列尾裝置在大準重載鐵路線的開通與應用

吳學科

摘要：文章根據(jù)大準鐵路開行萬噸重載列車的需求，客觀分析了該線列尾設備狀況，提出了采用400MHZ+400KHZ雙信道雙向數(shù)傳列尾的方案。通過試驗和多年的運用，證明了該方案可靠方便、節(jié)約成本，對同類情況有一定的借鑒作用，同時結合實際運用，提出了部分改進意見與建義。

關鍵詞：列尾裝置；感應通信；盲區(qū)；電磁波；蓄電池

中圖分類號：U298文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）15-0053-04

1概況

大準鐵路東起大同燕莊站，西至內(nèi)蒙古準格爾旗薛家灣鎮(zhèn)，全長264公里單線電氣化鐵路。該線地形地貌復雜、彎道多，從點岱溝至二道河段隧道密集。因此，在20世紀90年代初期建線時，無線列調(diào)系統(tǒng)選用了400kHZ感應通信制式，2000年后相繼配備了單信道400kHZ列尾裝置（2000型單向數(shù)傳），當時為節(jié)約成本，在機車上列尾不單設電臺，與無線列調(diào)機車電臺共用同一電臺。

隨著運輸任務的不斷增加，大準線既有運輸能力已遠遠不能滿足煤炭外運任務的要求，而重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國鐵路的廣泛重視，得到迅速發(fā)展，大準鐵路為了提高運輸能力，也開始著手策劃萬噸重載列車的開行工作，并于2004年開始對既有線進行了擴能改造，2006年3月份，擴能改造基本完成后，標志著我國又一條重載鐵路誕生了，開始了組織對萬噸重載列車的牽引試驗，與此同時，為了保障行車安全、通信暢通，對通信專業(yè)提出了較高的要求，尤其是對列尾裝置提出了更高、更嚴的要求，即列尾信息的傳遞能否滿足要求也成為試驗的一項重要內(nèi)容。

列尾裝置的全稱是列車尾部安全防護裝置，其主要功能有反饋列車尾風壓、尾部排風輔助列車制動、及時發(fā)現(xiàn)丟車和列車中間折角塞門關閉等。由于重載萬噸列車全長大約在1500米左右，傳輸距離遠，是一般列車的2倍，同時電力機車牽引電流大，干擾也大，還可能存在其它許多不確定因素，所以面臨我們的問題是列尾裝置能否滿足重載萬噸列車的需求，這就必須進行大量的分析與試驗。

2設備現(xiàn)狀與任務需求

第一，既有列尾裝置為400kHZ單信道列尾，從司機控制盒→列尾主機采用數(shù)字傳輸模式，從列尾主機→司機控制盒采用模擬傳輸模式，其可通率在95%以上。在當時能滿足使用需求，但對開行萬噸重載列車來說，能否滿足需求還是未知。

第二，原列尾在功能設計上存在不足。該機型不具備黑匣子數(shù)據(jù)記錄功能，不能還原操作過程；電池與列尾主機觸點存在瞬間掉電自動消號的現(xiàn)象；尾部反饋模擬語音，占用信道時間長，與車機聯(lián)控產(chǎn)生同頻干擾。

3對列尾設備要求

第一，需要采用雙向數(shù)傳列尾，以減少對無線列調(diào)的干擾，同時縮短占用信道時間；全線可通率不得低于95%，復雜地段不允許出現(xiàn)盲區(qū)。

第二，需要具備列尾“黑匣子”數(shù)據(jù)記錄功能，以便事后進行數(shù)據(jù)分析。

第三，列尾司機控制盒要有語音和數(shù)字顯示雙重提示，乘務員在查詢風壓失敗時，控制盒應具有自動重發(fā)功能，以減少司機的工作量。

第四，主機須增加瞬間掉電保護功能，在電池瞬間斷開時不消除“一對一”關系。

4方案選定

大準線地形復雜，山區(qū)隧道多，造成無線信號傳輸盲區(qū)多，要想在既有的條件下滿足生產(chǎn)運輸需求，首先必須確定無線信號使用哪種傳輸方式，其次是設備的選型。為此我進行了大量的資料查閱與實地調(diào)研，我們認為400MHz+400KHz雙信道方式發(fā)揮了兩個信道各自的特點，做到優(yōu)勢互補，能有效克服弱場區(qū)，列車首尾信息傳輸實時性強、可靠性高，具體分析如下：

4.1400KHZ感應通信的優(yōu)缺點

優(yōu)點：（1）場強分布是沿感應線（波導線）作鏈條狀分布，因此它幾乎不受環(huán)境中地形、地貌的影響；（2）設備簡單，工程總體造價低廉，在我國電氣化鐵路利用接觸網(wǎng)導線做感應線時，工程總造價每公里約為一萬元；（3）使用簡便，維修難度小。維修人員不需作長時間的專門培訓；

（4）使用頻率對外影響小，申請批準比較容易。

缺點（主要是以接觸網(wǎng)做為波導線時）：

（1）主要是頻率低，易受到其他電磁干擾。我們在大秦線了解到，德國西門子公生產(chǎn)的電力機車上就不能使用400K感應通信，由于機車自身產(chǎn)生相當大的電磁干擾，導致400K信道內(nèi)雜音大、無法傳輸信息。接觸網(wǎng)本身自帶強電磁場，利用接觸網(wǎng)傳送信息不確定性較大，如機車受電弓與接觸網(wǎng)接觸和斷開時將產(chǎn)生很強的電磁場、機車在行走時受電弓與接觸網(wǎng)瞬間跳躍式接觸產(chǎn)生電磁場、大功率用電器產(chǎn)生的電磁場等均會對400K感應通信產(chǎn)生干擾；（2）易受同頻干擾。有部分民航也使用400KHZ傳輸信息，將會產(chǎn)生同頻干擾，在大準線天成站附近就有一個航空用導航站，有時偶爾對無線列調(diào)、列尾裝置產(chǎn)生干擾，好再這種干擾發(fā)生的很少；（3）在沒有接觸網(wǎng)的股道造成盲區(qū)，需單獨架設波導線，投入成本大、施工和維護量大；（4）股道多的大站在遠離天線的股道上信號弱（一般是隔七、八股道時信號開始衰減嚴重），由于接觸網(wǎng)分流作用，一般在站內(nèi)每跨越一股道，信號衰減大約10dB左右，使得信號減弱；（5）傳輸距離有限。400K信號在接觸網(wǎng)波導線上每傳輸1公里，衰減3dB-4dB左右，一般電臺天線感應到接觸網(wǎng)上的信號強度在70dB左右，而接收時最低信號強度要求在30dB左右，理想狀態(tài)能傳輸10公里，但接觸網(wǎng)本身屬于帶電體，電磁干擾大，再加接觸網(wǎng)供電臂分相，實際傳輸距離只能達到3～7公里左右。

4.2400M信道傳輸優(yōu)缺點

優(yōu)點：400M無線通信是電磁波通過直接輻射，即空間傳播，將信息傳到對方。主要適用于近距離、地形寬闊、平原地帶。由于400M頻率高，所以不易受到其它用電器、電磁場的干擾，抗干擾能力強。

缺點：受地形地貌限制多，山區(qū)、隧道內(nèi)信號衰減大。

在2002年底，為了提高運輸效率，大準線貨物運輸列車能直接進行入大同國鐵線路，當時已將無線列調(diào)全部更換為400MHz+400KHz雙信道傳輸設備，在這次列尾方案實施中，列尾電臺與無線列調(diào)機車電臺仍然共用，能充分利用既有資源，減少了設備的重復購置與設備的維護量。不足之處是列尾與無線列調(diào)相互干擾、搶占信道，但在大準線目前是單線，車流量相對國鐵來說較少，完全能滿足實際需求。

綜合以上情況，利用400KHz信道將感應信號通過接觸網(wǎng)導線傳送到目的地，不受山區(qū)、隧道的影響，只要有接觸網(wǎng)的地方就有可能接收到信息，一般傳輸距離在3～7公里，中間不需要對信號進行中繼放大的優(yōu)點來填補400M易受山區(qū)、隧道等地理環(huán)境等影響傳輸距離的缺點，利用400M電臺是視距傳播輻射，平原地區(qū)傳輸效果好、抗干擾能力強、電路集成度高設備運行穩(wěn)定的優(yōu)點，來彌補400K在大站場內(nèi)接觸網(wǎng)分流使信號減弱、易受到其它用電器的電磁干擾的缺點，形成優(yōu)缺互補格局，充分利用各自的優(yōu)點實現(xiàn)列尾裝置全程覆蓋，最后確定先采用400M+400K雙信道雙向數(shù)傳列尾進行試驗，如果能夠滿足95%以上可通率要求，將是較經(jīng)濟和理想的方案。

經(jīng)過市場調(diào)研，與國內(nèi)相關列尾裝置生產(chǎn)廠家進行咨詢，我們最終選定西安鐵路科學研究所生產(chǎn)的2002型雙信道（400K+400M）雙向數(shù)傳列尾裝置進行試驗。

5試驗情況

5.1試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容主要有：（1）可通率；（2）“黑匣子”數(shù)據(jù)的存儲下載顯示打印等功能；（3）主機瞬間掉電保護功能。

5.2試驗步驟

先進行靜態(tài)試驗。前后距離1550米，主機在列車尾鉤正常連掛，牽引機車升弓，本務端操作司機控制盒查詢尾部風壓，記錄尾部信息返回情況。待站內(nèi)信號返回正常后再做上線動態(tài)牽引試驗。

5.3靜態(tài)試驗

在點岱溝車站進行的靜態(tài)試表明：（1）使用400KHZ單信道列尾可通率不足80%，不能滿足萬噸列車發(fā)車要求。原因分析為股道多造成分流嚴重，尾部400KHZ電臺發(fā)射場強不夠；（2）400MHZ與列調(diào)同頻干擾較大；（3）對“黑匣子”數(shù)據(jù)記錄功能試驗；（4）司機控制盒庫內(nèi)檢測試驗；（5）主機消號和掉電保護功能試驗。

5.4動態(tài)試驗

按照進出站和站內(nèi)各一次，隧道和彎道等重點區(qū)段多試的原則進行列尾動態(tài)試驗，其可通率均達到95%以上。

5.5試驗分析

雙信道雙向數(shù)傳列尾可通率達95%，完全滿足《維規(guī)》要求的90%以上的標準。與既有國鐵重載列車相比，采用400K+400M雙信道雙向數(shù)傳列車尾部裝置，在列車的中間不需要加裝中繼器，節(jié)省設備的投入，同時也節(jié)約人力資源，不足之處是重量要稍微大一些，一般一臺列尾主機大約在七八千克左右。

6開通運用情況

2006年3月29日10：00，大準線首列萬噸重載列車從點岱溝車站開出，5月17日20：10，湖東—點岱溝的首趟120節(jié)列車正式開行。經(jīng)過這幾年的使用和多次添乘檢查，以及對周邊鐵路列尾裝置運用的了解與比較，采用400K+400M雙信道雙向數(shù)傳列車尾部裝置，可通率高且不需要加裝中繼器。

6.1運行中列尾主機蓄電池電量不足

2006年大準線開行萬噸重載列車時，列尾主機電池采用12V 7AH鉛酸電池，其低溫特性不良，溫度在零下20℃左右，電池處于不工作狀態(tài)，在北方地區(qū)冬季，經(jīng)常發(fā)生列尾主機電量不足現(xiàn)象，影響行車，對于通信維護單位來說是一項最大的困擾。為此，在2008年開始通過調(diào)研以及查閱相關資料、實地試驗等，主要是容量加大、改變電池型號與類型等比選試驗。我們與電池廠共同對三種列尾蓄電池進行低溫（-20℃、-30℃）試驗，三種蓄電池分別為鉛酸7000mAH和8500mAH蓄電池、鎳鎘5500mAH蓄電池、鎳氫6000mAH蓄電池。由于大準線目前使的列尾主機在工作時電流一般在3A左右，故這次試驗放電電流選為2.75A，列尾主機在蓄電池電壓低于12V時，開始報警（電量不足報警）?，F(xiàn)將具體試驗結果匯總?cè)缦拢?/p>

6.1.1-20℃試驗

在常溫下分別對上述四塊電池進行充電，充足后在-20℃冷凍箱內(nèi)靜置6小時開始放電（放電時溫度一直保持-20℃），放電電流均為2.75A，放電截止電壓10.5V。

第一，7000mAH鉛酸蓄電池放電0.5分鐘后電壓降至12V以下，放電量24.7mAH，放電至10.5時共耗時50.8分鐘，放電總量為2328.4mAH，放電率33.3%。

第二，8500mAH鉛酸蓄電池放電0.5分鐘后電壓降至12V以下，放電量26.6mAH，放電至10.5V時共耗時82.1分鐘，放電總量為3762.8mAH，放電率44.3%。

第三，5500mAH鎳鎘蓄電池放電3分鐘后電壓降至12V以下，放電量139.3mAH，放電至10.5時共耗時88.6分鐘，放電總量為4060.7mAH，放電率73.8%。

第四，6000mAH鎳氫蓄電池放電57分鐘后電壓降至12V以下，放電量2619.2mAH，放電至10.5時共耗時98.8分鐘，放電總量為4532.9mAH，放電率75.5%。

6.1.2-30℃試驗

在常溫下仍對上述四塊電池進行充電，充足后在-30℃冷凍箱內(nèi)靜置5小時開始放電（放電時溫度一直保持-30℃），放電電流均為2.75A，放電截止電壓10.5V。

第一，7000mAH鉛酸蓄電池放電0.5分鐘后電壓降至12V以下，放電量24.2mAH，放電至10.5時共耗時35.8分鐘，放電總量為1643.0mAH，放電率23.5%。

第二，8500mAH鉛酸蓄電池放電0.5分鐘后電壓降至12V以下，放電量26.0mAH，放電至10.5V時共耗時60.9分鐘，放電總量為2794.2mAH，放電率32.9%。

第三，5500mAH鎳鎘蓄電池放電2.5分鐘后電壓降至12V以下，放電量116.1mAH，放電至10.5時共耗時79.7分鐘，放電總量為3655.7mAH，放電率66.5%。

第四，6000mAH鎳氫蓄電池放電5分鐘后電壓降至12V以下，放電量235.3mAH，放電至10.5時共耗時95.4分鐘，放電總量為4379.7mAH，放電率73%。

6.1.3價格

鎳氫充電器7500元/臺，原酸充電器5800元/臺；鎳氫蓄電池1100元/塊（使用壽命與質(zhì)保期為1年），鉛酸蓄電池540元/塊（使用壽命與質(zhì)保期0.5年）。

通過試驗數(shù)據(jù)比較，目前6000mAH鎳氫蓄電池較其它效果好，在冬季可減少列尾在中途電量不足現(xiàn)象發(fā)生。大準線現(xiàn)使用鉛酸蓄電池容量為7000mAH，經(jīng)與廠家聯(lián)系協(xié)商，鎳氫蓄電池容量也能做到7000mHA，不足之處是鎳氫蓄電池經(jīng)過-30℃、-20℃、+20℃、+35℃、+40℃放電試驗時，發(fā)現(xiàn)鎳氫蓄電池充滿電時端電壓偏高，只有在-20℃時電壓低于13.8V，其它幾次試驗中充滿電時蓄電池端電壓均為14V以上，可能影響列尾主機正常工作，經(jīng)與列尾主機生產(chǎn)廠家分析，其最高耐壓約18V。針對這種情況，我們先購買少量鎳氫蓄電池和相應充電器，在豐鎮(zhèn)電廠、岱海電廠、準能電廠運煤專列上進行小范圍試運行。經(jīng)過一段時間運行后，設備正常、穩(wěn)定，在2008年冬季開始大量購入鎳氫電池，并投入使用，至此大大減少了列車運行中途由于低溫而電量不足現(xiàn)象的發(fā)生。

6.2機殼、環(huán)天線損壞嚴重

機殼采用鋁質(zhì)材料，環(huán)天線最外保護層采用硬塑料，受碰撞后均易破碎或開裂，尤其是冬季氣溫低，更是雪上加霜。在當時，我們提出改變材質(zhì)或通過改變外形設計是否可行，從此開始，這個項目也成為了我們與生產(chǎn)廠家共同研究與探討的一個課題，與此同時，為了不影響行車，我們只能是加強維護和管理。一直到2010年，通過改變材質(zhì)，這個課題才得以解決，采用從美國進口的一種塑料，據(jù)說是制造頭盔使用的原材料，用此做機殼，在2011年冬季開始少量投入到大準線做強度試驗，經(jīng)過一個冬季到現(xiàn)在，該種材料制做的機殼還未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，在采用鋁質(zhì)材料時，平均每天有3至5臺列尾主機機殼損壞。我們與生產(chǎn)廠家計劃從今年開始，逐步對所有列尾主機的機殼、環(huán)天線保護層進行更新，同時隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，目前，各生產(chǎn)廠家的列尾裝置也進行了相應的升級，將列尾蓄電池改為7.2V低溫鋰電，體積較原列尾裝置小、重量也輕，電路集成度高，我們計劃在今年對列尾裝置全部進行更新。

近幾年來，列尾裝置在安全方面發(fā)揮了重要做用。其中在去年從點岱溝站發(fā)出萬噸重列至龍王渠站，當時機后8位車輛折角塞門關閉，途經(jīng)千分之十二下波道，司機進行制動時發(fā)現(xiàn)制動不良，立即利用列尾裝置進行輔助制動，列車才得以平穩(wěn)進站，否則后果不勘設想。在前幾年，還有列車在運行中途，及時發(fā)現(xiàn)區(qū)間丟車，避免了事故的發(fā)生，在車站發(fā)車時，利用列尾裝置發(fā)現(xiàn)過好多次折角塞門關閉事故，為保證重載列車行車安全發(fā)揮了重大作用。

7列尾裝置前景

我國列尾裝置在取消貨物列車守車時才列入研究計劃內(nèi)，大約在2000年左右開始小范圍的使用，在近幾年得到了快速的發(fā)展。剛起步時是采用單信道（400K或400M），從機車電臺到列尾裝置用數(shù)字信號傳輸指令，從列尾裝置至機車電臺用模擬信號反饋信息。在2005年左右開始采用雙向數(shù)傳方式傳輸信息，即機車電臺→列尾裝置、列尾裝置→機車電臺指令與信息傳輸均采用數(shù)字傳輸，大大提高了傳輸速度與可靠性。在近幾來，北京中鐵又研發(fā)出一種可控列尾裝置，現(xiàn)大秦線正在使用。

最后我相信，隨著新技術的采用與科學技術的不斷發(fā)展，將來的列尾裝置將是向著體積小、重量輕、操作簡便、功能更齊全、穩(wěn)定性和可靠性高等方向發(fā)展，為重載萬噸列車的正常開行提供更有效的安全保證，發(fā)揮著更重要的做用。與此同時，對于我作為一名生產(chǎn)一線的員工，不斷學習、積極參與，通過理論結合實踐，愿為列尾裝置的技術改進做出貢獻。

參考文獻

[1]列車尾部安全防護裝置系統(tǒng)的原理與應用[S]．

[2]400K感應通信原理與應用．

（責任編輯：周加轉(zhuǎn)）