CTCS-2级车载ATP设备应用于普速列车机车的关键技术研究

高建强

目前，在我国CTCS-2级客运专线中运营的动车组，均安装有满足欧洲SIL4级安全完整性要求的车载ATP设备，有效地保证了动车组安全高效地运行。但目前广泛使用的普速客、货牵引机车由于没有装备ATP设备，其监控列车运行的安全防护等级低于CTCS-2级列控系统。为保证行车安全，在200～250 km/h客、货共线铁路上，目前只能采用普速客、货列车与动车组分时段运行的行车组织方式。若能在普速客、货机车上也安装ATP设备，将极大地提高铁路的运输能力和行车组织的灵活性。

根据机车的特点，探讨应用于机车的ATP设备安全结构，并论述牵引计算、长大下坡道制动控制等关键技术。

1 ATP设备安全结构

ATP设备属于安全设备，为到达其安全性、可靠性、可用性和可维护性的要求，均采用冗余结构，且大多采用二乘二取二的结构设计，内层是2个互相校核的单元模块组成一系，只有该系的2个单元模块都工作正常，且相互比较一致时才能正常输出，即进行二取二安全比较，相当于是逻辑“与”的关系。外层采用相同的两系构成互为备用的结构，即实现二乘二冗余，相当于逻辑“或”的关系。当检测到某系故障时，自动将其隔离，单系工作仍可以保证列车继续正常运行。

ATP车载设备冗余结构如图1所示，每一系VC都有2个CPU，进行安全比较。VC1、VC2的紧急制动和常用制动命令通过逻辑安全接口(LSI)转换成安全的动态脉冲信号输出。VC单元正常工作时，输出动态脉冲信号;当VC单元出现任何故障或整个系统的电源出现故障时，动态脉冲信号停止输出，保障了制动接口的安全性。

图1 车载ATP设备安全冗余结构

2 关键技术

车载ATP设备的安全冗余结构是保障行车安全的重要技术措施，机车牵引列车的控车方式和数学模型与动车组差别较大，其牵引计算和长大下坡道制动控制是保证行车安全的关键控制技术。

2.1 牵引计算模型

车载ATP设备根据不同速度、不同坡度下的制动距离计算控车模式曲线，因此，列车的制动距离是ATP计算模式曲线的关键参数。动车组是根据动车组减速度特性曲线，而普速机车牵引列车的制动距离则与牵引的车辆类型和数量有关。

根据《列车牵引计算规程》规定，列车制动距离计算公式为:

其中:Sk为空走时间，Se为有效制动距离，《牵规》中定义了从初速度v1制动到速度v2的制动距离的计算公式。

其中，φh换算摩擦系数，ϑh列车换算制动率，βc常用制动换算系数，ωc列车单位基本阻力，ij制动地段的加算坡度千分数。

对于参数φh，ωc和ij，《牵规》中都已做了明确的规定，这里仅讨论列车换算制动率的取值。

比较保守的做法是把现阶段正常运用状态的列车能够达到的列车换算制动率最低值作为ϑh通用值，例如使用高摩合成闸瓦的列车换算制动率为0.18。该参数是根据下列假设条件计算而得:①使用高摩闸瓦、标记载重61 t及其以上的货车，每辆车总重按83 t计算;②当列车管压力位500 kPa时，重车位每辆车的换算闸瓦压力为160 kN;③考虑6%的“关门车”。

则列车换算制动率为:

虽然该参数能够确保列车运营组织的安全性，但对于制动性能较好的列车来说，却牺牲了运行效率。由于公式(3)中160 kN为《铁路技术管理规程》中规定的最不利情况下的换算闸瓦压力，对于制动性能好的列车，实际的换算闸瓦压力要大于160 kN，因此实际的列车换算制动率要大于0.18，实际有效制动距离要比根据公式(2)计算的短。同时，公式(3)没有考虑机车的制动力，以及每辆车的实际总重。

为了在保证列车行车安全的前提下，最大限度地接近列车的实际制动性能，ATP车载设备根据《牵规》中列车换算制动率的计算公式，考虑6%的关门车，采用以下公式:

其中，KG为机车换算闸瓦压力，Σ KP为车辆总换算闸瓦压力，G为机车重量，Σ P为车辆总重，9.81为重力加速度。

例如，采用高摩合成闸瓦、SS4机车、牵引标重50 t及其以上货车，重车位的每辆车换算闸瓦压力为250 kN，每辆车总重按83 t计算、牵引40辆，并考虑6%的“关门车”、坡度为0，列车换算制动率分别采用公式 (3)计算的通用值和公式 (4)计算的改进值，计算出从不同速度下制动停车的有效制动距离如表1所示。

表1 列车换算制动率通用值和改进值下有效制动距离对比

从表1可以看出，采用改进后的列车换算制动率后，能够使制动距离更加贴近列车实际的制动性能，从而对于提升列车的运输效率，更加合理安排列车运行图提供了理论基础。

2.2 长大下坡道控制模型

《铁路技术管理规程》中规定长大下坡道为下列情况之一:①线路坡度超过6‰，长度为8 km及以上;②线路坡度超过12‰，长度为5km及以上;③线路坡度超过20‰，长度在2 km及以上。

机车牵引列车在长大下坡道上运行时，为了保证运行速度不超过规定速度，车载设备需要使用空气制动进行周期性的调速，即制动、缓解、再制动、再缓解……，直到驶出长大下坡道。周期制动时，在每次制动前，车辆制动机的副风缸空气压力应当恢复到规定压力 (可以比列车管定压低20 kPa)，恢复到规定压力的时间称为充风时间tc，充风时间与牵引辆数和减压量有关。列车管定压500 kPa的货物列车输出120 kPa减压量的副风缸充风时间tc如表2所示。

列车缓解后到再制动的时间称为增速时间tz，这段时间应满足充风时间的要求。

长大下坡道下缓解速度中增速时间与充风时间的关系如图2所示。

表2 牵引不同辆数下副风缸充风时间

图2 长大下坡道下缓解速度中增速时间与充风时间的关系

重力加速度g所产生的加速力为其自身的重力，即单位加速力为1kN/kN。若列车上有1N/kN的单位合力，则加速度为g/1000。当单位合力为c N/kN时，加速度为

当列车具有回转质量时，不仅平移加速度需要消耗加速力，而且与平移加速度成正比的回转加速度也需要消耗加速力。在同样的单位合力作用下，列车的实际平移运动加速度a实必然小于a'。令:

其中，γ为回转质量系数，当列车类别为旅客列车或重货物列车时，列车的回转系数一般按0.06计算，则列车的实际平移加速度为:

列车在长大下坡道上运行时，只有坡道阻力和基本阻力，因此列车在长大下坡道上运行时的合力为ωc+ij，列车的实际平移加速度为:

列车单位基本阻力ωc为滚动轴承货物列车的基本阻力，为简化计算，按平均单位基本阻力为1.3计算。

当ATP接收到含【ETCS-21】包 (线路坡度包)的应答器信息后，根据该坡度信息，判断列车处于长大下坡道区段时，首先命令列车切除牵引、施加制动之后，ATP以当前列车速度为基准速度，不断根据长大下坡道时的实际平移加速度a实计算充风时间tc后的速度v1，当v1小于等于最大常用制动曲线时的列车速度即为缓解速度，如图3所示。此时，车载ATP可以缓解制动，使车辆制动机的副风缸充风恢复到规定压力，以便进行再一次制动，在ATP缓解制动期间，保证列车速度不超过ATP制动曲线。

图3 ATP列控车载设备计算缓解速度方法

车载ATP设备只有在完全监控模式下能够获得前方线路坡度信息时，才能进行长大下坡道制动控制，而在部分监控模式下，由于无法获得前方坡度信息，因此，不能进行长大下坡道制动控制，此时，应由司机保证长大下坡道的行车安全。

通过使用在长大下坡道上车载ATP自动控制技术，减轻了司机操作压力，提高了长大下坡道的安全性。

3 结论

随着我国200～250 km/h客运专线和客、货共线铁路的建设与开通，CTCS-2级列控系统在整个铁路运输网中发挥着越来越大的作用。

在机车上安装列控车载设备，可充分利用CTCS-2级列控系统地面设备，极大地提高普速列车运行的安全防护等级，实现与动车组混合运行，使我国铁路的运输安全和运输效率再上新台阶，同时也有利于我国铁路“走出去”战略的实施。

［1］ 中华人民共和国铁道部.铁路技术管理规程［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］ TB/T 1407－1998.列车牵引计算规程.中华人民共和国铁道部.

［3］ 孙中央.列车牵引计算实用教程［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

(责任编辑:温志红)