几内亚西芒杜矿山铁路组合列车同步操控技术的应用研究

周智勇

ZHOU Zhi-yong

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 国际事业部，湖北 武汉 430063）

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

几内亚西芒杜矿山铁路组合列车同步操控技术的应用研究

周智勇

ZHOU Zhi-yong

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 国际事业部，湖北 武汉 430063）

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

铁路开行组合列车是提高铁路输送能力的发展趋势。通过对几内亚西芒杜矿山铁路组合列车同步操控设计的应用研究，针对组合列车同步控制通信方案、组合列车牵引操控工况进行研究，采用组合列车的起动校验和持续速度仿真计算，对基于 LOCOTROL 系统和 ECP 制动系统的组合列车进行验证，仿真计算结果表明符合组合列车的运行要求，可以有效解决组合列车的机车同步操控和组合列车的同步制动问题。

组合列车；同步操纵技术；LOCOTROL 系统；ECP 制动系统

几内亚西芒杜矿山铁路起于福雷卡里亚省莫莱巴亚河入海口，终点为贝拉省的西芒杜矿山，线路全长 643 km，主要承担西芒杜矿山的铁矿石运输至莫莱巴亚港口，预计年运量为 1 亿 t。经过初步研究，该线路为单线铁路，采用内燃机车牵引、40 t 轴重的车辆，列车牵引质量达到 3.8 万 t，组合列车编组由 6 台内燃机车和 240 辆车辆组成，编组形式为 2 台机车 +120 辆车辆 +2 台机车 +120 辆车辆 +2 台机车，列车总长度约 2 823 m。借鉴大秦铁路成功的运营经验，通过与阿尔斯通 (ALSTOM)、美国通用 (GE) 等公司开展技术合作，对西芒杜矿山铁路组合列车的同步操控技术进行研究。

1　西芒杜矿山铁路组合列车通信方案分析

1.1概述

为实现西芒杜矿山铁路组合列车同步操控，需要解决机车单元之间的重联通信问题。目前，解决重联通信有 2 种方式：一种方式是通过无线通信方式传输机车操控指令；另一种方式是通过有线通信方式传输机车操控指令。其中，机车重联无线通信可以采用 2 种方式：①通过车载通信电台采用点对点的通信方式，由主控机车向从控机车传送机车操控指令数据[1]；②组建移动通信网，通过移动通信通道传送机车操控指令数据[2]。

机车重联有线通信方式起源于美国的电控空气制动系统 (Electrically Controlled Pneumatic Brake System，以下简称“ECP制动系统”)。ECP 制动系统由机车 ECP 单元、车辆ECP 单元、列尾 ECP 单元、电源系统、列车总线及连接装置等构成，主控机车的操控指令通过列车总线 (Intra Train Communications， ITC) 传送至组合列车的每台从控机车及每节车辆，从而实现组合列车的同步制动或缓解[3]。

西芒杜矿山铁路组合列车编组的 6 台机车分为 3 组机车单元，每个单元有 2 台机车，每台机车均装配有机车同步操控系统 (LOCOTROL 系统)。LOCOTROL 系统由动力分散控制系统 (Distributed Power，DP)、CCB II 制动机、ECP 制动系统[4]等组成。机车 LOCOTROL 系统结构示意图如图1 所示。

西芒杜矿山铁路组合列车同步操控指令采用 ITC 作为主用通信通道，采用移动通信网数据传输系统作为备用通信通道。

图1　机车 LOCOTROL 系统结构示意图

1.2西芒杜矿山铁路无线通信系统

西芒杜矿山铁路无线通信系统采用泛欧集群无线通信技术 (Trans-European Trunked Radio，TETRA)，是基于时多分址技术 (Time Devision Multiple Access，TDMA) 的无线通信系统。TETRA支持的用户终端业务包括：单呼 (点对点)、组呼 (点对多点)、应答组呼、广播呼叫 (单向点对多点)，以及上述各种情况的明话或密话。TETRA 支持的承载业务包括：分组数据、电路数据。另外，TETRA 无线通信系统在欧洲还被广泛应用于铁路无线通信组网。

西芒杜矿山铁路的 TETRA 无线通信系统由无线数字语音系统和无线数据传输系统组成，如图2所示。无线通信频率优先采用 380 M～400 MHz 和410 M～430 MHz 频段，移动控制中心 (Main System Control Node，MSCN) 设于莫莱巴亚港口站，备用移动控制中心 (Redundant System Control Node，RSCN) 设于法拉那站[5]。

1.3西芒杜矿山铁路组合列车通信方案

西芒杜矿山铁路组合列车编组长度 2 823 km，6台机车分别位于列车的头部、中部和尾部。为提高通信的可靠性，保证列车运行安全，设计采用有线通信方式，即列车通信总线作为主用通信通道，用于传输机车同步操控指令和列车制动或缓解指令。TETRA 无线数据传输网作为备用通信通道，当主用通信通道出现故障时，机车同步操控指令通过无线数据传输网进行传送。

图2　无线数字语音系统及无线数据传输系统结构图

（1）组合列车有线通信。列车通信总线为 1 根双股直径为 8 mm 的电缆，纵贯组合列车的 6 台机车和 240 辆货车。机车 LOCOTROL 系统和车辆 ECP 控制单元均通过网络收发器挂接在通信总线上。通过该总线电缆，形成机车与机车之间、机车与车辆之间的双向数据交换通道，并由机车向车辆ECP 控制单元提供 DC230V 电源。组合列车有线通信系统结构如图3 所示。主控机车发出的机车同步操控指令、列车制动指令、列车缓解指令等数据通过 ITC 总线同步传送给从控机车的 LOCOTROL 系统及车辆 ECP 控制单元，实现主控机车与从控机车的同步操控、组合列车的同步制动、同步缓解、再制动、阶段缓解等动作。在 ECP 制动模式下，列车管仅为供风管，不再通过减压产生制动指令信号或者通过充风产生缓解指令信号。

图3　组合列车有线通信系统结构图

（2）组合列车无线通信。采用无线通信方式时，主控机车的同步操控指令通过 TETRA 无线数据传输网传送给同一列车的其他从控机车，实现主控机车与从控机车的同步操控，组合列车无线通信系统结构图如图4 所示。无线通信方式作为备用方案，仅在 ITC 总线数据通道出现故障时启用。此时，车辆的制动或者缓解将通过列车管的减压或者充风产生相应的指令信号。

图4　组合列车无线通信系统结构图

2　组合列车牵引操纵工况分析

西芒杜矿山铁路配属的机车装配有自动驾驶辅助软件，组合列车在运行过程中，主控机车根据实时检测到的列车位置、预存的线路数据，以及行车调度命令自主生成机车操纵指令，通过列车总线传递给从控机车，实现列车同步操纵。当司机发出人工干预操纵指令时，机车切换到人工驾驶模式，司机操纵指令同样会通过列车总线由主控机车发送至从控机车。当机车工作于牵引工况时，车钩受到拉力；当机车工作于制动工况时，车钩受到压力；当列车通过线路变坡点时，3 组机车单元分别工作于不同的运行工况。为确保组合列车安全运行，无论车钩受到拉力或者压力，均不应超过车钩和缓冲器的承受范围。

2.1牵引工况

当主控机车与从控机车均工作在牵引工况时，主控机车单元的车钩对列车的作用力为拉力，列车中部从控机车单元的车钩对车辆单元 1 的作用力为推力，对车辆单元 2 的作用力为拉力，尾部从控机车单元对车辆单元 2 的作用力为推力，牵引工况车钩受力情况示意图如图5 所示。在 LOCOTROL 系统的控制下，主控机车与从控机车的同步动作保证了动力分配均衡，车钩作用力较动力集中方式有明显改善，机车的牵引能力得以充分利用，列车运行平稳[6]。

图5　牵引工况车钩受力情况示意图

2.2制动工况

当列车运行在长大下坡或者需要停车时，列车进行常用制动；在紧急停车时需要进行紧急制动。组合列车配置 LOCOTROL 系统和 ECP 制动系统后，主控机车发出的列车制动指令通过 ITC 总线传送给从控机车及各车辆 ECP 控制单元，指令传输时间可以忽略不计，组合列车基本实现同步制动。从理论上来讲，在平直线路上进行制动时，在制动缸响应制动指令时车钩受到冲击力之外，列车车钩不再受到挤压力。

在实际运用中，列车管压力、制动缸升压特性、初始车钩间隙、线路坡度、曲线半径、机车在组合列车中的位置等因素均会对车钩受力的形成及车钩力分布产生影响，导致车钩力在列车不同的位置会有所不同。以列车管存在压力梯度为例，在列车管存在泄漏的情况下，不同压力梯度条件下的最大车钩力沿列车长度方向的分布特性如图6 所示[7]。

图6　不同列车管压力梯度下车钩力分布特性示意图

在制动工况下，列车车钩力为冲击力和挤压力。当压力梯度为 0% 时，列车车钩力很小。当压力梯度越大时，车钩力明显增大，最大车钩力出现在列车中部。

2.3列车通过变坡点的机车运行工况

列车通过变坡点时，3 组机车单元将分别工作在不同的运行工况下。当列车从上坡运行至下坡时，主控机车单元将由牵引工况改为制动工况，中部从控机车单元在变坡点附近处于惰行工况或降功运行，尾部从控机车单元工作在牵引工况；当列车从下坡运行至上坡时，主控机车单元和尾部从控机车单元的运行工况与前述相反。列车通过变坡点时机车运行工况示意图如图7 所示。当线路条件已经确定时，计算机辅助驾驶技术与 LOCOTROL 技术的联合使用，既能改善车钩受力条件，增加列车运行的安全性，还能节约能源。

3　西芒杜矿山铁路组合列车运行仿真计算

几内亚西芒杜矿山铁路线路长 643 km，重车方向限制坡度 8‰，轻车方向限制坡度 18‰，沿线共设车站 15 座；线路在港口站海拔高度约为 0 m，矿山站海拔高度约 675 m。重车方向为矿山站至港口站方向，有8‰ 的上坡，也有 18‰ 的下坡，是组合列车运行仿真计算的重点。仿真主要对组合列车起动校验、列车持续速度分别进行计算。

3.1起动校验

列车起动校验仿真计算模拟组合列车在满载的情况下，以 5 km/h 的低速从矿山站运行至港口站，来验证组合列车因故停车后，粘着系数及机车牵引力能否满足机车重新起动并顺利通过限制坡度段的线路。从起动校验仿真计算曲线可以看出，在里程DK388+100 处机车牵引力最大，为 505 kN，粘着系数为 0.27，其他线路位置均小于该值，列车起动校验曲线如图8 所示。仿真计算结果表明，组合列车因意外停车后，在机车车辆没有故障的情况下，列车在任意里程均可重新起动后正常运行[8]。

图8　列车起动校验曲线

3.2持续速度仿真计算

组合列车持续速度仿真计算分 2 种情况进行：一种情况是全线不停车，另一种情况是站站停。该线重车限速 80 km/h，最小曲线半径一般情况下为 800 m，特别困难时采用 500 m。仿真计算结果表明，组合列车在重车方向最低运行速度为 25 km/h，高于机车的最低持续速度，在最大限坡情况下满足机车恒功运行工况；最高速度满足限速 80 km/h 要求，列车制动工况符合设计要求[8]。列车持续速度仿真计算曲线如图9 所示。

图9　列车持续速度仿真计算曲线

4　结束语

几内亚西芒杜矿山铁路通过开行组合列车的方式，可以满足 1 亿 t年运量的设计需求，显著提高了线路运输能力，又降低了工程投资，是铁路工程建设最经济的方式之一。采用 LOCOTROL 系统和ECP 制动系统，通过列车总线采用有线方式传送同步操控指令，或者通过无线数据传输网络采用无线通信方式传送同步操控指令，可以有效解决组合列车的机车同步操控和组合列车的同步制动问题。

[1] 耿志修. 大秦线开行 20 kt 级重载组合列车系统集成与创新[J]. 中国工程科学，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 钢. 大秦线 GSM-R 系统构成与功能[J]. 中国铁路，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 技术发展及技术研发探讨[J]. 铁道机车车辆，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] 美国 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]. 武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，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]. 武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2016.

[7] 王 强. 重载列车 ECP 制动策略研究[D]. 大连：大连交通大学，2013. WANG Qiang. Study on ECP Braking Strategy of Heavy Haul Train[D]. Dalian：Dalian Jiaotong University，2013.

[8] 美国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.

责任编辑：赵 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

英国力拓集团(Rio Tinto Group) 研究项目 (BK：21323109.3)