CTCS-2級車載ATP設(shè)備應(yīng)用于普速列車機車的關(guān)鍵技術(shù)研究

高建強

目前，在我國CTCS-2級客運專線中運營的動車組，均安裝有滿足歐洲SIL4級安全完整性要求的車載ATP設(shè)備，有效地保證了動車組安全高效地運行。但目前廣泛使用的普速客、貨牽引機車由于沒有裝備ATP設(shè)備，其監(jiān)控列車運行的安全防護(hù)等級低于CTCS-2級列控系統(tǒng)。為保證行車安全，在200～250 km/h客、貨共線鐵路上，目前只能采用普速客、貨列車與動車組分時段運行的行車組織方式。若能在普速客、貨機車上也安裝ATP設(shè)備，將極大地提高鐵路的運輸能力和行車組織的靈活性。

根據(jù)機車的特點，探討應(yīng)用于機車的ATP設(shè)備安全結(jié)構(gòu)，并論述牽引計算、長大下坡道制動控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1 ATP設(shè)備安全結(jié)構(gòu)

ATP設(shè)備屬于安全設(shè)備，為到達(dá)其安全性、可靠性、可用性和可維護(hù)性的要求，均采用冗余結(jié)構(gòu)，且大多采用二乘二取二的結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)層是2個互相校核的單元模塊組成一系，只有該系的2個單元模塊都工作正常，且相互比較一致時才能正常輸出，即進(jìn)行二取二安全比較，相當(dāng)于是邏輯“與”的關(guān)系。外層采用相同的兩系構(gòu)成互為備用的結(jié)構(gòu)，即實現(xiàn)二乘二冗余，相當(dāng)于邏輯“或”的關(guān)系。當(dāng)檢測到某系故障時，自動將其隔離，單系工作仍可以保證列車?yán)^續(xù)正常運行。

ATP車載設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)如圖1所示，每一系VC都有2個CPU，進(jìn)行安全比較。VC1、VC2的緊急制動和常用制動命令通過邏輯安全接口(LSI)轉(zhuǎn)換成安全的動態(tài)脈沖信號輸出。VC單元正常工作時，輸出動態(tài)脈沖信號;當(dāng)VC單元出現(xiàn)任何故障或整個系統(tǒng)的電源出現(xiàn)故障時，動態(tài)脈沖信號停止輸出，保障了制動接口的安全性。

圖1 車載ATP設(shè)備安全冗余結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

車載ATP設(shè)備的安全冗余結(jié)構(gòu)是保障行車安全的重要技術(shù)措施，機車牽引列車的控車方式和數(shù)學(xué)模型與動車組差別較大，其牽引計算和長大下坡道制動控制是保證行車安全的關(guān)鍵控制技術(shù)。

2.1 牽引計算模型

車載ATP設(shè)備根據(jù)不同速度、不同坡度下的制動距離計算控車模式曲線，因此，列車的制動距離是ATP計算模式曲線的關(guān)鍵參數(shù)。動車組是根據(jù)動車組減速度特性曲線，而普速機車牽引列車的制動距離則與牽引的車輛類型和數(shù)量有關(guān)。

根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》規(guī)定，列車制動距離計算公式為:

其中:Sk為空走時間，Se為有效制動距離，《牽規(guī)》中定義了從初速度v1制動到速度v2的制動距離的計算公式。

其中，φh換算摩擦系數(shù)，?h列車換算制動率，βc常用制動換算系數(shù)，ωc列車單位基本阻力，ij制動地段的加算坡度千分?jǐn)?shù)。

對于參數(shù)φh，ωc和ij，《牽規(guī)》中都已做了明確的規(guī)定，這里僅討論列車換算制動率的取值。

比較保守的做法是把現(xiàn)階段正常運用狀態(tài)的列車能夠達(dá)到的列車換算制動率最低值作為?h通用值，例如使用高摩合成閘瓦的列車換算制動率為0.18。該參數(shù)是根據(jù)下列假設(shè)條件計算而得:①使用高摩閘瓦、標(biāo)記載重61 t及其以上的貨車，每輛車總重按83 t計算;②當(dāng)列車管壓力位500 kPa時，重車位每輛車的換算閘瓦壓力為160 kN;③考慮6%的“關(guān)門車”。

則列車換算制動率為:

雖然該參數(shù)能夠確保列車運營組織的安全性，但對于制動性能較好的列車來說，卻犧牲了運行效率。由于公式(3)中160 kN為《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中規(guī)定的最不利情況下的換算閘瓦壓力，對于制動性能好的列車，實際的換算閘瓦壓力要大于160 kN，因此實際的列車換算制動率要大于0.18，實際有效制動距離要比根據(jù)公式(2)計算的短。同時，公式(3)沒有考慮機車的制動力，以及每輛車的實際總重。

為了在保證列車行車安全的前提下，最大限度地接近列車的實際制動性能，ATP車載設(shè)備根據(jù)《牽規(guī)》中列車換算制動率的計算公式，考慮6%的關(guān)門車，采用以下公式:

其中，KG為機車換算閘瓦壓力，Σ KP為車輛總換算閘瓦壓力，G為機車重量，Σ P為車輛總重，9.81為重力加速度。

例如，采用高摩合成閘瓦、SS4機車、牽引標(biāo)重50 t及其以上貨車，重車位的每輛車換算閘瓦壓力為250 kN，每輛車總重按83 t計算、牽引40輛，并考慮6%的“關(guān)門車”、坡度為0，列車換算制動率分別采用公式 (3)計算的通用值和公式 (4)計算的改進(jìn)值，計算出從不同速度下制動停車的有效制動距離如表1所示。

表1 列車換算制動率通用值和改進(jìn)值下有效制動距離對比

從表1可以看出，采用改進(jìn)后的列車換算制動率后，能夠使制動距離更加貼近列車實際的制動性能，從而對于提升列車的運輸效率，更加合理安排列車運行圖提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 長大下坡道控制模型

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中規(guī)定長大下坡道為下列情況之一:①線路坡度超過6‰，長度為8 km及以上;②線路坡度超過12‰，長度為5km及以上;③線路坡度超過20‰，長度在2 km及以上。

機車牽引列車在長大下坡道上運行時，為了保證運行速度不超過規(guī)定速度，車載設(shè)備需要使用空氣制動進(jìn)行周期性的調(diào)速，即制動、緩解、再制動、再緩解……，直到駛出長大下坡道。周期制動時，在每次制動前，車輛制動機的副風(fēng)缸空氣壓力應(yīng)當(dāng)恢復(fù)到規(guī)定壓力 (可以比列車管定壓低20 kPa)，恢復(fù)到規(guī)定壓力的時間稱為充風(fēng)時間tc，充風(fēng)時間與牽引輛數(shù)和減壓量有關(guān)。列車管定壓500 kPa的貨物列車輸出120 kPa減壓量的副風(fēng)缸充風(fēng)時間tc如表2所示。

列車緩解后到再制動的時間稱為增速時間tz，這段時間應(yīng)滿足充風(fēng)時間的要求。

長大下坡道下緩解速度中增速時間與充風(fēng)時間的關(guān)系如圖2所示。

表2 牽引不同輛數(shù)下副風(fēng)缸充風(fēng)時間

圖2 長大下坡道下緩解速度中增速時間與充風(fēng)時間的關(guān)系

重力加速度g所產(chǎn)生的加速力為其自身的重力，即單位加速力為1kN/kN。若列車上有1N/kN的單位合力，則加速度為g/1000。當(dāng)單位合力為c N/kN時，加速度為

當(dāng)列車具有回轉(zhuǎn)質(zhì)量時，不僅平移加速度需要消耗加速力，而且與平移加速度成正比的回轉(zhuǎn)加速度也需要消耗加速力。在同樣的單位合力作用下，列車的實際平移運動加速度a實必然小于a'。令:

其中，γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)列車類別為旅客列車或重貨物列車時，列車的回轉(zhuǎn)系數(shù)一般按0.06計算，則列車的實際平移加速度為:

列車在長大下坡道上運行時，只有坡道阻力和基本阻力，因此列車在長大下坡道上運行時的合力為ωc+ij，列車的實際平移加速度為:

列車單位基本阻力ωc為滾動軸承貨物列車的基本阻力，為簡化計算，按平均單位基本阻力為1.3計算。

當(dāng)ATP接收到含【ETCS-21】包 (線路坡度包)的應(yīng)答器信息后，根據(jù)該坡度信息，判斷列車處于長大下坡道區(qū)段時，首先命令列車切除牽引、施加制動之后，ATP以當(dāng)前列車速度為基準(zhǔn)速度，不斷根據(jù)長大下坡道時的實際平移加速度a實計算充風(fēng)時間tc后的速度v1，當(dāng)v1小于等于最大常用制動曲線時的列車速度即為緩解速度，如圖3所示。此時，車載ATP可以緩解制動，使車輛制動機的副風(fēng)缸充風(fēng)恢復(fù)到規(guī)定壓力，以便進(jìn)行再一次制動，在ATP緩解制動期間，保證列車速度不超過ATP制動曲線。

圖3 ATP列控車載設(shè)備計算緩解速度方法

車載ATP設(shè)備只有在完全監(jiān)控模式下能夠獲得前方線路坡度信息時，才能進(jìn)行長大下坡道制動控制，而在部分監(jiān)控模式下，由于無法獲得前方坡度信息，因此，不能進(jìn)行長大下坡道制動控制，此時，應(yīng)由司機保證長大下坡道的行車安全。

通過使用在長大下坡道上車載ATP自動控制技術(shù)，減輕了司機操作壓力，提高了長大下坡道的安全性。

3 結(jié)論

隨著我國200～250 km/h客運專線和客、貨共線鐵路的建設(shè)與開通，CTCS-2級列控系統(tǒng)在整個鐵路運輸網(wǎng)中發(fā)揮著越來越大的作用。

在機車上安裝列控車載設(shè)備，可充分利用CTCS-2級列控系統(tǒng)地面設(shè)備，極大地提高普速列車運行的安全防護(hù)等級，實現(xiàn)與動車組混合運行，使我國鐵路的運輸安全和運輸效率再上新臺階，同時也有利于我國鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實施。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.鐵路技術(shù)管理規(guī)程［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］ TB/T 1407－1998.列車牽引計算規(guī)程.中華人民共和國鐵道部.

［3］ 孫中央.列車牽引計算實用教程［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責(zé)任編輯:溫志紅)