浅析CR400BF平台动车组超员报警原理及超员防控措施

杨四海

(中国铁路上海局集团有限公司 上海动车段，上海 201803)

随着高速铁路的快速发展，CR400BF平台动车组担负着京沪高速、沪昆高速等重要干线的旅客运输任务，使得保障动车组运行安全及旅客乘坐舒适的任务变得愈加艰巨，因此减少动车组超员报警造成的影响也就具有了重要意义。本文将对CR400BF平台动车组超员报警原理及其参数设定依据进行探究，并结合实际案例提出相应防控措施，以降低CR400BF平台动车组超员报警对运营秩序造成的不良影响，确保行车安全。

1 CR400BF平台动车组超员报警原理简介

1.1 超员报警的控制原理

CR400BF平台动车组在列车速度为0时(采集CCU的速度值)，通过制动控制单元检测转向架空气弹簧压力，并根据空气弹簧压力与车重的载荷特性关系，将压力换算为车重后传输至列车网络控制系统。列车网络控制系统将接收到的车重数值与超员报警值进行比较，当某辆车采集数值≥单车超员报警值时，延时5 s报单车超员报警；当采集数值之和≥列车超员报警值时，延时5 s报列车超员报警；当单车或整车采集值<报警值时，故障立即消除。

1.2 空气弹簧压力与车重载荷特性关系

车辆质量等于簧上质量(Ms)与簧下质量(M0)之和。簧上质量根据空气弹簧压力载荷特性计算公式进行计算，簧下质量为常数。车辆质量计算公式为：

M=Ms+M0=88.563T-2 619.1+M0

(1)

T=(T1+T2)/2

(2)

式中：T1——1位转向架空气弹簧压力，kPa；

T2——2位转向架空气弹簧压力，kPa；

T——空气弹簧压力平均值；

Ms——簧上质量，kg；

M0——簧下质量，其中，变压器车簧下质量M0=13 508 kg(不同转向架簧下质量不同)；

M——车辆质量，kg。

根据式(1)导出空气弹簧压力与车辆质量的计算公式为：

T=4.604 1×((M-M0)×9.81×0.001× 0.25)+29.543 7

(2)

1.3 超员报警值设定依据

CR400BF平台动车组将超员状态分为超员预警和超员报警2级，各车厢的超员预警值按本车超员20%(定员的20%)后的车重+检测误差1.25 t(考虑空气弹簧检查误差、车辆积灰等因素)设置，接近或超过最大轴重限制值66.75 t(轴重68 t-检测误差1.25 t)的车辆仅设超员报警。各车超员报警值按最大轴重限制值作为设置依据，接近或超过最大轴重限制值66.75 t的车辆按66.75 t设置，其余各车按66.25 t设置，整列车超员预警值和超员报警值为各单车超员预警值和超员报警值之和。

1.4 超员报警处置措施

CR400BF平台动车组发生超员报警时，列车HMI屏将报出单车超员报警(代码：500C)或列车超员报警(代码：500D)，并伴随声光报警提示，同时在报警车厢内广播和显示超员信息。客运乘务员组织疏散旅客人群，并上报相关信息，提示后续车站在售票和旅客乘降方面采取相应措施，待超员报警解除后方可行车。

2 超员报警案例分析

2.1 超员报警情况统计

2021年春运期间(1月28日—3月8日)，中国铁路上海局集团有限公司配属的CR400BF平台动车组共发生超员报警40起。按车型分类：CR400BF型动车组11件、CR400BF-A型动车组24件、CR400BF-B型动车组5件。对发生超员报警的车组进行分析，发现CR400BF-A-5066动车组发生超员报警次数最多(7次)，其次，CR400BF-A-3027和CR400BF-A-3095动车组均发生超员报警3次。对超员报警车厢进行分析，发现报警主要集中在03、06、11、14号车厢，上述车厢为主变压器及车顶高压受流设备所在车厢。

2.2 超员报警原因分析

本文以多次发生超员报警的CR400BF-A-5066动车组为例，针对2021年2月21日该车担当G592次交路于麻城北站触发超员报警的情况，从多个维度进行综合分析。

2.2.1 车载数据分析

下载解析CR400BF-A-5066动车组MVB数据，数据显示故障发生时刻报警车厢测算车重均超过设定的报警值，但报警车厢内实际超载旅客人数均未达到车厢设定的可超员人数，如表1所示。

表1 CR400BF-A-5066动车组MVB数据

2.2.2 转向架空气弹簧特性分析

(1) CR400BF平台动车组采用低横向刚度结构的转向架空气弹簧，属于转向架二系悬挂装置，用于改善乘客乘坐舒适性，提升列车通过曲线性能，可缓和车体的垂向和横向振动。转向架枕梁内部作为空气弹簧的附加空气室，空气弹簧的上部通风口与附加空气室相连，枕梁进风口与车体的供风管路连接。当空气弹簧内气压不足时，胶囊下部的叠层橡胶堆可起到一定的垂直减振作用，保证车辆安全行驶(需要限速)。

(2) CR400BF平台动车组空车和定员载荷对应的空气弹簧压力范围为450～650 kPa，空气弹簧载荷偏差为±5%(符合TB/T 2841—2005《铁道车辆空气弹簧》标准规定)。

CR400BF平台动车组装配的转向架空气弹簧为2家供应商(A和B)的产品，为进一步验证不同供应商空气弹簧载荷特性情况及产品差异，对2家供应商的空气弹簧分别取样进行检测分析，具体情况如下：

(1) 实测100套A供应商生产的空气弹簧压力载荷，空气弹簧压力为600 kPa时，最大载荷偏差为(+1.45%，-3.72%)，均符合空气弹簧载荷内压±5%的公差要求。

(2) 实测100套B供应商生产的空气弹簧压力载荷，空气弹簧压力为600 kPa时，最大载荷偏差为(+2.15%，-4.40%)，均符合空气弹簧载荷内压±5%的公差要求。

通过取样测试可知，供应商A和B生产的空气弹簧压力载荷性能均符合±5%的公差要求，但B供应商生产的空气弹簧压力载荷性能离散程度较大。

以超员报警高发的主变压器所在车厢为例(CR400BF动车组03、06车及CR400BF-A/B动车组03、06、11、14车)，当前超员报警值设置为66.75 t，反算簧上质量为53.242 t，据此计算空气弹簧载荷偏差对车重造成的影响如表2所示。

表2 空气弹簧载荷偏差对车重的影响

根据表2中空气弹簧载荷偏差对车重的影响规律可知，当空气弹簧载荷产生正偏差时，将会引起车辆换算的车重增大，鉴于车厢超员报警设定值是不变的，则相当于变相减少了车厢的承载能力。例如03车定员载荷时车重为66.01 t，当该车厢空气弹簧压力正偏差超过+2%时，车辆换算后的车重达到67.075 t(超员报警值为66.75 t)，将造成定员载荷下触发超员报警的情况。

2.2.3 空气弹簧压力传感器测量偏差分析

(1) CR400BF平台动车组采用硅压阻式压力传感器采集空气弹簧压力，压力传感器输出电流信号(4～20 mA)至制动控制单元后转化为压力信号，用于换算车重。

(2) 空气弹簧压力传感器精度为1.5‰(满量程为1 000 kPa)，即空气弹簧压力采集最大偏差为±15 kPa。按定员载荷时空气弹簧压力为622 kPa计算，空气弹簧压力传感器测量偏差对车重造成的影响如表3所示。

表3 空气弹簧压力传感器测量偏差对车重的影响

(3) 使用压力表检测CR400BF-A-5066动车组空气弹簧实际压力值，并与制动控制单元监测值进行比对，其实际压力值与软件监测值基本一致，说明该车空气弹簧压力传感器检测精度准确，不存在明显的检测偏差。

2.2.4 车厢配重试验情况分析

选取CR400BF-A-5066动车组06车，对车厢内旅客分布不同时的载荷(无行李)变化情况进行模拟试验，并对相关试验数据进行分析，如表4所示。

表4 CR400BF-A-5066动车组06车配重试验数据

从表4中可以看出：

(1) 06车在90人(定员)按席就坐后，车辆检测车重为66 t，距超员报警值仅剩余0.75 t余量，按人均质量80 kg(包括行李质量)换算，约为9人，说明该车厢允许的超员余量较小。

(2) 06车在90人不按席就坐，而分散于两侧车端时，车辆检测车重为65.29 t，说明旅客的不同分布或大件行李(大件行李箱位于车端处)的堆积不会对车重的检测产生影响。检测车重较旅客按席就坐时降低了0.17 t，其原因为人员站立在车端处时，相邻车厢(05、07车)的空气弹簧匀载了06车的部分重量(可从05、07车车重的上升加以佐证)。反之，若相邻车厢车端处存在旅客聚集时，同样可能导致06车的检测车重增大。

(3) 06车人员在车厢内分布不同时，车辆检测的空气弹簧压力变化较大，说明压力传感器检测无延时现象，即当超员旅客疏散后，检测车重小于报警值时故障可立即消除。

2.3 分析结论

根据CR400BF-A-5066动车组车载数据及车厢内实际统计人数可知，车组发生超员报警时，车厢内确实存在超员情况，但均未达到车厢设定的可超员人数，且03、06、11、14车超员人数较少。综合超员报警原理、相关部件特性分析及车厢配重试验结果，判断CR400BF平台动车组发生超员报警的因素如下：

(1) 因实际超员人数超过车辆设定的允许超员人数，导致车辆检测车重超出设定超员报警值。其中，CR400BF平台动车组03、06、11、14车因装配有主变压器及车顶高压受流设备，车厢整备质量较大，在定员载荷时已接近报警值，故超员载荷余量较小，易触发超员报警。

(2) 超员人数未达到车辆设定的可超员人数或定员载荷情况下触发超员报警，分析有三方面原因：第一，报警车厢的空气弹簧载荷正偏差较大，车辆检测车重大于实际车重，使得车厢可允许的超员载荷余量减少；第二，当前计算车厢承载量时，人均质量按照80 kg(加行李)考虑，但通过车厢配重试验结果可知，90人(定员)未附加行李的情况下，检测车重已达到车厢定员载荷值，因此，用人均质量计算不符合实际情况；第三，根据车厢配重试验结果，当旅客集中于车厢端部时，将影响相邻车厢的车重检测值，若相邻车厢的检测车重已接近超员报警值，则可能导致其触发超员报警，同时也印证了车辆到站旅客集中至车端车门处进行乘降时，易发生车厢超员报警的缘由。

3 超员报警防控措施

3.1 加强空气弹簧载荷偏差控制

针对后续新造和高级修的CR400BF平台动车组，在空气弹簧装车前进行内载荷测试以及测试值标记，以确保整备质量较大的车厢选配载荷正偏差小于+2%的空气弹簧，减少因空气弹簧载荷正偏差大造成的车厢载客能力下降，从而避免引起超员误报警。

3.2 优化超员疏散方案

目前CR400BF平台动车组发生超员报警时，无法有序、高效地对无座旅客进行疏散，从而无法及时解除超员报警对行车的影响。通过上述分析，根据各车厢实际的超员载荷能力，对车组超员报警时旅客疏散方案优化如下：

(1) 由于变压器车厢整备质量较大，原则上疏散旅客时应避免疏散至变压器车厢。

(2) 变压器车厢发生超员报警时，03车优先向02车分流，06车优先向05车分流，11车向相邻车厢分流，14车优先向15车分流。

(3) 由于CR400BF-A/B动车组08、09、16车车厢整备质量较小且定员人数少，超员载荷能力较大，车当列车整体超员情况较严重时，建议将旅客疏散至上述3节车厢内，同时提前与前方办客站联系，建议在前方办客站上车的无座旅客集中在08、09、16车上车，以减少单节车厢超员报警的可能性。

(4) 疏散旅客时应尽量避免人群集中至车厢端部，建议向车厢中部疏散，以减少对相邻车厢载重的影响。同时建议车组到站进行旅客乘降时，同一车厢可采取一端上客一端下客的措施，以减少车厢端部旅客集中造成的影响。

3.3 优化超员报警阈值

经过对车辆空气弹簧载荷性能的进一步研究分析，在确保安全可靠的前提下，将原设定的1.25 t车重检测误差值调整至0.25 t，同时车厢最大轴重限制值也相应调整为67.75 t(轴重68 t-检测误差0.25 t)，并根据原有超员报警设置依据，通过在列车网络控制系统内上载软件补丁Buffer对超员报警阈值进行优化，各车厢超员承载能力提升了1 t(约12人)。目前已完成了对全部CR400BF平台动车组的升级优化，运用效果良好。CR400BF平台动车组优化后的超员报警阈值如表5所示。

表5 CR400BF平台动车组优化后的超员报警阈值

3.4 研究开发智能型空气弹簧

研究开发内置个体性能参数信息存储芯片的智能型空气弹簧。测试每个产品精准的内载荷关系及相关性能参数，并存储于空气弹簧内置芯片中，在列车制动控制系统检测空气弹簧压力进行车重换算时，同时读取个体空气弹簧内载荷关系参数，通过在车重换算环节修正空气弹簧压力参数值，消除空气弹簧内载荷偏差对换算车重带来的不良影响，确保计算的车重值精准可靠。

3.5 研究实现超员预判提示功能

研究在PHM系统中实现CR400BF平台动车组超员预判提示功能的可行性。摸索车组空气弹簧压力在车组静止及运行过程中的变化规律，评估通过空气弹簧压力变化预估车厢内旅客流量的精准度和可靠性。在空气弹簧压力值可作依据的前提下，计算车厢可承载余量，并结合现有调度应急指挥系统中“旅客列车实时密度表”内各站点上下客流量情况，估算列车运行至下个站点后车厢超员的可能性及超员人数，最终实现通过PHM系统提前发出相应提示信息，为客运部门和车站提前做好车厢内旅客有序疏散及为站台内旅客上车位置安排提供科学的合理化建议。

4 结束语

CR400BF平台动车组超员报警功能是一种检测动车组超载的成熟技术，但受空气弹簧载荷特性、车厢配重情况等因素的影响，造成动车组超员承载能力降低。本文对CR400BF平台动车组超员报警原理及超员报警案例及原因进行了分析，提出了较为合理的防控措施，可对CR400BF平台动车组超员报警问题提供可靠的参考，尽可能降低超员报警对运输秩序带来的影响，从而提高动车组的运行安全及服务质量。