重载铁路机车同步操控系统研究

刘福 LIU Fu

（国能朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司，沧州 062350）

0 引言

现阶段世界已将重载铁路运输技术视为铁道运输的主要发展方向，我国的铁道运输产业也在近几年内凭借先进的同步控制重载技术实现了全面的改造升级，通过应用该项技术，使自身的运载量实现了翻倍，对于铁路产业的整体经济效益及国家能源和运输紧张的状况，都有了很好的缓解和提升，为我国整体经济的发展起到了良性的整体作用。

在载机车同步操控系统内，现阶段传输命令的主要传输形式是凭借制动波的传导来最终实现的，制动波的传导时间、重载机车间主管与支管的长度、管道间三通阀/分配阀等各类配件的相关性能均会关系到重载机车的最终同步操控质量，因为制动性对确保重载机车铁路运输的安全而言至关重要，因此在日常工作中我们对重载铁路机车的同步操控系统提出了很高的要求，而这也就是本次研究开展的根本原因。

综上所述，现阶段重载铁路运输技术是世界公认的铁路货运发展趋势，凭借加长重载机车的列车编组与在重载机车间开展多机车同步牵引这两种形式，实现了重载铁路机车同步操控技术的快速进步，并拉动了铁路运输载能的有效提升，但多机车编组也对各机车间的同步性要求极高，对此同步操控技术的研究也就显得非常重要了。

1 重载铁路运输发展状况

重载铁路运输作为当今中国的一项重要运输组织模式，鉴于该模式运量大且成本低等多项优点，已经成为我国铁路运输的一项重要工作内容。伴随电子、通讯及计算机信息技术的不断迭代和更新，重载铁路机车运输技术及相关的设备水平也在不断的发展和升级。在历经一段时期的发展后，重载铁路运输这一模式也在不断被完善和提升，该模式的成本也伴随技术的革新而逐步压缩，在产能不断加大的前提下，经济效益日益提高。

中国的重载铁路机车运输发展，我们最大程度的学习和借鉴了世界各国已有的经验及技术，再通过充分融合中国的实际国情及自然条件，在融会贯通各国现有的同步操控系统基础上进行了自主创新，研发了很多符合我国铁路重载机车实际运用情况的同步操控系统，并在重载机车同步操控系统的研究上还在不断探索。虽然相对西方国家，中国的重载铁路机车运输技术起步较晚，但伴随这些年的不断发展，我们已经在该领域实现了追赶超越并获得了不错的实效。下面本文将从国内几条著名的重载铁路出发，来具体分析这几条线路的同步操控系统应有：

大秦铁路与朔黄铁路作为现阶段国内顶级的重载铁路线路，现在还在持续的使用与完善。笔者总结了我国主要的重载铁路运输情况，并汇总成了表1。

表1 我国主重载铁路运输情况明细表

①大秦铁路。

大秦铁路作为我国首条双线电气化重载铁路机车煤矿运输专线，其总长度现达653km，自上世纪90年代初开通以来，就被定位成了万吨以上的重载铁路列车专线。这几年，根据实际的使用状况，该线路进行了大规模的扩能改造升级，在2005年时大秦铁路的运载量就达到了2亿吨，经过改进又在2010年跨越了4亿吨的关口，并在之后不断优化升级，持续提升自身运载量。由于大秦铁路贯穿多个山区，线路曲折隧道较多，因此运用了美国GE公司研发的Locotrol系统来完成线路内的重载铁路机车同步操控，Locotrol系统能够通过GSM-R网络与800MHz无线电台搭配来在重载铁路机车中搭建一个无线数据传导网络。

②朔黄重载铁路。

朔黄重载铁路也是一条我国的经典重载铁路机车线路，其全长为598公里，整条线路以运行轴重25吨以上的重载机车为主。朔黄重载铁路自2012年投产以来，经过十年的发展，目前已经能够承载轴重40吨以上的重载铁路机车安全运行，计划将年运输能力提升到4亿吨以上，凭借新锐的LTE卫星传输技术技术，目前该线路已达成对重载组合列车的无线重连、集群调度通讯及无线调度指令下达等业务日常开展。

③瓦日铁路。

瓦日铁路在国内又常常被称作山西中南部铁路通道，该铁路线路为贯穿了晋、鲁、豫三省的出海煤矿通道，总计长度为1260km，开通于2014年末，是全球首条轴重按照30t的重载铁路标准修建的现代化铁路，其设计时速达到了120km，全线采用电力牵引技术ECP系统进行同步操控，年运载量可达到2亿吨，该铁路的设计牵引质量为5千吨至1万吨。

④蒙西至华中地区铁路运煤通道。

蒙西至华中地区铁路运煤通道全长为1816km，是我国实施“北煤南运”宏观调控的战略运输通路，该铁路网的设计运输能力达2亿吨，在开通初期实际运输能力达到了1亿吨。作为运用ECP系统展开同步操控的电牵引技术的铁路，该道路牵引质量为5千吨与1万吨两种类型，其重载机车的轴重是25吨。

2 重载铁路机车同步操控系统

在重载铁路机车同步操控系统的选择上，一定要考虑为以下两点：一是需消减与规避机车的纵向冲力，尤其是针对在重载机车的制动过程中产生的纵向冲动，要最大化的削减其间的车钩力；二是要合理的优化重载机车的再充风时长，以保障重载机车的再制动条件。想要解决这两点问题，就需要一个完善的同步操控系统。现在全球用于重载铁路机车同步操控的系统主要有两种，即（Locotrol）机车无限动力分布控制技术与（ECP）电控空气制动技术。

2.1 Locotrol系统——机车无限动力分布控制系统

机车无限动力分布控制简单而言就是将各个重载机车分散安排在重载机车组的科学位置中，凭借无线电通讯控制系统来同步操控多台机车，以达到协调整体运输的最终目的，令操控人员在主控机车上，就能够通过系统实现整列列车的操控。在原理上这种模式就是把长大型的重载机车分解为多个小编制的重载机车组，通过这种方式来削弱机车间的车钩力，并通过在每台机车上都配置从控装置来进行空气制动，从而实现重载铁路机车的整体制动性能升级。因为制动及缓解在实际中是由多台分散布置的机车来协调控制的，所以凭借这种模式能够在很大程度上提升长大重载列车的制动及缓解性能，提高重载机车的整体运输安全性。

locotrol系统的核心就是实现机车的遥控，该系统的主控机车能够凭借无线通讯来遥控一个重载铁路机车组内的每台从控机车，以达成重载铁路机车整体的同步牵引、制动与缓解，帮助重载铁路机车组宏观科学的实现动力分配从而更好的调控机车的制动，Locotrol系统的引入可以帮助重载铁路机车更好更快的控制制动波及缓解波，最优的达成机车组内各项功能的同步操控。

Locctrol系统的最大特点就是能够为操控者提供两种重载机车组的控制方式：其一就是同步控制方式，控制者可以在主控机车内控制从控机车，在这种模式内主控机车与从控机车根据同一牵引及动力制动命令来设置及运行；其二独立运转模式，在该模式内重载铁路机车的主控机车与从控制机车能够依照不同的牵引及动力制动状态来设置及运行，如此就能够达成机车分开布置制动及充风的效果，很好的压缩充风时间及制动距离，有效的消减列车间的内力，令控制者更便捷的展开列车的控制，从而确保重载机车的运行安全及效率。

本系统的核心优势主要有以下几点：

①更合理的配置动力，达成制动目标，可以凭借增加重载机车的总长来加大牵引力，并同时优化各个机车间的内部受力；

②在重载机车运行至坡度区域时，能够削弱车钩受力，并且还无需人工驾驶补机；

③加速及减速更快捷，令重载铁路机车的运载效能实现大幅度增长，于缩短重载机车间距的基础上压缩了循环周期，令重载机车的制动距离缩短了30%以上，停车时长缩短了20%以上；

④牵引效率得到大幅度提高，滚动阻力削弱，合理的优化了重载机车燃油的消耗（至少节省五个百分点），对于机车及铁路的各项损耗也有效降低。

2.2 ECP系统——电控空气制动系统

ECP系统主要由三大版块组成，即机车控制单元、车辆控制单元及列车网络单元这三大版块，重载机车的控制通讯凭借机车内部的有线通讯系统进行传导，令每节机车都能够最优的实现重载机车的同步制动及缓解，最终完美的消减机车间的纵向力。ECP系统的具体结构如图1所示。

图1 ECP系统的结构示意图

ECP这一制动系统特别适用于长大编组的单元铁路机车，其能够很好的优化机车的制动及缓解历程，合理削减机车的纵向力问题，更好的帮助重载机车达成再制动，优化提升重载铁路机车的整体性能，相较于传统的空气制动有着特别显著的优势。具体该系统的特征优势如下：①于编组的铁路机车内，主控机车发出数控指令，此指令凭借数据通讯的模式，来控制各机车上配置的ECP装置，在相关设备接收到数控指令之后，就会控制副风缸将自身压缩的空气注入到制动缸；②联通整个重载机车的双芯电缆为ECP系统的数据主通信渠道，同时重载机车自身的电力总线也可以帮助ECP系统内的各项装置提供电能；③运用ECP系统能够令每辆机车实现同步操控，主控机车下达的制动命令能够同时达成全列车的制动与缓解，并且系统的各项配件还能够宏观的对故障异常的情况快速做出判断和响应。

ECP系统将网络技术应用在了重载机车铁道运输领域，达到了电控制动的效果。ECP凭借微型芯片技术操控把控制指令凭借传导系统下达到各个从控机车的相关装置之上，操控副风缸中的压缩空气抵达制动缸完成充风，从而实现重载机车的制动，在ECP系统内空气波不再作为控制指令传输媒介，但还是担任着制动的主要动力。由于ECP系统的电控制动模式是直通式的，在制动命令下达时机车的副风缸就会直接向制动缸内充风，这样机车中的列车管就不会减压，可以更好的减小机车制动过程中的压缩空气消耗。ECP系统不仅能够达成重载机车阶段制动及缓解，在整个的重载机车的制动过程内还能够不间断的往副风缸内充风，这样就能够依照实时的重载机车来宏观科学的控制机车的整体制动力，更轻松的实现重载机车的同步操控和速度调节。

所以电动制控相较于传统的空气制控而言，能够更好的达成重载机车运行过程中各个机车的同步制动及同步缓解，能够更高品质的提升列车的制动及缓解波速，更加合理的削弱了各个机间的车钩力副作用，将车钩断裂的发生概率降到了最低。

2.3 Locotrol系统与ECP系统对比

在实际重载铁路机车同步操控过程内实践当中，因为系统架构、系统应用、承载业务这三大方面的差异化，这三项的相关性能指标也会有所差异，Locotrol系统与EGP系统这两种同步操控系统在实施同步操控时也对这三项数据的应用各有侧重，比如就对数据的传输速率需求上，特别能够彰显无线通技术的发展对同步操控系统性能的影响。由于具体的Locotrol系统与ECP系统的运用选择是要依照现实需求的，是需要从实际情况及预期来设定的，因此对比Locotrol系统与ECP系统明确二者性能上的差异，比较二者不同系统的特性。

Locotrol系统相较于ECP系统最显著的差异就是Locotrol系统是凭借无线传输同步操控指令来实现重载铁路机车同步控制的，如此一来就需要牵引力分布在机车的各个位置，相较EPC系统来说具备以下几点优势：一是该系统的架构更为简洁，整体的机车控制系统都可以布置在机车内部，对重载铁路机车的改造工作量较小，改造升级成本比较低廉，且升级较快捷方便；二是Locotrol系统更便于铁路运输的组织，由于列车不需要无线网络便能够达成同步操控，这样就可以依照各自的目的地来对重载铁路机车展开解编；三是Locotrol系统管理起来更方便且维护起来更便捷，非常符合我国当下的铁路运输实际，能够更快更好的在全线铁路重载机车运行中推广落实。

3 运用实例

重载铁路机车需要多台机车同步牵引，因此机车间同步操控是确保机车安全、高效运载的先决条件，要达成机车间的同步操控需依托于实时通讯技术，于主、从控机车间快速准确的传达控制指令。重载铁路机车同步操控系统作为控制命令的传导系统，采用Locotrol系统凭借无线通讯进行控制命令传达，运用GSM-R网络配合800MHz无线电台这种当代常用的无线数据通讯手段，已经广泛应用在我国重载机车同步操控系统中传递同步控制信息，随着LTE卫星技术的发展，其优势也逐渐凸显，所以LTE卫星传输技术也将逐渐在铁路应用中广泛应用。

3.1 大秦铁路

针对大秦线这种沿线多为山区、隧道的线路，特别是在隧道群情况中，不仅有长大隧道还有多个相邻的短隧道群，常常会发生一列机车处于不同隧道内的情况，这就会导致发射电台与接收电台不在同一隧道内的情况发生，而在这时候无线数据的传输效果就会非常的差。所以，依照大秦铁路的这一实际情况，该线路采取了给重载机车上安装800MHz无线数据传输系统的方式，来结合Locotrol系统实现主从控机车间同步操控命令的传送。因为重载铁路机车组有时会出现重载线或空载线的状态，所以在实际运用时的同频直放站内该线路也配备了多个工作频率，以便确保数据信号传输的稳定性及安全性。

3.2 朔黄铁路

朔黄铁路身为中国“西煤东运”核心铁路线路，对中国的煤炭运输有着非常重要的意义。目前朔黄铁路采用800MHz+400kHz无线电台作为同步操控数据的传输系统，虽然800MHz安全性及稳定性较高，但这种方式的数据传输量较小，通讯距离的问题还有待解决，为了实现朔黄铁路开行2万吨列车，我国在实际的Locotrol同步操控系统中尝试运用了LTE网络来满足万吨重载机车的同步操控数据传输的需求。

4 结论

综上所述，本次研究对重载铁路机车的同步操控系统有了一定的研究，也对Locotrol系统与EGP系统这两类同步操控系统的特性展开了讨论和研究，针对本次研究的这两类重载铁路机车同步操控系统来看，重载铁路机车同步操控系统的延时大体出现在两个方面，一是主控机车下达指令给从控机车的过程内的通讯数据延时，二是制动指令于列车管内凭借制动波模式的传达给各个从控机车的延时。所以，把通讯的延时与制动波于列车管的传导延时结合起来，解析重载铁路机车的同步操控就很有必要。而鉴于我国现阶段重载铁路网络实际情况，并结合我国当下的技术经济现状而言，目前中国铁路在重载铁路机车同步操控系统上，还是大面积采用Locotrol技术控制较为适宜。