淺析CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警原理及超員防控措施

楊四海

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動(dòng)車(chē)段，上海 201803)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組擔(dān)負(fù)著京滬高速、滬昆高速等重要干線(xiàn)的旅客運(yùn)輸任務(wù)，使得保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全及旅客乘坐舒適的任務(wù)變得愈加艱巨，因此減少動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警造成的影響也就具有了重要意義。本文將對(duì)CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警原理及其參數(shù)設(shè)定依據(jù)進(jìn)行探究，并結(jié)合實(shí)際案例提出相應(yīng)防控措施，以降低CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序造成的不良影響，確保行車(chē)安全。

1 CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警原理簡(jiǎn)介

1.1 超員報(bào)警的控制原理

CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組在列車(chē)速度為0時(shí)(采集CCU的速度值)，通過(guò)制動(dòng)控制單元檢測(cè)轉(zhuǎn)向架空氣彈簧壓力，并根據(jù)空氣彈簧壓力與車(chē)重的載荷特性關(guān)系，將壓力換算為車(chē)重后傳輸至列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將接收到的車(chē)重?cái)?shù)值與超員報(bào)警值進(jìn)行比較，當(dāng)某輛車(chē)采集數(shù)值≥單車(chē)超員報(bào)警值時(shí)，延時(shí)5 s報(bào)單車(chē)超員報(bào)警；當(dāng)采集數(shù)值之和≥列車(chē)超員報(bào)警值時(shí)，延時(shí)5 s報(bào)列車(chē)超員報(bào)警；當(dāng)單車(chē)或整車(chē)采集值<報(bào)警值時(shí)，故障立即消除。

1.2 空氣彈簧壓力與車(chē)重載荷特性關(guān)系

車(chē)輛質(zhì)量等于簧上質(zhì)量(Ms)與簧下質(zhì)量(M0)之和?；缮腺|(zhì)量根據(jù)空氣彈簧壓力載荷特性計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，簧下質(zhì)量為常數(shù)。車(chē)輛質(zhì)量計(jì)算公式為：

M=Ms+M0=88.563T-2 619.1+M0

(1)

T=(T1+T2)/2

(2)

式中：T1——1位轉(zhuǎn)向架空氣彈簧壓力，kPa；

T2——2位轉(zhuǎn)向架空氣彈簧壓力，kPa；

T——空氣彈簧壓力平均值；

Ms——簧上質(zhì)量，kg；

M0——簧下質(zhì)量，其中，變壓器車(chē)簧下質(zhì)量M0=13 508 kg(不同轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量不同)；

M——車(chē)輛質(zhì)量，kg。

根據(jù)式(1)導(dǎo)出空氣彈簧壓力與車(chē)輛質(zhì)量的計(jì)算公式為：

T=4.604 1×((M-M0)×9.81×0.001× 0.25)+29.543 7

(2)

1.3 超員報(bào)警值設(shè)定依據(jù)

CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組將超員狀態(tài)分為超員預(yù)警和超員報(bào)警2級(jí)，各車(chē)廂的超員預(yù)警值按本車(chē)超員20%(定員的20%)后的車(chē)重+檢測(cè)誤差1.25 t(考慮空氣彈簧檢查誤差、車(chē)輛積灰等因素)設(shè)置，接近或超過(guò)最大軸重限制值66.75 t(軸重68 t-檢測(cè)誤差1.25 t)的車(chē)輛僅設(shè)超員報(bào)警。各車(chē)超員報(bào)警值按最大軸重限制值作為設(shè)置依據(jù)，接近或超過(guò)最大軸重限制值66.75 t的車(chē)輛按66.75 t設(shè)置，其余各車(chē)按66.25 t設(shè)置，整列車(chē)超員預(yù)警值和超員報(bào)警值為各單車(chē)超員預(yù)警值和超員報(bào)警值之和。

1.4 超員報(bào)警處置措施

CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組發(fā)生超員報(bào)警時(shí)，列車(chē)HMI屏將報(bào)出單車(chē)超員報(bào)警(代碼：500C)或列車(chē)超員報(bào)警(代碼：500D)，并伴隨聲光報(bào)警提示，同時(shí)在報(bào)警車(chē)廂內(nèi)廣播和顯示超員信息?？瓦\(yùn)乘務(wù)員組織疏散旅客人群，并上報(bào)相關(guān)信息，提示后續(xù)車(chē)站在售票和旅客乘降方面采取相應(yīng)措施，待超員報(bào)警解除后方可行車(chē)。

2 超員報(bào)警案例分析

2.1 超員報(bào)警情況統(tǒng)計(jì)

2021年春運(yùn)期間(1月28日—3月8日)，中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司配屬的CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組共發(fā)生超員報(bào)警40起。按車(chē)型分類(lèi)：CR400BF型動(dòng)車(chē)組11件、CR400BF-A型動(dòng)車(chē)組24件、CR400BF-B型動(dòng)車(chē)組5件。對(duì)發(fā)生超員報(bào)警的車(chē)組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組發(fā)生超員報(bào)警次數(shù)最多(7次)，其次，CR400BF-A-3027和CR400BF-A-3095動(dòng)車(chē)組均發(fā)生超員報(bào)警3次。對(duì)超員報(bào)警車(chē)廂進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)報(bào)警主要集中在03、06、11、14號(hào)車(chē)廂，上述車(chē)廂為主變壓器及車(chē)頂高壓受流設(shè)備所在車(chē)廂。

2.2 超員報(bào)警原因分析

本文以多次發(fā)生超員報(bào)警的CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組為例，針對(duì)2021年2月21日該車(chē)擔(dān)當(dāng)G592次交路于麻城北站觸發(fā)超員報(bào)警的情況，從多個(gè)維度進(jìn)行綜合分析。

2.2.1 車(chē)載數(shù)據(jù)分析

下載解析CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組MVB數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示故障發(fā)生時(shí)刻報(bào)警車(chē)廂測(cè)算車(chē)重均超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值，但報(bào)警車(chē)廂內(nèi)實(shí)際超載旅客人數(shù)均未達(dá)到車(chē)廂設(shè)定的可超員人數(shù)，如表1所示。

表1 CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組MVB數(shù)據(jù)

2.2.2 轉(zhuǎn)向架空氣彈簧特性分析

(1) CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組采用低橫向剛度結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架空氣彈簧，屬于轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置，用于改善乘客乘坐舒適性，提升列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)性能，可緩和車(chē)體的垂向和橫向振動(dòng)。轉(zhuǎn)向架枕梁內(nèi)部作為空氣彈簧的附加空氣室，空氣彈簧的上部通風(fēng)口與附加空氣室相連，枕梁進(jìn)風(fēng)口與車(chē)體的供風(fēng)管路連接。當(dāng)空氣彈簧內(nèi)氣壓不足時(shí)，膠囊下部的疊層橡膠堆可起到一定的垂直減振作用，保證車(chē)輛安全行駛(需要限速)。

(2) CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組空車(chē)和定員載荷對(duì)應(yīng)的空氣彈簧壓力范圍為450～650 kPa，空氣彈簧載荷偏差為±5%(符合TB/T 2841—2005《鐵道車(chē)輛空氣彈簧》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)。

CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組裝配的轉(zhuǎn)向架空氣彈簧為2家供應(yīng)商(A和B)的產(chǎn)品，為進(jìn)一步驗(yàn)證不同供應(yīng)商空氣彈簧載荷特性情況及產(chǎn)品差異，對(duì)2家供應(yīng)商的空氣彈簧分別取樣進(jìn)行檢測(cè)分析，具體情況如下：

(1) 實(shí)測(cè)100套A供應(yīng)商生產(chǎn)的空氣彈簧壓力載荷，空氣彈簧壓力為600 kPa時(shí)，最大載荷偏差為(+1.45%，-3.72%)，均符合空氣彈簧載荷內(nèi)壓±5%的公差要求。

(2) 實(shí)測(cè)100套B供應(yīng)商生產(chǎn)的空氣彈簧壓力載荷，空氣彈簧壓力為600 kPa時(shí)，最大載荷偏差為(+2.15%，-4.40%)，均符合空氣彈簧載荷內(nèi)壓±5%的公差要求。

通過(guò)取樣測(cè)試可知，供應(yīng)商A和B生產(chǎn)的空氣彈簧壓力載荷性能均符合±5%的公差要求，但B供應(yīng)商生產(chǎn)的空氣彈簧壓力載荷性能離散程度較大。

以超員報(bào)警高發(fā)的主變壓器所在車(chē)廂為例(CR400BF動(dòng)車(chē)組03、06車(chē)及CR400BF-A/B動(dòng)車(chē)組03、06、11、14車(chē))，當(dāng)前超員報(bào)警值設(shè)置為66.75 t，反算簧上質(zhì)量為53.242 t，據(jù)此計(jì)算空氣彈簧載荷偏差對(duì)車(chē)重造成的影響如表2所示。

表2 空氣彈簧載荷偏差對(duì)車(chē)重的影響

根據(jù)表2中空氣彈簧載荷偏差對(duì)車(chē)重的影響規(guī)律可知，當(dāng)空氣彈簧載荷產(chǎn)生正偏差時(shí)，將會(huì)引起車(chē)輛換算的車(chē)重增大，鑒于車(chē)廂超員報(bào)警設(shè)定值是不變的，則相當(dāng)于變相減少了車(chē)廂的承載能力。例如03車(chē)定員載荷時(shí)車(chē)重為66.01 t，當(dāng)該車(chē)廂空氣彈簧壓力正偏差超過(guò)+2%時(shí)，車(chē)輛換算后的車(chē)重達(dá)到67.075 t(超員報(bào)警值為66.75 t)，將造成定員載荷下觸發(fā)超員報(bào)警的情況。

2.2.3 空氣彈簧壓力傳感器測(cè)量偏差分析

(1) CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組采用硅壓阻式壓力傳感器采集空氣彈簧壓力，壓力傳感器輸出電流信號(hào)(4～20 mA)至制動(dòng)控制單元后轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)，用于換算車(chē)重。

(2) 空氣彈簧壓力傳感器精度為1.5‰(滿(mǎn)量程為1 000 kPa)，即空氣彈簧壓力采集最大偏差為±15 kPa。按定員載荷時(shí)空氣彈簧壓力為622 kPa計(jì)算，空氣彈簧壓力傳感器測(cè)量偏差對(duì)車(chē)重造成的影響如表3所示。

表3 空氣彈簧壓力傳感器測(cè)量偏差對(duì)車(chē)重的影響

(3) 使用壓力表檢測(cè)CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組空氣彈簧實(shí)際壓力值，并與制動(dòng)控制單元監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，其實(shí)際壓力值與軟件監(jiān)測(cè)值基本一致，說(shuō)明該車(chē)空氣彈簧壓力傳感器檢測(cè)精度準(zhǔn)確，不存在明顯的檢測(cè)偏差。

2.2.4 車(chē)廂配重試驗(yàn)情況分析

選取CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組06車(chē)，對(duì)車(chē)廂內(nèi)旅客分布不同時(shí)的載荷(無(wú)行李)變化情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組06車(chē)配重試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4中可以看出：

(1) 06車(chē)在90人(定員)按席就坐后，車(chē)輛檢測(cè)車(chē)重為66 t，距超員報(bào)警值僅剩余0.75 t余量，按人均質(zhì)量80 kg(包括行李質(zhì)量)換算，約為9人，說(shuō)明該車(chē)廂允許的超員余量較小。

(2) 06車(chē)在90人不按席就坐，而分散于兩側(cè)車(chē)端時(shí)，車(chē)輛檢測(cè)車(chē)重為65.29 t，說(shuō)明旅客的不同分布或大件行李(大件行李箱位于車(chē)端處)的堆積不會(huì)對(duì)車(chē)重的檢測(cè)產(chǎn)生影響。檢測(cè)車(chē)重較旅客按席就坐時(shí)降低了0.17 t，其原因?yàn)槿藛T站立在車(chē)端處時(shí)，相鄰車(chē)廂(05、07車(chē))的空氣彈簧勻載了06車(chē)的部分重量(可從05、07車(chē)車(chē)重的上升加以佐證)。反之，若相鄰車(chē)廂車(chē)端處存在旅客聚集時(shí)，同樣可能導(dǎo)致06車(chē)的檢測(cè)車(chē)重增大。

(3) 06車(chē)人員在車(chē)廂內(nèi)分布不同時(shí)，車(chē)輛檢測(cè)的空氣彈簧壓力變化較大，說(shuō)明壓力傳感器檢測(cè)無(wú)延時(shí)現(xiàn)象，即當(dāng)超員旅客疏散后，檢測(cè)車(chē)重小于報(bào)警值時(shí)故障可立即消除。

2.3 分析結(jié)論

根據(jù)CR400BF-A-5066動(dòng)車(chē)組車(chē)載數(shù)據(jù)及車(chē)廂內(nèi)實(shí)際統(tǒng)計(jì)人數(shù)可知，車(chē)組發(fā)生超員報(bào)警時(shí)，車(chē)廂內(nèi)確實(shí)存在超員情況，但均未達(dá)到車(chē)廂設(shè)定的可超員人數(shù)，且03、06、11、14車(chē)超員人數(shù)較少。綜合超員報(bào)警原理、相關(guān)部件特性分析及車(chē)廂配重試驗(yàn)結(jié)果，判斷CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組發(fā)生超員報(bào)警的因素如下：

(1) 因?qū)嶋H超員人數(shù)超過(guò)車(chē)輛設(shè)定的允許超員人數(shù)，導(dǎo)致車(chē)輛檢測(cè)車(chē)重超出設(shè)定超員報(bào)警值。其中，CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組03、06、11、14車(chē)因裝配有主變壓器及車(chē)頂高壓受流設(shè)備，車(chē)廂整備質(zhì)量較大，在定員載荷時(shí)已接近報(bào)警值，故超員載荷余量較小，易觸發(fā)超員報(bào)警。

(2) 超員人數(shù)未達(dá)到車(chē)輛設(shè)定的可超員人數(shù)或定員載荷情況下觸發(fā)超員報(bào)警，分析有三方面原因：第一，報(bào)警車(chē)廂的空氣彈簧載荷正偏差較大，車(chē)輛檢測(cè)車(chē)重大于實(shí)際車(chē)重，使得車(chē)廂可允許的超員載荷余量減少；第二，當(dāng)前計(jì)算車(chē)廂承載量時(shí)，人均質(zhì)量按照80 kg(加行李)考慮，但通過(guò)車(chē)廂配重試驗(yàn)結(jié)果可知，90人(定員)未附加行李的情況下，檢測(cè)車(chē)重已達(dá)到車(chē)廂定員載荷值，因此，用人均質(zhì)量計(jì)算不符合實(shí)際情況；第三，根據(jù)車(chē)廂配重試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)旅客集中于車(chē)廂端部時(shí)，將影響相鄰車(chē)廂的車(chē)重檢測(cè)值，若相鄰車(chē)廂的檢測(cè)車(chē)重已接近超員報(bào)警值，則可能導(dǎo)致其觸發(fā)超員報(bào)警，同時(shí)也印證了車(chē)輛到站旅客集中至車(chē)端車(chē)門(mén)處進(jìn)行乘降時(shí)，易發(fā)生車(chē)廂超員報(bào)警的緣由。

3 超員報(bào)警防控措施

3.1 加強(qiáng)空氣彈簧載荷偏差控制

針對(duì)后續(xù)新造和高級(jí)修的CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組，在空氣彈簧裝車(chē)前進(jìn)行內(nèi)載荷測(cè)試以及測(cè)試值標(biāo)記，以確保整備質(zhì)量較大的車(chē)廂選配載荷正偏差小于+2%的空氣彈簧，減少因空氣彈簧載荷正偏差大造成的車(chē)廂載客能力下降，從而避免引起超員誤報(bào)警。

3.2 優(yōu)化超員疏散方案

目前CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組發(fā)生超員報(bào)警時(shí)，無(wú)法有序、高效地對(duì)無(wú)座旅客進(jìn)行疏散，從而無(wú)法及時(shí)解除超員報(bào)警對(duì)行車(chē)的影響。通過(guò)上述分析，根據(jù)各車(chē)廂實(shí)際的超員載荷能力，對(duì)車(chē)組超員報(bào)警時(shí)旅客疏散方案優(yōu)化如下：

(1) 由于變壓器車(chē)廂整備質(zhì)量較大，原則上疏散旅客時(shí)應(yīng)避免疏散至變壓器車(chē)廂。

(2) 變壓器車(chē)廂發(fā)生超員報(bào)警時(shí)，03車(chē)優(yōu)先向02車(chē)分流，06車(chē)優(yōu)先向05車(chē)分流，11車(chē)向相鄰車(chē)廂分流，14車(chē)優(yōu)先向15車(chē)分流。

(3) 由于CR400BF-A/B動(dòng)車(chē)組08、09、16車(chē)車(chē)廂整備質(zhì)量較小且定員人數(shù)少，超員載荷能力較大，車(chē)當(dāng)列車(chē)整體超員情況較嚴(yán)重時(shí)，建議將旅客疏散至上述3節(jié)車(chē)廂內(nèi)，同時(shí)提前與前方辦客站聯(lián)系，建議在前方辦客站上車(chē)的無(wú)座旅客集中在08、09、16車(chē)上車(chē)，以減少單節(jié)車(chē)廂超員報(bào)警的可能性。

(4) 疏散旅客時(shí)應(yīng)盡量避免人群集中至車(chē)廂端部，建議向車(chē)廂中部疏散，以減少對(duì)相鄰車(chē)廂載重的影響。同時(shí)建議車(chē)組到站進(jìn)行旅客乘降時(shí)，同一車(chē)廂可采取一端上客一端下客的措施，以減少車(chē)廂端部旅客集中造成的影響。

3.3 優(yōu)化超員報(bào)警閾值

經(jīng)過(guò)對(duì)車(chē)輛空氣彈簧載荷性能的進(jìn)一步研究分析，在確保安全可靠的前提下，將原設(shè)定的1.25 t車(chē)重檢測(cè)誤差值調(diào)整至0.25 t，同時(shí)車(chē)廂最大軸重限制值也相應(yīng)調(diào)整為67.75 t(軸重68 t-檢測(cè)誤差0.25 t)，并根據(jù)原有超員報(bào)警設(shè)置依據(jù)，通過(guò)在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)內(nèi)上載軟件補(bǔ)丁Buffer對(duì)超員報(bào)警閾值進(jìn)行優(yōu)化，各車(chē)廂超員承載能力提升了1 t(約12人)。目前已完成了對(duì)全部CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組的升級(jí)優(yōu)化，運(yùn)用效果良好。CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組優(yōu)化后的超員報(bào)警閾值如表5所示。

表5 CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組優(yōu)化后的超員報(bào)警閾值

3.4 研究開(kāi)發(fā)智能型空氣彈簧

研究開(kāi)發(fā)內(nèi)置個(gè)體性能參數(shù)信息存儲(chǔ)芯片的智能型空氣彈簧。測(cè)試每個(gè)產(chǎn)品精準(zhǔn)的內(nèi)載荷關(guān)系及相關(guān)性能參數(shù)，并存儲(chǔ)于空氣彈簧內(nèi)置芯片中，在列車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)空氣彈簧壓力進(jìn)行車(chē)重?fù)Q算時(shí)，同時(shí)讀取個(gè)體空氣彈簧內(nèi)載荷關(guān)系參數(shù)，通過(guò)在車(chē)重?fù)Q算環(huán)節(jié)修正空氣彈簧壓力參數(shù)值，消除空氣彈簧內(nèi)載荷偏差對(duì)換算車(chē)重帶來(lái)的不良影響，確保計(jì)算的車(chē)重值精準(zhǔn)可靠。

3.5 研究實(shí)現(xiàn)超員預(yù)判提示功能

研究在PHM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員預(yù)判提示功能的可行性。摸索車(chē)組空氣彈簧壓力在車(chē)組靜止及運(yùn)行過(guò)程中的變化規(guī)律，評(píng)估通過(guò)空氣彈簧壓力變化預(yù)估車(chē)廂內(nèi)旅客流量的精準(zhǔn)度和可靠性。在空氣彈簧壓力值可作依據(jù)的前提下，計(jì)算車(chē)廂可承載余量，并結(jié)合現(xiàn)有調(diào)度應(yīng)急指揮系統(tǒng)中“旅客列車(chē)實(shí)時(shí)密度表”內(nèi)各站點(diǎn)上下客流量情況，估算列車(chē)運(yùn)行至下個(gè)站點(diǎn)后車(chē)廂超員的可能性及超員人數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)PHM系統(tǒng)提前發(fā)出相應(yīng)提示信息，為客運(yùn)部門(mén)和車(chē)站提前做好車(chē)廂內(nèi)旅客有序疏散及為站臺(tái)內(nèi)旅客上車(chē)位置安排提供科學(xué)的合理化建議。

4 結(jié)束語(yǔ)

CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警功能是一種檢測(cè)動(dòng)車(chē)組超載的成熟技術(shù)，但受空氣彈簧載荷特性、車(chē)廂配重情況等因素的影響，造成動(dòng)車(chē)組超員承載能力降低。本文對(duì)CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警原理及超員報(bào)警案例及原因進(jìn)行了分析，提出了較為合理的防控措施，可對(duì)CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組超員報(bào)警問(wèn)題提供可靠的參考，盡可能降低超員報(bào)警對(duì)運(yùn)輸秩序帶來(lái)的影響，從而提高動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行安全及服務(wù)質(zhì)量。