神華大準鐵路列車尾部裝置運用中的相關問題分析

閆新盛

摘要：本文分析了神華大準鐵路列車防護裝置的應用及存在的問題，基于開行萬噸重載列車的需求，對該線列尾設備的使用狀況進行了說明，對關鍵技術400KHz感應通信、列車尾部裝置進行了分析，對動態(tài)試驗的過程和結果進行了分析說明。

關鍵詞：列尾裝置；感應通信；測試方案

中圖分類號：u2

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0052-03

1.研究背景

神華大準鐵路是我國西煤東運的重要通道之一，正線全長264km，準池鐵路正線全長182kin，是神華南北大通道大準、朔黃鐵路的聯(lián)絡線，巴準鐵路正線全長128km，是包神、大準鐵路的聯(lián)絡線，大準、準池、巴準使用的列尾制式相同。這三條線路現(xiàn)地形地貌復雜、彎道多、橋隧密集。大準鐵路在初期建設時無線通信使用400kHz感應通信制式，2000年開始使用單信道400kHz列尾裝置。

感應通信制式得無線通信設備列調及列尾裝置，為大準鐵路的安全生產起到了很好的保障作用。20世紀80年代以后，現(xiàn)代高新技術在鐵路上廣泛應用，使得列車的牽引重量也有很大提高。大準鐵路公司在對既有線進行擴能改造后，具備開行萬噸列車條件，標志著我國又一條重載鐵路的誕生。國外重載列車牽引重量一般為1萬～3萬噸，我國大秦線、朔黃線分別于2004、2012年開始開行2萬噸重載列車以提高運輸能力。

重載列車全長大約1500m左右，是一般列車的2倍長度，電力機車的牽引電流較大，導致干擾增大，無線通信存在一定的盲區(qū)，設備運用受環(huán)境影響較大。列尾裝置是否能夠滿足重載列車的使用需求，須進行大量的試驗、分析、總結。

2.感應通信在國內外的應用現(xiàn)狀

2.1國外感應通信的應用

1925年南非開始研究地下感應通信后，美國、日本、西德等國根據(jù)本國情況也先后研究感應通信。五六十年代感應通信在鐵路、城市交通、坑道、車間等移動體的通信中得到廣泛應用。從系統(tǒng)上來看，國外感應通信方式需要單獨架設1～2根波導線，成本較高，但是其設備的可靠性高、利用率高。

2.2國內感應通信的應用

我國大約在七八十年代才開始感應通信的研究，主要在鐵路上使用。寶成線電氣化鐵路開通后，由于山體的阻隔和隧道的障礙，無線列調在山區(qū)電氣化鐵路不能及時順利的推廣應用，如果采用漏泄電纜、互控電臺等會增加區(qū)間設備施工難度、造價、維修難度。我國先后在寶成線、隴海線、襄渝線、貴昆線、鷹廈線、大準線等對感應通信進行了運用，取得了很好的使用效果。我國鐵路感應通信方式具有投資少、施工快、維修方便，符合我國國情。

3.列車尾部安全防護裝置

列尾裝置全稱為列車尾部安全防護裝置，是重要的鐵路行車設備。

3.1普通列車尾部安全防護裝置

1）普通列車尾部安全防護裝置的構成。（1）列尾裝置司機控制盒。包含列列尾裝置車載電臺、輸號器、司機控制盒檢測儀、司機控制盒數(shù)據(jù)轉存儀。（2）列尾裝置尾部主機。包含檢測臺、中繼器、確認儀、電池充電器、主機電池、簡易場強儀、列尾數(shù)據(jù)讀取儀等。（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包含計算機和數(shù)據(jù)下載及處理軟件。

2）列車尾部安全防護裝置工作原理。列尾裝置主機主要由高集成微控制器系統(tǒng)、調制解調器、運用數(shù)據(jù)記錄、電磁閥、電臺、壓力傳感器、電池、風管等部件組成。列尾裝置主機安裝于列車尾部提鉤桿或車鉤上，與尾部制動軟管相連接。列尾裝置主機主要用于實時監(jiān)測列列車尾部的風壓、實現(xiàn)列車尾部排風制動等功能。司機通過控制司機控制盒，可以實現(xiàn)機車與列車尾部通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絺鬟f信令，該信令通過機車電臺發(fā)送出去，列尾裝置主機收到司機控制盒的信令后，其響應信息以同樣的方式傳送到司機控制盒，司機根據(jù)司機控制盒的語音信息了解列車尾部的風壓情況做出相應的判斷和處理。

3.2可控列車尾部安全防護裝置

1）可控列車尾部安全防護裝置的構成。可控列車尾部安全防護裝置由司機控制盒和列尾主機及通信模塊組成（國鐵采用GSM-R系統(tǒng)、朔黃鐵路采用LTE-R系統(tǒng)）。GSM-R/LTE-R都具有無線列車調度、機車同步操控、列尾通信等特點。

2）可控列尾裝置的工作原理。司機操縱制動裝置對列車進行制動減速時，可控列車尾部安全防護裝置根據(jù)來自機車的列車減壓量的信息，由司機控制盒生成控制指令，通過GSM-R/LTE-R網(wǎng)絡控制列尾主機在對列車尾部管路同步減壓。

4.大準鐵路列尾裝置

4.1列尾裝置技術指標

列尾裝置技術指標如下：

1）靜態(tài)電流范圍：>0.05A；

2）450MHz傳輸電流范圍：>1.OA；

3）400KHz傳輸電流范圍：>2.OA；

4）排風電流范圍：>0.8A；

5）風壓反饋精度：≤±10kPa；

6）排風狀態(tài)檢查：電磁閥啟閉正常，排風管路通暢，時間60s/次；

7）電池工作電壓：≥7.5v；

8）電池欠壓報警：≤7.3V；

9）排風時間：大約55s；

10）通信距離：2000m；

11）閃光標志燈夜間有效視距：>1000m；

12）調制方式：采用737型調制解調器，F(xiàn)FSK調制，傳輸速率1200bit/s，特征頻率為1200Hz、1800Hz。

4.2存在問題

早期購入的400kHz感應式單信道列尾裝置，尾部只返回模擬語音，通過無線列調機車電臺的揚聲器播放出話音，在列尾司機發(fā)碼盒上沒有數(shù)碼顯示，無線信道信噪比低于數(shù)據(jù)信號的要求，難以完全滿足開行重載萬噸列車的要求。

早期購入的列尾裝置存在的主要問題如下：1）記錄功能不足。不具備黑匣子數(shù)據(jù)記錄功能，導致不能將列車實際運行時查風、排風、機車確認等操作進行記錄；2）掉電消耗。存在瞬間掉電、消號的現(xiàn)象；3）同頻干擾。尾部返回司機控制盒的模擬語音，與車機聯(lián)控存在同頻干擾現(xiàn)象。

4.3需具備的功能

1）雙向數(shù)傳無盲區(qū)。為了削弱無限列調的影響，同時縮短占用信道時間，需要采用雙向數(shù)傳列尾。全線可通率必須大于“小三角”通信的95%，諸如隧道、大坡道等關鍵部位不允許出現(xiàn)盲區(qū)。

2）記錄功能。

3）兩種提示。列尾司機控制盒要具備語音提示和數(shù)字顯示功能。

4）主機斷電保護。主機需具備斷電保護功能，保證在瞬間斷電時不立即消除司機控制盒和列尾主機的“一對一”關系。

5.關鍵技術

大準鐵路沿線地形復雜，山區(qū)、隧道、橋梁較多，無線通信面臨巨大挑戰(zhàn)，為滿足生產運輸需求，無線信號的傳輸方式及設備選型尤為重要。經(jīng)過大量資料查詢和實地調研可知：我國列尾信息借助無線列調信道傳輸。目前采用的傳輸手段：直接傳輸方式、區(qū)間中繼方式、中繼列尾方式、雙信道方式、數(shù)據(jù)轉發(fā)方式等。

上述幾種方式除雙信道方式外，其他方式都屬高頻單信道傳輸，建設成本比較高，對于列尾中繼系統(tǒng)存在很強的依賴性。就大秦線運營情況而言，中繼列尾方式并沒有很好地改變萬噸重載列車信道弱場區(qū)的現(xiàn)狀。經(jīng)前期的調研與分析，450MHz+400kHz雙信道傳輸方式集中了兩種信道各自的優(yōu)點，能有效克服無線信號弱場問題，保證列車機車和尾部信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性。

5.1400kHz感應通信

1）感應通信原理。無線通信中，無線電臺產生一個受低頻（或數(shù)據(jù)等）調制的高頻信號，通過天線輻射，傳播至遠方。天線作為換能器，將電能轉換成電磁波，以波的形式輻射到空間，電磁波在空間傳播至接收地點，被該地點的無線電臺天線接收，經(jīng)電臺處理恢復成低頻信號。

有線載波通信中，載波機產生一個受低頻調制的高頻信號，通過線路濾波器，直接耦合到傳輸線上，以電流的形式傳播到下一個載波機，線路濾波器到接收端經(jīng)過處理，恢復成低頻信號。

自1876年貝爾發(fā)明電話以來，“電話”越來越深入到每個人的日常工作和生活中，載波機在有限的線路上擴大了用戶的范圍。有線載波通信的缺點是不能靈活機動的使用。

感應通信中，通過感應電臺發(fā)射的經(jīng)低頻信號調制的高頻信號，在波導線上產生一個感應電動勢，通過感應電臺接收及電臺處理后，恢復成低頻信號。感應電臺是通過天線和波導線之間的間接耦合進行收、發(fā)信號的，感應通信的傳播過程可以概括為電磁場到線路再到電磁場。波導線即是傳輸線，同時又是天線，這是與純粹無線通信和有線載波通信的區(qū)別。

從感應通信的傳播過程可以看出，它具有無線通信與有線通信的雙重特性，通過選擇適當?shù)念l率和耦合空間，減小耦合衰耗和傳輸衰耗，借助于波導線的引導傳輸，能夠很好地解決隧道、山區(qū)等弱電場現(xiàn)象。

2）應用導引輻射方式。無線電波在受限空間內傳播時因受隧道壁吸收和反射、山體的阻擋等影響，電波傳播的損耗大，形成許多弱場區(qū)，通信距離受到一定的限制。目前國內外解決限定空間內增加通信距離的辦法是應用導引輻射方式。

第一種稱為450MHz漏泄電纜方式。漏泄電纜是一種在同軸電纜外導體上按一定的節(jié)距開槽以泄漏電磁波的同軸電纜，它具有優(yōu)良的導引輻射性能，在弱電場地區(qū)，架設天線、漏泄電纜和中繼器，基地臺發(fā)送的高頻信號，經(jīng)設置在隧道口的天線接收，通過雙向中繼器放大，由漏泄電纜導引輻射，向移動的機車臺傳輸信號。此方式的優(yōu)點是采用450MHz頻率，信道多、干擾小、通信質量高。缺點是耦合衰耗大，因此需要中繼放大，造價昂貴，維修困難，區(qū)間設備易遭人為或自然的破壞。

第二種是采用450MHz頻率的高頻電臺互控制式。它在隧道和其他弱場區(qū)架設若干中繼電臺和天線，通過電纜相連，用遠供電源和信息傳遞實現(xiàn)無線列調的信號傳輸。其特點是可以解決弱場區(qū)問題，造價較漏泄電纜制式便宜，缺點和漏泄電纜方式一樣。由于漏泄電纜和電臺互控制式能實現(xiàn)多信道、高質量傳輸，解決了移動中的機車臺與車站臺間的通信，使用最為廣泛。

第三種是感應通信方式。它用敷設波導線傳輸信號，通過電磁感應原理在波導線周圍形成電磁場，實現(xiàn)了固定臺和移動臺之間、移動臺與移動臺之間的通信，此種方法稱之為感應通信方式。缺點是頻率較低，干擾大，天線不易小型化。

3）400kHz感應通信缺點。接觸網(wǎng)作為波導線時，400kHz感應通信存在以下問題。（1）頻率低，易干擾。（2）存在同頻干擾。（3）沒有接觸網(wǎng)的股道易形成盲區(qū)。（4）頻率低、波長較長，有時一個波長不能正好落到接收天線上，可能會發(fā)生近距離通信效果差，遠距離通信反而效果好。（5）股道多的車站由于接觸網(wǎng)的分流作用，距離天線遠的股道上信號較弱。（6）傳輸距離短。（7）傳輸數(shù)字信號能力差。

5.2 45OMHz信道傳輸

1）450MHz信道傳輸?shù)膬?yōu)點：電磁波通過輻射，可以去除450MHz高頻信號，解出低頻信號。抗干擾能力強。傳輸數(shù)字信號的能力較強。2）450MHz信道傳輸?shù)娜秉c。在山區(qū)、隧道內的信號衰減較大。

5.3 2002型列尾裝置

2002型列尾主機由主控板、閃光板、電磁閥、傳感器、400kHz電臺、450MHz電臺、450MHz天線、400kHz天線、風管及接頭、鉤頭鎖、電池等幾部分構成，各部分之間是通過機殼、支架、電源接觸板及排線等方式進行機械與電氣上的連接，主控板是主機的核心部分。

5.4 XTF-H列尾主機

XTF-H列尾主機列尾主機具有450MHz+400k雙信道傳輸功能，能夠有效解決山區(qū)鐵路線路高頻無線信號傳輸弱場的問題。

1）xTF-H列尾主機特點。XTF-H列尾主機具有以下特點：嵌入式微處理器控制，可靠性高，靈活性強，軟件升級方便；留有數(shù)據(jù)下載接口，內部有備用電源，數(shù)據(jù)不丟失；紅色高亮度數(shù)碼管顯示，夜間查看不影響；使用特殊材料制作外殼，結實耐用，有效減輕主機重量；使用大容量鋰電池供電，使工作時間更長，整機重量更輕；尾構與構提桿兩種安裝方式，用戶可自由選擇。

2）xTF-H列尾主機結構。XTF-H列尾主機由400M電臺（400M手持機及外接400M全向天線）、400K感應電臺（型號+外接環(huán)形天線）、列尾主機控制板、電磁閥、傳感器、橡膠風管、電池（7.4v智能鋰電）等組成。列尾主機控制板是XTF-H列尾主機主要控制單元，完成FSK數(shù)據(jù)的編解碼、控制調制解調器、控制閃光板狀態(tài)、控制電磁閥動作、實時采集尾部風壓、實時采集電池電壓、發(fā)送報警信息、控制電臺掃頻等操作。

3）XTF-H列尾主機優(yōu)點。（1）具備開機電壓或電池容量檢測功能。（2）具有靜態(tài)電流檢測功能。（3）450M電臺傳輸電流檢測。（4）400k電臺傳輸電流檢測（無400k電臺的列尾主機不進行此項檢測）。（5）排風電流檢測。（6）風壓傳感器檢測。

6.列尾裝置系統(tǒng)測試

6.1列尾裝置測試

列尾裝置型式試驗應進行低溫、高溫、交變濕熱、自由跌落、振動和水試驗。這些基礎的測試在列尾裝置出廠之前已經(jīng)進行。因此本文對列尾裝置的測試主要側重于功能測試，具體分為4個方面：可通率、“黑匣子”數(shù)據(jù)的主要功能、主機停電保護功能及庫內檢測。

1）測試要求。列尾裝置的測試應滿足《列車尾部安全防護裝置及附屬設備》（TB/T2973-2006），《列車尾部安全防護裝置管理、使用及維修辦法》（鐵運[2000]60號）、《關于使用新型列尾主機檢測臺的通知》（運調技術[2004]645號）、《列車尾部安全防護裝置主機檢測臺》（JJG（鐵道）190-2005）等有關標準法規(guī)的要求。具體測試技術指標及參數(shù)要求如下：

靜態(tài)電流：≤0.2A；

傳輸電流范圍：1.0A～1.8A：雙信道列尾主機，電流≤4A；

排風電流范圍：0.8～3.0A；

風壓檢查：400kPa、500kPa（500kPa定壓）/500kPa、600kPa（600kPa定壓）；

電池欠壓報警：6.5V±0.1V；

漏泄報警門限：漏泄報警門限設為460kPa±10kPa（500kPa定壓）/560kPa±10kPa（600kPa定壓）。

2）靜態(tài)測試。試驗條件：列車長度約1550m左右。靜態(tài)試驗中發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）相互搶占信道、干擾較大。主要是尾部裝置至機車電臺部分，由于傳送的是模擬信號，占用信道時間較長，一般為5s左右，將其改為數(shù)字信號后，占用信道時間將縮短一半左右，大準線車流量較國鐵復線少，這樣的改動之后基本能滿足生產需求；（2）單400K信道可通率低，約在80%以下，主要是由尾部400kHz電臺天線感應到接觸網(wǎng)上的信號弱引起的場強不夠。為解決以上問題，經(jīng)反復論證計算，大量試驗和現(xiàn)場測量，確定采用具有一定面積的小環(huán)天線，能滿足XTF400感應式列車尾部安全防護裝置的通話指標和通話距離1200m的要求。

6.2動態(tài)測試

按照萬噸站進出站和站內、隧道及彎道等重點區(qū)段進行動態(tài)試驗。

1）一次試驗。首次試驗的列尾設備名稱及型號為西科所二合一列尾，機車型號及機車號為SS480101。試驗共查詢了34次，列尾主機回示23次，可通率67.65%，結果并不理想。

2）二次試驗。二次試驗的列尾設備名稱及型號為西科所二合一列尾，機車型號及機車號為SS480102。第二次試驗共查詢61次，返回59次，可通率達96.72%。

3）試驗總結。經(jīng)過8次添乘試驗，進一步檢驗了信息的可通率和設備的穩(wěn)定性。重點對400kHz信道進行試驗，可通率達95%以上。

7.結論與展望

本文在簡要概括了列尾裝置目前的應用現(xiàn)狀、列尾裝置的工作原理以及系統(tǒng)構成的基礎上，基于列尾裝置在重載鐵路方面的應用，以大準鐵路的運用現(xiàn)狀為著入點，大準鐵路作為我國西煤東運的重要通道，其運輸?shù)陌踩浴⑦\輸能力成為日益關注的焦點。

本文主要結論：

1）通過大準鐵路列尾安全裝置的運用，分析了其存在的具體問題。

2）鑒于大準鐵路列尾在運輸安全、穩(wěn)定方面的問題，經(jīng)過與國內相關列尾裝置廠家進行咨詢，最終選定雙信道雙向數(shù)傳列尾裝置。

3）對雙信道雙向數(shù)傳列尾裝置進行測試，通過試驗發(fā)現(xiàn)存在的問題并給出解決措施。隨著新技術的采用與科學技術的不斷發(fā)展，將來的列尾裝置將是向著體積小、重量輕、操作簡便、功能更齊全、穩(wěn)定性和可靠性高等方向發(fā)展，為重載萬噸列車的正常開行提供更有效、更安全保證，發(fā)揮著更重要的做用。

通過產品測試，可以對列尾裝置的性能進行考察，保證實際投入使用的裝置能夠穩(wěn)定工作。列尾裝置的穩(wěn)定性，與電池的選型、天線的安裝和調試、機殼材質的選擇等都有著密切關系。在某種型號的列尾裝置正式投入使用之前，還需要在小范圍內進行試用，進一步保證裝置工作的穩(wěn)定性。本文的研究從性能測試這一角度來進行，主要考察了裝置的可通率，并沒有對上述問題進行測試，在以后的研究中，還需要從多方面對列尾裝置進行檢測，以保證其工作穩(wěn)定性。