神华大准铁路列车尾部装置运用中的相关问题分析

闫新盛

摘要：本文分析了神华大准铁路列车防护装置的应用及存在的问题，基于开行万吨重载列车的需求，对该线列尾设备的使用状况进行了说明，对关键技术400KHz感应通信、列车尾部装置进行了分析，对动态试验的过程和结果进行了分析说明。

关键词：列尾装置；感应通信；测试方案

中图分类号：u2

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0052-03

1.研究背景

神华大准铁路是我国西煤东运的重要通道之一，正线全长264km，准池铁路正线全长182kin，是神华南北大通道大准、朔黄铁路的联络线，巴准铁路正线全长128km，是包神、大准铁路的联络线，大准、准池、巴准使用的列尾制式相同。这三条线路现地形地貌复杂、弯道多、桥隧密集。大准铁路在初期建设时无线通信使用400kHz感应通信制式，2000年开始使用单信道400kHz列尾装置。

感应通信制式得无线通信设备列调及列尾装置，为大准铁路的安全生产起到了很好的保障作用。20世纪80年代以后，现代高新技术在铁路上广泛应用，使得列车的牵引重量也有很大提高。大准铁路公司在对既有线进行扩能改造后，具备开行万吨列车条件，标志着我国又一条重载铁路的诞生。国外重载列车牵引重量一般为1万～3万吨，我国大秦线、朔黄线分别于2004、2012年开始开行2万吨重载列车以提高运输能力。

重载列车全长大约1500m左右，是一般列车的2倍长度，电力机车的牵引电流较大，导致干扰增大，无线通信存在一定的盲区，设备运用受环境影响较大。列尾装置是否能够满足重载列车的使用需求，須进行大量的试验、分析、总结。

2.感应通信在国内外的应用现状

2.1国外感应通信的应用

1925年南非开始研究地下感应通信后，美国、日本、西德等国根据本国情况也先后研究感应通信。五六十年代感应通信在铁路、城市交通、坑道、车间等移动体的通信中得到广泛应用。从系统上来看，国外感应通信方式需要单独架设1～2根波导线，成本较高，但是其设备的可靠性高、利用率高。

2.2国内感应通信的应用

我国大约在七八十年代才开始感应通信的研究，主要在铁路上使用。宝成线电气化铁路开通后，由于山体的阻隔和隧道的障碍，无线列调在山区电气化铁路不能及时顺利的推广应用，如果采用漏泄电缆、互控电台等会增加区间设备施工难度、造价、维修难度。我国先后在宝成线、陇海线、襄渝线、贵昆线、鹰厦线、大准线等对感应通信进行了运用，取得了很好的使用效果。我国铁路感应通信方式具有投资少、施工快、维修方便，符合我国国情。

3.列车尾部安全防护装置

列尾装置全称为列车尾部安全防护装置，是重要的铁路行车设备。

3.1普通列车尾部安全防护装置

1）普通列车尾部安全防护装置的构成。（1）列尾装置司机控制盒。包含列列尾装置车载电台、输号器、司机控制盒检测仪、司机控制盒数据转存仪。（2）列尾装置尾部主机。包含检测台、中继器、确认仪、电池充电器、主机电池、简易场强仪、列尾数据读取仪等。（3）数据处理系统，包含计算机和数据下载及处理软件。

2）列车尾部安全防护装置工作原理。列尾装置主机主要由高集成微控制器系统、调制解调器、运用数据记录、电磁阀、电台、压力传感器、电池、风管等部件组成。列尾装置主机安装于列车尾部提钩杆或车钩上，与尾部制动软管相连接。列尾装置主机主要用于实时监测列列车尾部的风压、实现列车尾部排风制动等功能。司机通过控制司机控制盒，可以实现机车与列车尾部通过无线数据传输的方式传递信令，该信令通过机车电台发送出去，列尾装置主机收到司机控制盒的信令后，其响应信息以同样的方式传送到司机控制盒，司机根据司机控制盒的语音信息了解列车尾部的风压情况做出相应的判断和处理。

3.2可控列车尾部安全防护装置

1）可控列车尾部安全防护装置的构成。可控列车尾部安全防护装置由司机控制盒和列尾主机及通信模块组成（国铁采用GSM-R系统、朔黄铁路采用LTE-R系统）。GSM-R/LTE-R都具有无线列车调度、机车同步操控、列尾通信等特点。

2）可控列尾装置的工作原理。司机操纵制动装置对列车进行制动减速时，可控列车尾部安全防护装置根据来自机车的列车减压量的信息，由司机控制盒生成控制指令，通过GSM-R/LTE-R网络控制列尾主机在对列车尾部管路同步减压。

4.大准铁路列尾装置

4.1列尾装置技术指标

列尾装置技术指标如下：

1）静态电流范围：>0.05A；

2）450MHz传输电流范围：>1.OA；

3）400KHz传输电流范围：>2.OA；

4）排风电流范围：>0.8A；

5）风压反馈精度：≤±10kPa；

6）排风状态检查：电磁阀启闭正常，排风管路通畅，时间60s/次；

7）电池工作电压：≥7.5v；

8）电池欠压报警：≤7.3V；

9）排风时间：大约55s；

10）通信距离：2000m；

11）闪光标志灯夜间有效视距：>1000m；

12）调制方式：采用737型调制解调器，FFSK调制，传输速率1200bit/s，特征频率为1200Hz、1800Hz。

4.2存在问题

早期购入的400kHz感应式单信道列尾装置，尾部只返回模拟语音，通过无线列调机车电台的扬声器播放出话音，在列尾司机发码盒上没有数码显示，无线信道信噪比低于数据信号的要求，难以完全满足开行重载万吨列车的要求。

早期购入的列尾装置存在的主要问题如下：1）记录功能不足。不具备黑匣子数据记录功能，导致不能将列车实际运行时查风、排风、机车确认等操作进行记录；2）掉电消耗。存在瞬间掉电、消号的现象；3）同频干扰。尾部返回司机控制盒的模拟语音，与车机联控存在同频干扰现象。

4.3需具备的功能

1）双向数传无盲区。为了削弱无限列调的影响，同时缩短占用信道时间，需要采用双向数传列尾。全线可通率必须大于“小三角”通信的95%，诸如隧道、大坡道等关键部位不允许出现盲区。

2）记录功能。

3）两种提示。列尾司机控制盒要具备语音提示和数字显示功能。

4）主机断电保护。主机需具备断电保护功能，保证在瞬间斷电时不立即消除司机控制盒和列尾主机的“一对一”关系。

5.关键技术

大准铁路沿线地形复杂，山区、隧道、桥梁较多，无线通信面临巨大挑战，为满足生产运输需求，无线信号的传输方式及设备选型尤为重要。经过大量资料查询和实地调研可知：我国列尾信息借助无线列调信道传输。目前采用的传输手段：直接传输方式、区间中继方式、中继列尾方式、双信道方式、数据转发方式等。

上述几种方式除双信道方式外，其他方式都属高频单信道传输，建设成本比较高，对于列尾中继系统存在很强的依赖性。就大秦线运营情况而言，中继列尾方式并没有很好地改变万吨重载列车信道弱场区的现状。经前期的调研与分析，450MHz+400kHz双信道传输方式集中了两种信道各自的优点，能有效克服无线信号弱场问题，保证列车机车和尾部信息传输的实时性、可靠性。

5.1400kHz感应通信

1）感应通信原理。无线通信中，无线电台产生一个受低频（或数据等）调制的高频信号，通过天线辐射，传播至远方。天线作为换能器，将电能转换成电磁波，以波的形式辐射到空间，电磁波在空间传播至接收地点，被该地点的无线电台天线接收，经电台处理恢复成低频信号。

有线载波通信中，载波机产生一个受低频调制的高频信号，通过线路滤波器，直接耦合到传输线上，以电流的形式传播到下一个载波机，线路滤波器到接收端经过处理，恢复成低频信号。

自1876年贝尔发明电话以来，“电话”越来越深入到每个人的日常工作和生活中，载波机在有限的线路上扩大了用户的范围。有线载波通信的缺点是不能灵活机动的使用。

感应通信中，通过感应电台发射的经低频信号调制的高频信号，在波导线上产生一个感应电动势，通过感应电台接收及电台处理后，恢复成低频信号。感应电台是通过天线和波导线之间的间接耦合进行收、发信号的，感应通信的传播过程可以概括为电磁场到线路再到电磁场。波导线即是传输线，同时又是天线，这是与纯粹无线通信和有线载波通信的区别。

从感应通信的传播过程可以看出，它具有无线通信与有线通信的双重特性，通过选择适当的频率和耦合空间，减小耦合衰耗和传输衰耗，借助于波导线的引导传输，能够很好地解决隧道、山区等弱电场现象。

2）应用导引辐射方式。无线电波在受限空间内传播时因受隧道壁吸收和反射、山体的阻挡等影响，电波传播的损耗大，形成许多弱场区，通信距离受到一定的限制。目前国内外解决限定空间内增加通信距离的办法是应用导引辐射方式。

第一种称为450MHz漏泄电缆方式。漏泄电缆是一种在同轴电缆外导体上按一定的节距开槽以泄漏电磁波的同轴电缆，它具有优良的导引辐射性能，在弱电场地区，架设天线、漏泄电缆和中继器，基地台发送的高频信号，经设置在隧道口的天线接收，通过双向中继器放大，由漏泄电缆导引辐射，向移动的机车台传输信号。此方式的优点是采用450MHz频率，信道多、干扰小、通信质量高。缺点是耦合衰耗大，因此需要中继放大，造价昂贵，维修困难，区间设备易遭人为或自然的破坏。

第二种是采用450MHz频率的高频电台互控制式。它在隧道和其他弱场区架设若干中继电台和天线，通过电缆相连，用远供电源和信息传递实现无线列调的信号传输。其特点是可以解决弱场区问题，造价较漏泄电缆制式便宜，缺点和漏泄电缆方式一样。由于漏泄电缆和电台互控制式能实现多信道、高质量传输，解决了移动中的机车台与车站台间的通信，使用最为广泛。

第三种是感应通信方式。它用敷设波导线传输信号，通过电磁感应原理在波导线周围形成电磁场，实现了固定台和移动台之间、移动台与移动台之间的通信，此种方法称之为感应通信方式。缺点是频率较低，干扰大，天线不易小型化。

3）400kHz感应通信缺点。接触网作为波导线时，400kHz感应通信存在以下问题。（1）频率低，易干扰。（2）存在同频干扰。（3）没有接触网的股道易形成盲区。（4）频率低、波长较长，有时一个波长不能正好落到接收天线上，可能会发生近距离通信效果差，远距离通信反而效果好。（5）股道多的车站由于接触网的分流作用，距离天线远的股道上信号较弱。（6）传输距离短。（7）传输数字信号能力差。

5.2 45OMHz信道传输

1）450MHz信道传输的优点：电磁波通过辐射，可以去除450MHz高频信号，解出低频信号。抗干扰能力强。传输数字信号的能力较强。2）450MHz信道传输的缺点。在山区、隧道内的信号衰减较大。

5.3 2002型列尾装置

2002型列尾主机由主控板、闪光板、电磁阀、传感器、400kHz电台、450MHz电台、450MHz天线、400kHz天线、风管及接头、钩头锁、电池等几部分构成，各部分之间是通过机壳、支架、电源接触板及排线等方式进行机械与电气上的连接，主控板是主机的核心部分。

5.4 XTF-H列尾主机

XTF-H列尾主机列尾主机具有450MHz+400k双信道传输功能，能够有效解决山区铁路线路高频无线信号传输弱场的问题。

1）xTF-H列尾主机特点。XTF-H列尾主机具有以下特点：嵌入式微处理器控制，可靠性高，灵活性强，软件升级方便；留有数据下载接口，内部有备用电源，数据不丢失；红色高亮度数码管显示，夜间查看不影响；使用特殊材料制作外壳，结实耐用，有效减轻主机重量；使用大容量锂电池供电，使工作时间更长，整机重量更轻；尾构与构提杆两种安装方式，用户可自由选择。

2）xTF-H列尾主机结构。XTF-H列尾主机由400M电台（400M手持机及外接400M全向天线）、400K感应电台（型号+外接环形天线）、列尾主机控制板、电磁阀、传感器、橡胶风管、电池（7.4v智能锂电）等组成。列尾主机控制板是XTF-H列尾主机主要控制单元，完成FSK数据的编解码、控制调制解调器、控制闪光板状态、控制電磁阀动作、实时采集尾部风压、实时采集电池电压、发送报警信息、控制电台扫频等操作。

3）XTF-H列尾主机优点。（1）具备开机电压或电池容量检测功能。（2）具有静态电流检测功能。（3）450M电台传输电流检测。（4）400k电台传输电流检测（无400k电台的列尾主机不进行此项检测）。（5）排风电流检测。（6）风压传感器检测。

6.列尾装置系统测试

6.1列尾装置测试

列尾装置型式试验应进行低温、高温、交变湿热、自由跌落、振动和水试验。这些基础的测试在列尾装置出厂之前已经进行。因此本文对列尾装置的测试主要侧重于功能测试，具体分为4个方面：可通率、“黑匣子”数据的主要功能、主机停电保护功能及库内检测。

1）测试要求。列尾装置的测试应满足《列车尾部安全防护装置及附属设备》（TB/T2973-2006），《列车尾部安全防护装置管理、使用及维修办法》（铁运[2000]60号）、《关于使用新型列尾主机检测台的通知》（运调技术[2004]645号）、《列车尾部安全防护装置主机检测台》（JJG（铁道）190-2005）等有关标准法规的要求。具体测试技术指标及参数要求如下：

静态电流：≤0.2A；

传输电流范围：1.0A～1.8A：双信道列尾主机，电流≤4A；

排风电流范围：0.8～3.0A；

风压检查：400kPa、500kPa（500kPa定压）/500kPa、600kPa（600kPa定压）；

电池欠压报警：6.5V±0.1V；

漏泄报警门限：漏泄报警门限设为460kPa±10kPa（500kPa定压）/560kPa±10kPa（600kPa定压）。

2）静态测试。试验条件：列车长度约1550m左右。静态试验中发现以下问题：（1）相互抢占信道、干扰较大。主要是尾部装置至机车电台部分，由于传送的是模拟信号，占用信道时间较长，一般为5s左右，将其改为数字信号后，占用信道时间将缩短一半左右，大准线车流量较国铁复线少，这样的改动之后基本能满足生产需求；（2）单400K信道可通率低，约在80%以下，主要是由尾部400kHz电台天线感应到接触网上的信号弱引起的场强不够。为解决以上问题，经反复论证计算，大量试验和现场测量，确定采用具有一定面积的小环天线，能满足XTF400感应式列车尾部安全防护装置的通话指标和通话距离1200m的要求。

6.2动态测试

按照万吨站进出站和站内、隧道及弯道等重点区段进行动态试验。

1）一次试验。首次试验的列尾设备名称及型号为西科所二合一列尾，机车型号及机车号为SS480101。试验共查询了34次，列尾主机回示23次，可通率67.65%，结果并不理想。

2）二次试验。二次试验的列尾设备名称及型号为西科所二合一列尾，机车型号及机车号为SS480102。第二次试验共查询61次，返回59次，可通率达96.72%。

3）试验总结。经过8次添乘试验，进一步检验了信息的可通率和设备的稳定性。重点对400kHz信道进行试验，可通率达95%以上。

7.结论与展望

本文在简要概括了列尾装置目前的应用现状、列尾装置的工作原理以及系统构成的基础上，基于列尾装置在重载铁路方面的应用，以大准铁路的运用现状为着入点，大准铁路作为我国西煤东运的重要通道，其运输的安全性、运输能力成为日益关注的焦点。

本文主要结论：

1）通过大准铁路列尾安全装置的运用，分析了其存在的具体问题。

2）鉴于大准铁路列尾在运输安全、稳定方面的问题，经过与国内相关列尾装置厂家进行咨询，最终选定双信道双向数传列尾装置。

3）对双信道双向数传列尾装置进行测试，通过试验发现存在的问题并给出解决措施。随着新技术的采用与科学技术的不断发展，将来的列尾装置将是向着体积小、重量轻、操作简便、功能更齐全、稳定性和可靠性高等方向发展，为重载万吨列车的正常开行提供更有效、更安全保证，发挥着更重要的做用。

通过产品测试，可以对列尾装置的性能进行考察，保证实际投入使用的装置能够稳定工作。列尾装置的稳定性，与电池的选型、天线的安装和调试、机壳材质的选择等都有着密切关系。在某种型号的列尾装置正式投入使用之前，还需要在小范围内进行试用，进一步保证装置工作的稳定性。本文的研究从性能测试这一角度来进行，主要考察了装置的可通率，并没有对上述问题进行测试，在以后的研究中，还需要从多方面对列尾装置进行检测，以保证其工作稳定性。