周智勇

ZHOU Zhi-yong

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 國際事業(yè)部，湖北 武漢 430063）

(International Division, China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., LTD., Wuhan 430063, Hubei, China)

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路組合列車同步操控技術(shù)的應(yīng)用研究

周智勇

ZHOU Zhi-yong

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 國際事業(yè)部，湖北 武漢 430063）

(International Division, China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., LTD., Wuhan 430063, Hubei, China)

鐵路開行組合列車是提高鐵路輸送能力的發(fā)展趨勢。通過對幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路組合列車同步操控設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究，針對組合列車同步控制通信方案、組合列車牽引操控工況進(jìn)行研究，采用組合列車的起動校驗(yàn)和持續(xù)速度仿真計(jì)算，對基于 LOCOTROL 系統(tǒng)和 ECP 制動系統(tǒng)的組合列車進(jìn)行驗(yàn)證，仿真計(jì)算結(jié)果表明符合組合列車的運(yùn)行要求，可以有效解決組合列車的機(jī)車同步操控和組合列車的同步制動問題。

組合列車；同步操縱技術(shù)；LOCOTROL 系統(tǒng)；ECP 制動系統(tǒng)

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路起于福雷卡里亞省莫萊巴亞河入?？?，終點(diǎn)為貝拉省的西芒杜礦山，線路全長 643 km，主要承擔(dān)西芒杜礦山的鐵礦石運(yùn)輸至莫萊巴亞港口，預(yù)計(jì)年運(yùn)量為 1 億 t。經(jīng)過初步研究，該線路為單線鐵路，采用內(nèi)燃機(jī)車牽引、40 t 軸重的車輛，列車牽引質(zhì)量達(dá)到 3.8 萬 t，組合列車編組由 6 臺內(nèi)燃機(jī)車和 240 輛車輛組成，編組形式為 2 臺機(jī)車 +120 輛車輛 +2 臺機(jī)車 +120 輛車輛 +2 臺機(jī)車，列車總長度約 2 823 m。借鑒大秦鐵路成功的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，通過與阿爾斯通 (ALSTOM)、美國通用 (GE) 等公司開展技術(shù)合作，對西芒杜礦山鐵路組合列車的同步操控技術(shù)進(jìn)行研究。

1　西芒杜礦山鐵路組合列車通信方案分析

1.1概述

為實(shí)現(xiàn)西芒杜礦山鐵路組合列車同步操控，需要解決機(jī)車單元之間的重聯(lián)通信問題。目前，解決重聯(lián)通信有 2 種方式：一種方式是通過無線通信方式傳輸機(jī)車操控指令；另一種方式是通過有線通信方式傳輸機(jī)車操控指令。其中，機(jī)車重聯(lián)無線通信可以采用 2 種方式：①通過車載通信電臺采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，由主控機(jī)車向從控機(jī)車傳送機(jī)車操控指令數(shù)據(jù)[1]；②組建移動通信網(wǎng)，通過移動通信通道傳送機(jī)車操控指令數(shù)據(jù)[2]。

機(jī)車重聯(lián)有線通信方式起源于美國的電控空氣制動系統(tǒng) (Electrically Controlled Pneumatic Brake System，以下簡稱“ECP制動系統(tǒng)”)。ECP 制動系統(tǒng)由機(jī)車 ECP 單元、車輛ECP 單元、列尾 ECP 單元、電源系統(tǒng)、列車總線及連接裝置等構(gòu)成，主控機(jī)車的操控指令通過列車總線 (Intra Train Communications， ITC) 傳送至組合列車的每臺從控機(jī)車及每節(jié)車輛，從而實(shí)現(xiàn)組合列車的同步制動或緩解[3]。

西芒杜礦山鐵路組合列車編組的 6 臺機(jī)車分為 3 組機(jī)車單元，每個單元有 2 臺機(jī)車，每臺機(jī)車均裝配有機(jī)車同步操控系統(tǒng) (LOCOTROL 系統(tǒng))。LOCOTROL 系統(tǒng)由動力分散控制系統(tǒng) (Distributed Power，DP)、CCB II 制動機(jī)、ECP 制動系統(tǒng)[4]等組成。機(jī)車 LOCOTROL 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

西芒杜礦山鐵路組合列車同步操控指令采用 ITC 作為主用通信通道，采用移動通信網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為備用通信通道。

圖1　機(jī)車 LOCOTROL 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2西芒杜礦山鐵路無線通信系統(tǒng)

西芒杜礦山鐵路無線通信系統(tǒng)采用泛歐集群無線通信技術(shù) (Trans-European Trunked Radio，TETRA)，是基于時多分址技術(shù) (Time Devision Multiple Access，TDMA) 的無線通信系統(tǒng)。TETRA支持的用戶終端業(yè)務(wù)包括：單呼 (點(diǎn)對點(diǎn))、組呼 (點(diǎn)對多點(diǎn))、應(yīng)答組呼、廣播呼叫 (單向點(diǎn)對多點(diǎn))，以及上述各種情況的明話或密話。TETRA 支持的承載業(yè)務(wù)包括：分組數(shù)據(jù)、電路數(shù)據(jù)。另外，TETRA 無線通信系統(tǒng)在歐洲還被廣泛應(yīng)用于鐵路無線通信組網(wǎng)。

西芒杜礦山鐵路的 TETRA 無線通信系統(tǒng)由無線數(shù)字語音系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，如圖2所示。無線通信頻率優(yōu)先采用 380 M～400 MHz 和410 M～430 MHz 頻段，移動控制中心 (Main System Control Node，MSCN) 設(shè)于莫萊巴亞港口站，備用移動控制中心 (Redundant System Control Node，RSCN) 設(shè)于法拉那站[5]。

1.3西芒杜礦山鐵路組合列車通信方案

西芒杜礦山鐵路組合列車編組長度 2 823 km，6臺機(jī)車分別位于列車的頭部、中部和尾部。為提高通信的可靠性，保證列車運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)采用有線通信方式，即列車通信總線作為主用通信通道，用于傳輸機(jī)車同步操控指令和列車制動或緩解指令。TETRA 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)作為備用通信通道，當(dāng)主用通信通道出現(xiàn)故障時，機(jī)車同步操控指令通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)進(jìn)行傳送。

圖2　無線數(shù)字語音系統(tǒng)及無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）組合列車有線通信。列車通信總線為 1 根雙股直徑為 8 mm 的電纜，縱貫組合列車的 6 臺機(jī)車和 240 輛貨車。機(jī)車 LOCOTROL 系統(tǒng)和車輛 ECP 控制單元均通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器掛接在通信總線上。通過該總線電纜，形成機(jī)車與機(jī)車之間、機(jī)車與車輛之間的雙向數(shù)據(jù)交換通道，并由機(jī)車向車輛ECP 控制單元提供 DC230V 電源。組合列車有線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。主控機(jī)車發(fā)出的機(jī)車同步操控指令、列車制動指令、列車緩解指令等數(shù)據(jù)通過 ITC 總線同步傳送給從控機(jī)車的 LOCOTROL 系統(tǒng)及車輛 ECP 控制單元，實(shí)現(xiàn)主控機(jī)車與從控機(jī)車的同步操控、組合列車的同步制動、同步緩解、再制動、階段緩解等動作。在 ECP 制動模式下，列車管僅為供風(fēng)管，不再通過減壓產(chǎn)生制動指令信號或者通過充風(fēng)產(chǎn)生緩解指令信號。

圖3　組合列車有線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）組合列車無線通信。采用無線通信方式時，主控機(jī)車的同步操控指令通過 TETRA 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)傳送給同一列車的其他從控機(jī)車，實(shí)現(xiàn)主控機(jī)車與從控機(jī)車的同步操控，組合列車無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。無線通信方式作為備用方案，僅在 ITC 總線數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)故障時啟用。此時，車輛的制動或者緩解將通過列車管的減壓或者充風(fēng)產(chǎn)生相應(yīng)的指令信號。

圖4　組合列車無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　組合列車牽引操縱工況分析

西芒杜礦山鐵路配屬的機(jī)車裝配有自動駕駛輔助軟件，組合列車在運(yùn)行過程中，主控機(jī)車根據(jù)實(shí)時檢測到的列車位置、預(yù)存的線路數(shù)據(jù)，以及行車調(diào)度命令自主生成機(jī)車操縱指令，通過列車總線傳遞給從控機(jī)車，實(shí)現(xiàn)列車同步操縱。當(dāng)司機(jī)發(fā)出人工干預(yù)操縱指令時，機(jī)車切換到人工駕駛模式，司機(jī)操縱指令同樣會通過列車總線由主控機(jī)車發(fā)送至從控機(jī)車。當(dāng)機(jī)車工作于牽引工況時，車鉤受到拉力；當(dāng)機(jī)車工作于制動工況時，車鉤受到壓力；當(dāng)列車通過線路變坡點(diǎn)時，3 組機(jī)車單元分別工作于不同的運(yùn)行工況。為確保組合列車安全運(yùn)行，無論車鉤受到拉力或者壓力，均不應(yīng)超過車鉤和緩沖器的承受范圍。

2.1牽引工況

當(dāng)主控機(jī)車與從控機(jī)車均工作在牽引工況時，主控機(jī)車單元的車鉤對列車的作用力為拉力，列車中部從控機(jī)車單元的車鉤對車輛單元 1 的作用力為推力，對車輛單元 2 的作用力為拉力，尾部從控機(jī)車單元對車輛單元 2 的作用力為推力，牽引工況車鉤受力情況示意圖如圖5 所示。在 LOCOTROL 系統(tǒng)的控制下，主控機(jī)車與從控機(jī)車的同步動作保證了動力分配均衡，車鉤作用力較動力集中方式有明顯改善，機(jī)車的牽引能力得以充分利用，列車運(yùn)行平穩(wěn)[6]。

圖5　牽引工況車鉤受力情況示意圖

2.2制動工況

當(dāng)列車運(yùn)行在長大下坡或者需要停車時，列車進(jìn)行常用制動；在緊急停車時需要進(jìn)行緊急制動。組合列車配置 LOCOTROL 系統(tǒng)和 ECP 制動系統(tǒng)后，主控機(jī)車發(fā)出的列車制動指令通過 ITC 總線傳送給從控機(jī)車及各車輛 ECP 控制單元，指令傳輸時間可以忽略不計(jì)，組合列車基本實(shí)現(xiàn)同步制動。從理論上來講，在平直線路上進(jìn)行制動時，在制動缸響應(yīng)制動指令時車鉤受到?jīng)_擊力之外，列車車鉤不再受到擠壓力。

在實(shí)際運(yùn)用中，列車管壓力、制動缸升壓特性、初始車鉤間隙、線路坡度、曲線半徑、機(jī)車在組合列車中的位置等因素均會對車鉤受力的形成及車鉤力分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致車鉤力在列車不同的位置會有所不同。以列車管存在壓力梯度為例，在列車管存在泄漏的情況下，不同壓力梯度條件下的最大車鉤力沿列車長度方向的分布特性如圖6 所示[7]。

圖6　不同列車管壓力梯度下車鉤力分布特性示意圖

在制動工況下，列車車鉤力為沖擊力和擠壓力。當(dāng)壓力梯度為 0% 時，列車車鉤力很小。當(dāng)壓力梯度越大時，車鉤力明顯增大，最大車鉤力出現(xiàn)在列車中部。

2.3列車通過變坡點(diǎn)的機(jī)車運(yùn)行工況

列車通過變坡點(diǎn)時，3 組機(jī)車單元將分別工作在不同的運(yùn)行工況下。當(dāng)列車從上坡運(yùn)行至下坡時，主控機(jī)車單元將由牽引工況改為制動工況，中部從控機(jī)車單元在變坡點(diǎn)附近處于惰行工況或降功運(yùn)行，尾部從控機(jī)車單元工作在牽引工況；當(dāng)列車從下坡運(yùn)行至上坡時，主控機(jī)車單元和尾部從控機(jī)車單元的運(yùn)行工況與前述相反。列車通過變坡點(diǎn)時機(jī)車運(yùn)行工況示意圖如圖7 所示。當(dāng)線路條件已經(jīng)確定時，計(jì)算機(jī)輔助駕駛技術(shù)與 LOCOTROL 技術(shù)的聯(lián)合使用，既能改善車鉤受力條件，增加列車運(yùn)行的安全性，還能節(jié)約能源。

3　西芒杜礦山鐵路組合列車運(yùn)行仿真計(jì)算

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路線路長 643 km，重車方向限制坡度 8‰，輕車方向限制坡度 18‰，沿線共設(shè)車站 15 座；線路在港口站海拔高度約為 0 m，礦山站海拔高度約 675 m。重車方向?yàn)榈V山站至港口站方向，有8‰ 的上坡，也有 18‰ 的下坡，是組合列車運(yùn)行仿真計(jì)算的重點(diǎn)。仿真主要對組合列車起動校驗(yàn)、列車持續(xù)速度分別進(jìn)行計(jì)算。

3.1起動校驗(yàn)

列車起動校驗(yàn)仿真計(jì)算模擬組合列車在滿載的情況下，以 5 km/h 的低速從礦山站運(yùn)行至港口站，來驗(yàn)證組合列車因故停車后，粘著系數(shù)及機(jī)車牽引力能否滿足機(jī)車重新起動并順利通過限制坡度段的線路。從起動校驗(yàn)仿真計(jì)算曲線可以看出，在里程DK388+100 處機(jī)車牽引力最大，為 505 kN，粘著系數(shù)為 0.27，其他線路位置均小于該值，列車起動校驗(yàn)曲線如圖8 所示。仿真計(jì)算結(jié)果表明，組合列車因意外停車后，在機(jī)車車輛沒有故障的情況下，列車在任意里程均可重新起動后正常運(yùn)行[8]。

圖8　列車起動校驗(yàn)曲線

3.2持續(xù)速度仿真計(jì)算

組合列車持續(xù)速度仿真計(jì)算分 2 種情況進(jìn)行：一種情況是全線不停車，另一種情況是站站停。該線重車限速 80 km/h，最小曲線半徑一般情況下為 800 m，特別困難時采用 500 m。仿真計(jì)算結(jié)果表明，組合列車在重車方向最低運(yùn)行速度為 25 km/h，高于機(jī)車的最低持續(xù)速度，在最大限坡情況下滿足機(jī)車恒功運(yùn)行工況；最高速度滿足限速 80 km/h 要求，列車制動工況符合設(shè)計(jì)要求[8]。列車持續(xù)速度仿真計(jì)算曲線如圖9 所示。

圖9　列車持續(xù)速度仿真計(jì)算曲線

4　結(jié)束語

幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路通過開行組合列車的方式，可以滿足 1 億 t年運(yùn)量的設(shè)計(jì)需求，顯著提高了線路運(yùn)輸能力，又降低了工程投資，是鐵路工程建設(shè)最經(jīng)濟(jì)的方式之一。采用 LOCOTROL 系統(tǒng)和ECP 制動系統(tǒng)，通過列車總線采用有線方式傳送同步操控指令，或者通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用無線通信方式傳送同步操控指令，可以有效解決組合列車的機(jī)車同步操控和組合列車的同步制動問題。

[1] 耿志修. 大秦線開行 20 kt 級重載組合列車系統(tǒng)集成與創(chuàng)新[J]. 中國工程科學(xué)，2008，10(3)：31-43.GENG Zhi-xiu. System Integration and Innovation of Operating 20 kt Combined Heavy-haul Train on Datong-Qinhuangdao Line[J]. Engineering Sciences，2008，10(3)：31-43.

[2] 宋 鋼. 大秦線 GSM-R 系統(tǒng)構(gòu)成與功能[J]. 中國鐵路，2007(6)：45-48. SONG Gang. Configuration and Function of GSM-R System on Datong-Qinhuangdao Line[J]. Chinese Railways，2007(6)：45-48.

[3] 王 高，涂智文. ECP 技術(shù)發(fā)展及技術(shù)研發(fā)探討[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2014，34(5)：21-24. WANG Gao，TU Zhi-wen. Discussion on ECP Technology Development[J]. Railway Locomotive & Car，2014，34(5)：21-24.

[4] 美國 GE 公司. Product Description Locotrol DP-based Wired Distributed Power[R]. Fairfield, CT：GE Transportation Global Locomotive Operations，2015.

[5] 邵 翔. Simandou Infrastructure Project，Project Wide Radio Network Including Signal Data Radio[R]. 武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2016.

[6] 周智勇，李 超. Simandou Infrastructure Project，the Contractor’s Capacity and Operating Model Description，Inputs Parameters，Outputs and Conclusions Thereof[R]. 武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2016.

[7] 王 強(qiáng). 重載列車 ECP 制動策略研究[D]. 大連：大連交通大學(xué)，2013. WANG Qiang. Study on ECP Braking Strategy of Heavy Haul Train[D]. Dalian：Dalian Jiaotong University，2013.

[8] 美國GE公司. Rio Tinto / Simandou Project Evaluation of Running Time and Fuel Use for 6 loco / 240 Wagon Trains[R]. Fairfield, CT：GE Transportation Global Locomotive Operations，2015.

責(zé)任編輯：趙 娟

Study on Application of Synchronous Control Technology of Combination Trains on Guinea Simandou Iron Ore Railway

Operation of railway combination trains is the development trend of increasing railway transportation capacity. The study on application of synchronous control technology of combination trains on Guinea Simandou Iron Ore railway is taken mainly from two aspects, including synchronous control communication program of combination trains and traction control working conditions of the trains, and the simulation calculation is taken respectively by using the starting check and continuous speed simulation of combination trains, and the simulation result is fitted with the operation requirements of combination trains and could effectively solve the problems in locomotive synchronous control of the combination trains based on the LOCOTROL system and the ECP braking system in the synchronous braking of combination trains.

Combination Trains; Synchronous Control Technology; LOCOTROL System; ECP Braking System

1003-1421(2016)06-0101-06

U283

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.20

2016-03-07

2016-04-13

英國力拓集團(tuán)(Rio Tinto Group) 研究項(xiàng)目 (BK：21323109.3)