设备故障对运输的影响。

7）分散自律控制技术：系统可以根据地形作前向或滞后控制、在满足整个列车操纵原则的基础上，各机车作必要的微调。

8）自动过分相：各机车分别独立的采取过分相操纵，过分相的影响最小。

5 成都局机车同步控制扩大试验的安全防护方案

5.1 试验运行安全防护措施

1）试验运行中本务机车和补机的乘务员要密切监视机车运行状态和传输控制指令的变化，发现异常及时采取防护措施并向相关人员通报故障状态和现象。便于及时处理。

2）试验列车运行1个往返后，技术人员要及时采集系统运行数据和机车监控数据并进行离线分析，提供沿线点式应答器的运行状态和维修信息；提供控制系统的运行状态、传输通道的状态、机车的运行状态和维修信息。

3）试验机车出库时（暂定在西昌南车间），要通过出库检测，确认指令传输通道完整可靠、点式接收可靠、系统采样控制可靠后，才允许出库。

4）补机乘务员发现系统控制异常或机车工作异常时，可以通过换向手柄切除系统控制转成手动控制，将换向手柄置成与当前机车运行相同的状态，就可以使机车与控制系统断开，机车制动系统自动进入重联态切除补风。此时，如果控制信号显示正常，补机乘务员可以按信号操作，如果通道故障无信号显示，补机乘务员通过其他通道通知本务机车，再由本务机车乘务员根据线路情况和牵引状态使列车就地停车或维持运行到前方车站停车。

5）试验运行中本务机车和补机的乘务员要经过培训和考试，要全面了解本务机车和补机在运行中的工作状态和采取的必要操作步骤。