LKJ制動(dòng)距離計(jì)算模型簡化方案研究

葉永華

列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）是以防止列車冒進(jìn)信號(hào)、運(yùn)行超速和輔助司機(jī)提高操縱能力為主要目標(biāo)的列車速度控制系統(tǒng)［1］，為保障鐵路行車安全和支撐鐵路相關(guān)技術(shù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

列車制動(dòng)距離計(jì)算模型是LKJ系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，該計(jì)算模型使用的制動(dòng)距離計(jì)算公式及制動(dòng)距離計(jì)算參數(shù)取自鐵路管理部門的有關(guān)規(guī)定。《列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）控制模式設(shè)定規(guī)范》（2008版）［2］（目前雖已發(fā)布2015版［3］，但其制動(dòng)計(jì)算公式因軟件未升級(jí)到20081127版以上，仍沿用2008版設(shè)置。以下簡稱《LKJ控制模式規(guī)范》）將機(jī)車牽引的列車制動(dòng)計(jì)算參數(shù)分為貨車、閘瓦制動(dòng)客車、盤形制動(dòng)客車等。LKJ根據(jù)預(yù)先設(shè)置的列車類型或制動(dòng)類型來選用不同的制動(dòng)距離計(jì)算參數(shù)，該方式既增加了LKJ制動(dòng)距離計(jì)算的復(fù)雜度，又可能因列車類型或制動(dòng)類型設(shè)置錯(cuò)誤而引起LKJ計(jì)算的列車制動(dòng)距離偏短，給列車運(yùn)行帶來安全隱患。

本文從制動(dòng)距離計(jì)算公式在不同類型制動(dòng)距離計(jì)算參數(shù)下的制動(dòng)距離差別出發(fā)，研究LKJ制動(dòng)距離計(jì)算模型的簡化方案。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

《LKJ控制模式規(guī)范》中規(guī)定機(jī)車牽引的列車制動(dòng)距離計(jì)算公式為

式中：Sz為制動(dòng)距離（m）；Sk為空走距離（m）；Se為有效制動(dòng)距離（m）；v0為制動(dòng)初速度（km/h）；vm為制動(dòng)末速度（km/h）；tk為空走時(shí)間（s）；φh為閘瓦（閘片）換算摩擦系數(shù)；?h為列車換算制動(dòng)率；βc為常用制動(dòng)系數(shù)；ω0為列車單位基本阻力（N/kN）；ij為制動(dòng)地段加算坡度千分?jǐn)?shù)。

制動(dòng)距離計(jì)算參數(shù)取值見表1［4］。

從公式（1）和表1可以看出，在線路、初速度和末速度相同的情況下，只有列車換算制動(dòng)率（?h）、閘瓦（閘片）換算摩擦系數(shù)（φh）及列車單元基本阻力（w0）影響LKJ計(jì)算的制動(dòng)距離，這3種參數(shù)對(duì)于貨車、閘瓦制動(dòng)客車、盤形制動(dòng)客車各不相同，且包含在各自的制動(dòng)類型中，因此，LKJ只有獲取正確的制動(dòng)類型，才能保證制動(dòng)距離的準(zhǔn)確性。

表1 制動(dòng)距離計(jì)算參數(shù)取值

1.1 制動(dòng)類型獲取方式分析

目前LKJ獲取制動(dòng)類型方法為：鐵路局LKJ專業(yè)機(jī)構(gòu)將制動(dòng)類型通過LKJ特定運(yùn)行區(qū)段控制模式捆綁到監(jiān)控交路中，LKJ從司機(jī)設(shè)定的監(jiān)控交路中獲取制動(dòng)類型［6］。由于LKJ特定運(yùn)行區(qū)段控制模式同一監(jiān)控交路只能設(shè)置一種客車制動(dòng)類型，而閘瓦制動(dòng)客車和盤形制動(dòng)客車的制動(dòng)距離計(jì)算參數(shù)不同，且LKJ計(jì)算的制動(dòng)距離存在一定的差別。因此，為解決該問題，采取將運(yùn)行徑路相同而制動(dòng)類型不同的客車按照2個(gè)監(jiān)控交路進(jìn)行設(shè)置，其中一個(gè)監(jiān)控交路設(shè)置閘瓦制動(dòng)客車，另外一個(gè)監(jiān)控交路設(shè)置盤形制動(dòng)客車，通過司機(jī)設(shè)定不同的監(jiān)控交路來區(qū)分閘瓦制動(dòng)客車和盤形制動(dòng)客車。但由于既有LKJ資源限制，監(jiān)控交路數(shù)最大只支持255條，隨著機(jī)車長交路、乘務(wù)區(qū)段化的運(yùn)用組織不斷變化，既有監(jiān)控交路數(shù)已不能滿足運(yùn)用需求，再加上相同運(yùn)行徑路的客車要占用2條監(jiān)控交路，造成監(jiān)控交路數(shù)更加緊張。目前部分鐵路局為解決該問題，已采取按照擔(dān)當(dāng)運(yùn)行區(qū)段分塊管理監(jiān)控交路的方式，即將本局運(yùn)行區(qū)段劃分成幾大塊，每塊單獨(dú)劃分監(jiān)控交路來解決監(jiān)控交路數(shù)不足的問題，但該方式既給機(jī)車運(yùn)用區(qū)段的管理、LKJ軟件的換裝等帶來不便，又可能存在監(jiān)控交路設(shè)置錯(cuò)誤而導(dǎo)致的制動(dòng)距離計(jì)算偏差。另外，司機(jī)很難判斷本趟牽引的列車是閘瓦制動(dòng)還是盤形制動(dòng)，存在制動(dòng)類型設(shè)置錯(cuò)誤的可能，給司機(jī)操作帶來一定的負(fù)擔(dān)。

LKJ從運(yùn)用及安全考慮，將貨車（包括普通貨物列車、120 km/h貨物列車和快速貨物班列貨車）的制動(dòng)計(jì)算參數(shù)簡化成一種（從表1可以看出），且固定按照該制動(dòng)計(jì)算參數(shù)計(jì)算貨車的制動(dòng)距離，所以對(duì)貨車來說，不會(huì)存在操作失誤造成LKJ計(jì)算制動(dòng)距離偏差的情況。但對(duì)于機(jī)車牽引的旅客列車來說，由于最高速度120 km/h客車存在閘瓦制動(dòng)和盤形制動(dòng)2種類型，可能因制動(dòng)類型直接或間接設(shè)置錯(cuò)誤而導(dǎo)致LKJ計(jì)算的制動(dòng)距離出現(xiàn)偏差，所以本文主要對(duì)閘瓦制動(dòng)客車和盤形制動(dòng)客車的2種制動(dòng)類型進(jìn)行分析，以尋找LKJ制動(dòng)計(jì)算模型的簡化方案。

1.2 閘瓦和盤形制動(dòng)距離對(duì)比分析

根據(jù)公式（1）可以看出，在線路（平坡）、初速度和末速度相同的情況下，制動(dòng)距離主要由有效制動(dòng)距離（Se）影響，按照表1分別計(jì)算盤形制動(dòng)客車和閘瓦制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離，其制動(dòng)曲線對(duì)比示意見圖1，有效制動(dòng)距離對(duì)比見表2。

從圖1和表2可見，限制速度約在95 km/h以下時(shí)，盤形制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離比閘瓦制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離略長，其偏長最大值約為32 m；限制速度約在95 km/h以上時(shí)，盤形制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離比閘瓦制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離偏短，且隨著限制速度的上升，偏短的值逐步變大，在限制速度為120 km/h時(shí)為120 m。

圖1 盤形制動(dòng)客車與閘瓦制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)曲線對(duì)比示意圖

表2 盤形制動(dòng)客車與閘瓦制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離對(duì)比

2 ATP制動(dòng)距離計(jì)算模型分析

中車四方機(jī)車車輛股份有限公司提供的ATP制動(dòng)速度模式曲線計(jì)算數(shù)學(xué)模型為

式中：Se為從ν0制動(dòng)到νt走過的距離（m）；ν0為開始制動(dòng)的速度（km/h）；νt為制動(dòng)的目標(biāo)速度（km/h）；α為制動(dòng)減速度（m/s2）；λ1為制動(dòng)力百分比（車載設(shè)備預(yù)存儲(chǔ)配置）；ij為制動(dòng)地段加算坡度千分?jǐn)?shù)。

公式（2）中的β、λ2的具體含義沒有描述，但公式中λ1明顯是對(duì)制動(dòng)力打折扣的“使用系數(shù)”，至于取值為多少，這里雖然沒有注明，但至少說明ATP對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行了打折處理［7］。

3 制動(dòng)距離計(jì)算模型簡化

通過對(duì)2種制動(dòng)類型計(jì)算的制動(dòng)距離對(duì)比分析可以看出，限制速度在95 km/h及以下時(shí)，盤形制動(dòng)客車比閘瓦制動(dòng)客車制動(dòng)距離長，但限制速度在95 km/h以上時(shí)，閘瓦制動(dòng)客車比盤形制動(dòng)客車制動(dòng)距離長。

3.1 制動(dòng)力打折系數(shù)分析

通過ATP制動(dòng)距離計(jì)算模型［8］的分析可以看出，ATP對(duì)制動(dòng)力的使用上是比較寬松的。但LKJ除了給予足夠小的安全保護(hù)距離“A+0.5ν0”外，對(duì)列車制動(dòng)能力（以換算制動(dòng)率為代表）參數(shù)基本沒留余地。LKJ同樣可以在安全為主且兼顧效率的基礎(chǔ)上，考慮設(shè)計(jì)LKJ制動(dòng)距離計(jì)算模型，合理放寬列車制動(dòng)能力的利用。

結(jié)合LKJ現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，可以通過對(duì)列車換算制動(dòng)率（?h）進(jìn)行適當(dāng)打折，來合理放寬列車制動(dòng)能力的利用，即將列車換算制動(dòng)率（?h）乘以制動(dòng)力使用系數(shù)λ［9］，此時(shí)制動(dòng)距離計(jì)算公式為

式中：λ為制動(dòng)力使用系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮列車制動(dòng)離散性、列車編組多樣性等因素，λ取值選擇在0.8～0.9之間比較合理。下面分別計(jì)算λ取值為0.8、0.85、0.9、1.0時(shí)盤形制動(dòng)客車有效制動(dòng)距離，并進(jìn)行對(duì)比分析。其客車制動(dòng)曲線對(duì)比示意見圖2，有效制動(dòng)距離對(duì)比見表3。

圖2 盤形制動(dòng)客車緊急制動(dòng)有效制動(dòng)曲線對(duì)比示意圖

表3 盤形制動(dòng)客車緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離對(duì)比

從圖2和表3可見，在線路、初速度和末速度相同的情況下：

1）λ取0.9計(jì)算的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離比λ取1.0計(jì)算的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離最大偏長149 m，且在120 km/h左右時(shí)偏長只有81 m，表現(xiàn)出來的效果不太明顯。

2）λ取0.8計(jì)算的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離比λ取1.0計(jì)算的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離最大偏長333 m，且在120 km/h左右時(shí)偏長為182 m，既影響司機(jī)的操作，又影響運(yùn)輸效率。

3）λ取0.85計(jì)算的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離比λ取1.0計(jì)算的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離最大偏長235 m，且在120 km/h左右時(shí)偏長為129 m，該差別對(duì)司機(jī)操作及運(yùn)輸效率不會(huì)造成太大影響。

3.2 制動(dòng)類型選擇分析

假設(shè)將客車制動(dòng)類型統(tǒng)一為閘瓦制動(dòng)客車方式，通過前面分析可以看出，限制速度在95 km/h以上時(shí)，制動(dòng)類型采用閘瓦制動(dòng)客車比盤形制動(dòng)客車制動(dòng)距離長，車速等級(jí)為140 km/h和160 km/h的客車（目前制動(dòng)類型固定采用盤形制動(dòng)）采用閘瓦制動(dòng)客車方式，從表2可見，緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離要比目前分別偏長346 m和781 m，對(duì)運(yùn)輸效率影響過大。

假設(shè)將客車制動(dòng)類型統(tǒng)一為盤形制動(dòng)客車方式，由于目前車速等級(jí)為140 km/h和160 km/h的客車已固定采用盤形制動(dòng)方式，且限制速度約在95 km/h及以下時(shí)，制動(dòng)類型采用盤形制動(dòng)客車比閘瓦制動(dòng)客車制動(dòng)距離長，所以只需要考慮95～120 km/h間的限制速度即可。結(jié)合上述列車換算制動(dòng)率（?h）的制動(dòng)力使用系數(shù)λ取值0.85的結(jié)論，分別計(jì)算制動(dòng)類型為閘瓦制動(dòng)客車和列車換算制動(dòng)率（?h）打折0.85的盤形制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離，其中限制速度在95～120 km/h（包括120 km/h）間的對(duì)比關(guān)系如表4所示。

表4 盤形制動(dòng)與閘瓦制動(dòng)的有效制動(dòng)距離對(duì)比

從表4可以看出，列車換算制動(dòng)率（?h）的制動(dòng)力使用系數(shù)λ取0.85后，制動(dòng)類型為盤形制動(dòng)客車的緊急制動(dòng)有效距離比閘瓦制動(dòng)客車緊急制動(dòng)有效距離略長，偏長最大值為80 m。

綜上所述，采用制動(dòng)力使用系數(shù)λ（取值0.85）后，車速等級(jí)120 km/h及以下的客車，制動(dòng)類型采用盤形制動(dòng)客車要比閘瓦制動(dòng)客車更安全，由于目前車速等級(jí)為140 km/h和160 km/h的客車已固定采用盤形制動(dòng)方式，所以可以將客車的制動(dòng)類型統(tǒng)一為盤形制動(dòng)客車。

通過上述分析，對(duì)機(jī)車牽引的客車，可以將閘瓦制動(dòng)客車和盤形制動(dòng)客車統(tǒng)一為盤形制動(dòng)客車，同時(shí)將列車換算制動(dòng)率（?h）乘以制動(dòng)力使用系數(shù)λ（取值0.85）。簡化后緊急制動(dòng)有效制動(dòng)距離比簡化前偏長，但比簡化前閘瓦制動(dòng)客車的最大偏長值僅為80 m，比簡化前盤形制動(dòng)客車的最大偏長值僅為235 m，既簡化了司機(jī)的操作，又不會(huì)影響運(yùn)輸效率。

4 結(jié)束語

本文對(duì)機(jī)車牽引的列車LKJ制動(dòng)距離計(jì)算公式中2種不同制動(dòng)類型參數(shù)使用環(huán)境、差別進(jìn)行分析，結(jié)合ATP制動(dòng)距離計(jì)算模型的分析及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，提出LKJ制動(dòng)距離計(jì)算模型的簡化方案。簡化后，機(jī)車牽引的列車LKJ制動(dòng)距離計(jì)算模型分為客車和貨車兩種，LKJ直接利用司機(jī)輸入的客車或貨車類型進(jìn)行制動(dòng)距離計(jì)算。

通過對(duì)LKJ制動(dòng)距離計(jì)算模型的簡化，既簡化了司機(jī)的操作及管理成本，又保證了LKJ控制的安全性，使LKJ為保障鐵路行車安全發(fā)揮更大的作用。