LKJ-15C型列車運行監(jiān)控系統(tǒng)速度采集優(yōu)化的探討

王 丹

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司機輛分公司機車監(jiān)控中心，河北 滄州 062350）

0 引言

列控車載設(shè)備通常采用安裝在機車輪對軸端的轉(zhuǎn)速傳感器采集機車輪對轉(zhuǎn)速，同時結(jié)合機車輪徑等參數(shù)實時計算列車速度和位移，實現(xiàn)測速測距的目標。該測速測距方式具有應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟以及精度較高等優(yōu)點。但是當機車測速輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)時，如果列控車載設(shè)備不能及時準確地檢測出測速輪對處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，仍按照輪對實際轉(zhuǎn)速計算機車速度和走行距離，就會導(dǎo)致計算速度和走行位移高于實際值的情況，從而引發(fā)列控車載設(shè)備輸出制動及計算距離超前等問題。

LKJ-15C 型列車運行監(jiān)控系統(tǒng)（LKJ-15C 系統(tǒng)）也采用轉(zhuǎn)速傳感器對列車進行測速、測距，該系統(tǒng)具備輪對空轉(zhuǎn)檢測功能，在檢測到輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)后，根據(jù)輪對空轉(zhuǎn)后的機車加速屬性對機車速度、走行距離進行抑制處理，以保證當機車輪對出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時，測速、測距信息盡量準確，減少非必要制動指令的輸出數(shù)量，降低重載列車制動在復(fù)雜環(huán)境下潛在的脫軌、斷鉤等安全風(fēng)險。

1 機車輪對空轉(zhuǎn)的原因及危害

1.1 機車輪對空轉(zhuǎn)的原因

機車實際能發(fā)揮的牽引力由輪軌黏著決定，輪軌間的黏著力會隨著蠕滑速度的改變（V=r·w-v，為輪對半徑；w為輪對轉(zhuǎn)動的角速度；v為機車的實際行駛速度）呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且輪軌間的黏著特性曲線會隨機車運行狀態(tài)而不斷變化（如圖1 所示）。空轉(zhuǎn)的本質(zhì)是牽引電機力矩大于當前輪軌黏著力，從而不斷地提高輪對的蠕滑速度。從上述特性可以將空轉(zhuǎn)的原因歸結(jié)為以下2 個：1） 在建立或提升輪軌蠕滑的過程中（啟車、加載），牽引電機給定電流過大或機車手牽引柄給定過快，都會使牽引電機快速加速進入最大黏著點，牽引電機力大于黏著力，使輪對蠕滑速度不斷提高，從而發(fā)生空轉(zhuǎn)。2） 機車輪軌黏著特性發(fā)生改變，當前輪軌最大黏著力小于給定力時，牽引電機力矩過剩，蠕滑速度不斷增加，從而發(fā)生空轉(zhuǎn)。

圖1 不同軌條件面下的輪軌黏著特性曲線比較

1.2 影響輪軌黏著特性的因素

機車輪軌黏著特性會受多種動態(tài)因素的影響，包括機車設(shè)計缺陷、外界環(huán)境條件、輪軌表面狀態(tài)以及輪軌系統(tǒng)振動等，列車在運行中的瞬態(tài)黏著特性始終在變化。

輪軌環(huán)境及表面狀態(tài)：在機車實際運行中，干燥清潔軌面的可用黏著系數(shù)一般可以達到0.25～0.40。一旦輪軌存在表面潮濕（下雨）、有油污、有冰凍以及軌面有銹蝕等問題，其可用黏著系數(shù)急劇下降，條件惡劣時甚至不到0.10。在輪軌面黏著系數(shù)較低（例如濕軌）的情況下，可以通過撒砂有效改善輪軌間的黏著狀態(tài)，理論上可以將黏著系數(shù)提升至0.20～0.30，具體結(jié)果取決于撒砂系統(tǒng)的效果（例如撒砂系統(tǒng)噴嘴布置方式、下砂量、砂材以及砂子粒徑大小等）。

線路條件：線路不平直、有彎道和有坡道都會降低輪軌間的黏著特性。

列車速度：可用黏著系數(shù)隨列車實際運行速度的增加而略有降低。隨著列車速度的提高，列車橫向及垂向振動加劇，會破壞輪軌的黏著狀態(tài)，從而降低機車能夠利用的黏著系數(shù)。

1.3 測速輪對空轉(zhuǎn)的危害

在重載軌道交通運輸中，機車動輪和鋼軌之間的黏著力是驅(qū)動機運行的最終動力。因此，在重載鐵路的運輸過程中，必須保證機車輪軌間有效地黏著，避免因機車輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致LKJ 采集到的軸端速度超過線路的限制速度，監(jiān)控裝置將會輸出常用或緊急制動停車指令，使列車停車，這會影響正常的運輸秩序。輪對空轉(zhuǎn)會導(dǎo)致輪對擦傷或重傷鋼軌，甚至還會導(dǎo)致機車車輪崩裂、脫軌。重載20 000 t 列車小曲線半徑緊急制動在多重不利因素疊加的情況下會導(dǎo)致列車發(fā)生脫軌、列車顛覆等嚴重事故。據(jù)統(tǒng)計，朔黃鐵路在2020 年12 月—2021 年4月裝配LKJ-15 型監(jiān)控裝置的機車共發(fā)生7 起輪對空轉(zhuǎn)事件，其中5 起造成停車堵塞正線超過10 min，對重載運輸造成較大的干擾。

2 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)處理原理

2.1 速度取用原理

LKJ-15C 系統(tǒng)采用2×2 取2 安全計算機架構(gòu)，測速、測距功能由兩系安頻輸入（SFI）插件和2 個脈沖數(shù)為72轉(zhuǎn)的霍爾速度傳感器完成。每系安頻輸入插件分別接入2個轉(zhuǎn)速傳感器的2 路速度信號，每個速度傳感器各輸出4路速度信號（圖2）。

如圖2 所示，I 系SFI 插件通時采集2 個速度傳感器（Sensor_I 和Sensor_II）通道1、通道2 的脈沖頻率信息。通過4 路脈沖信息的頻率和相位差計算該速度傳感器采集端對應(yīng)輪軸的速度、位移和方向。II 系SFI 同理，再對I系和II 系的計算結(jié)果進行仲裁算法處理，以確定最終速度信息，從而保證速度信息的有效性。

圖2 安頻輸入插件速度信號輸入原理圖

LKJ-15C 系統(tǒng)測速、測距功能具備較高的冗余能力，在任意1 個速度傳感器或任意一系安頻輸入插件發(fā)生故障后，仍能保證測速、測距功能正常運行。SFI 安全頻率量插件通過采集速度傳感器的頻率量信息，同時結(jié)合機車輪徑信息、傳感器脈沖數(shù)計算輪對的速度、加速度和運行方向。再根據(jù)該機車類型對應(yīng)的最大加速度和減速度判斷機車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)或輪滑，如果發(fā)生空轉(zhuǎn)或輪滑，那么SFI安全頻率量插件將按照最大加速度或最大減速度抑制輪對的速度，以獲取與實際速度更接近的機車速度，從而輸出列車處理后的速度、位移等信息。

LKJ-15C 系統(tǒng)針對采集的多路速度信號，根據(jù)一定處理邏輯選取其中某個傳感器信號源作為當前速度來源，具體如下：1） 在LKJ-15C 設(shè)備上電后，默認取速度傳感器Sensor_I作為速度來源。2） 當速度傳感器Sensor_I 故障、速度傳感器Sensor_II 正常時，取速度傳感器Sensor_II 作為當前的速度來源。3） 當速度傳感器Sensor_I 空轉(zhuǎn)/輪滑時，如果速度傳感器Sensor_II 沒有空轉(zhuǎn)/輪滑，則取速度傳感器Sensor_II 作為當前的速度來源。4） 當速度傳感器Sensor_I 空轉(zhuǎn)/輪滑時，如果速度傳感器Sensor_II 也同時發(fā)生空轉(zhuǎn)/輪滑，則取速度傳感器Sensor_I 作為速度來源。同時，向主機報告發(fā)生空轉(zhuǎn)/輪滑。5） 當速度傳感器Sensor_I 正常、速度傳感器Sensor_II 故障時，取速度傳感器Sensor_I 作為當前的速度來源。6） 當速度傳感器Sensor_I 正常、速度傳感器Sensor_II 空轉(zhuǎn)/輪滑時，取速度傳感器Sensor_II 作為當前的速度來源。

安頻輸入插件給LKJ-15C 提供的測速測距包括速度值（綜合2 個速度傳感器4 路速度后的綜合速度值）、加速度值、走行累計距離值以及方向。

2.2 LKJ 空轉(zhuǎn)處理原則

以HXD1 型機車為例，LKJ 空轉(zhuǎn)處理原則如下：1） 確定最大加速度。機車最大加速度為1.25 m/s，電力貨車最大加速度為1.00 m/s； 對2 個數(shù)據(jù)進行綜合得到最大加速度為1.00 m/s。2） 空轉(zhuǎn)開始。當根據(jù)速度傳感器采集的通道計算原始加速度大于或等于“最大加速度”時，判斷該通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)開始”，該通道空轉(zhuǎn)時間開始計時。3）空轉(zhuǎn)確認。通道處于“空轉(zhuǎn)開始”狀態(tài)且通道空轉(zhuǎn)時間超過400 ms 后，判斷該通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)確認”。按“最大加速度”的1/8 對通道速度進行抑制處理。4） 空轉(zhuǎn)補償。判斷通道處于“空轉(zhuǎn)確認”狀態(tài)，且維持時間大于“空轉(zhuǎn)一次最長時間”后，判斷通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)補償”，對該通道的走行距離進行補償，不再對通道速度進行抑制。5） 空轉(zhuǎn)后速度切換。判斷通道處于“空轉(zhuǎn)確認”狀態(tài)，且維持時間大于“空轉(zhuǎn)一次最長時間”后，判斷通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)補償”，對該通道的走行距離進行補償，且不再對通道速度進行抑制。

2.3 確定最大允許加速度

不同機車、不同車輛以及組合后的列車的加速性能都不完全相同，LKJ-15C 系統(tǒng)支持機車和車輛的靈活編組，可根據(jù)編組情況綜合獲得列車的最大允許加速度值。LKJ-15C 系統(tǒng)配置每種類型機車的單機加速度和每種類型車輛的加速度。當機車單機運行時，根據(jù)該機車的單機加速度取用相應(yīng)的最大允許加速度；當機車牽引列車時，根據(jù)該機車的單機加速度與車輛加速度取最大允許加速度的最小值。例如HXD1 機車配置的最大允許加速度為1.25 m/s，貨車車輛配置的最大允許加速度為1.00 m/s，當HXD1 機車單機運行時的最大允許加速度取1.25 m/s，當HXD1 機車牽引萬噸重載貨物列車作業(yè)時，綜合后最大允許加速度為1.00 m/s。

LKJ-15C 系統(tǒng)的加速計算如公式（1）所示。

愛國主義是對祖國的忠誠和熱愛，是中華民族精神的核心，是中國人民的行為準則體系。新時代愛國主義的本質(zhì)體現(xiàn)為愛國和愛黨、愛社會主義的有機統(tǒng)一，新時代愛國主義的鮮明主題是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢，新時代愛國主義的突出特征是愛國情懷和改革精神、世界眼光相結(jié)合。

式中：為2 個程序周期采集到的速度差值；為2 個程序周期的時間間隔。

LKJ-15C 系統(tǒng)在測速處理過程中存在“正常測速”、“空轉(zhuǎn)開始”以及“空轉(zhuǎn)確認”3 個測速狀態(tài)，各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3 所示。

圖3 測速空轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

在LKJ-15C 系統(tǒng)上電后，會將測速狀態(tài)初始化為“正常測速”狀態(tài)，在“正常測速”狀態(tài)下，當采集的加速度大于或等于“最大允許加速度”時，判斷為“空轉(zhuǎn)開始”狀態(tài)，該通道空轉(zhuǎn)時間開始計時。

“空轉(zhuǎn)開始”狀態(tài)下，在空轉(zhuǎn)開始的計時過程中，如果采集的加速度大于或等于“最大允許加速度×空轉(zhuǎn)識別退出系數(shù)”時，就維持空轉(zhuǎn)計時，否則判斷為“測速正?！睜顟B(tài)。當空轉(zhuǎn)計時時間超過400 ms 且采集的加速度大于或等于“最大允許加速度”時，判斷該通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)確認”。

3 系統(tǒng)速度采集軟件功能優(yōu)化

對朔黃鐵路重載貨運列車發(fā)生空轉(zhuǎn)的情況進行統(tǒng)計分析，結(jié)合線路、機車車輛、轉(zhuǎn)速傳感器以及軟件空轉(zhuǎn)識別處理邏輯等環(huán)節(jié)確認LKJ-15C 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)啟動時機不及時，導(dǎo)致啟動空轉(zhuǎn)速度抑制時機較晚，從而觸發(fā)緊急制動。為解決該問題，可以通過調(diào)整LKJ-15C 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)識別退出系數(shù)（由0.9 調(diào)整為0.1，該系數(shù)越小，越容易識別出輪對空轉(zhuǎn)狀態(tài)）來改善系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時別的靈敏度，具體如下：1） 調(diào)整前。如果機車加速度達到控制參數(shù)中設(shè)定的最大值（電力貨車設(shè)定為 1.00 m/s），則“空轉(zhuǎn)開始”。如果“空轉(zhuǎn)開始”后400 ms 內(nèi)加速度低于1.00×0.9 m/s，則轉(zhuǎn)入“正常測速”狀態(tài)。2） 調(diào)整后。如果機車加速度達到控制參數(shù)中設(shè)定的最大值（電力貨車設(shè)定為1.00 m/s），則“空轉(zhuǎn)開始”。如果“空轉(zhuǎn)開始”后 400 ms 內(nèi)加速度低于1.00×0.1 m/s，則轉(zhuǎn)入“正常測速”狀態(tài)。

4 程序升級驗證

4.1 試驗驗證情況

針對朔黃鐵路裝配LKJ-15C 型列車運行監(jiān)控系統(tǒng)機車在承擔(dān)重載運輸任務(wù)中LKJ 空轉(zhuǎn)識別存在未有效識別的問題，對LKJ-15C 系統(tǒng)速度采集軟件（SFI 軟件）進行優(yōu)化改進，并在HXD1 型機車進行車載試驗驗證。驗證優(yōu)化后SFI軟件能否更準確地識別輪對空轉(zhuǎn)狀態(tài)，以滿足HXD1 型機車牽引萬噸貨物重載列車運用需求。

通過在朔黃鐵路車載驗證試驗6 趟，其中前3 趟為數(shù)據(jù)采集試驗，后3 趟為軟件優(yōu)化效果驗證試驗。分別驗證了HXD1 型機車在正常軌面和灑水軌面上的運用情況，具體情況見表1。

表1 HXD1 型機車加速空轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)

4.2 試驗驗證數(shù)據(jù)分析

對6 趟車載試驗驗證數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化后的SFI 插件軟件在相同軌道物理條件下更容易識別輪對空轉(zhuǎn)，具體情況如圖4 所示。

圖4 I 系SFI 插件數(shù)據(jù)

經(jīng)驗證優(yōu)化后，在HXD1 型機車牽引萬噸貨物重載列車的加速過程中（灑水軌面條件下），LKJ-15C 系統(tǒng)可有效地識別空轉(zhuǎn)狀態(tài)并進行抑制，能有效防止因輪對空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致LKJ輸出常用/緊急制動。試驗后將裝配LKJ-15C 系統(tǒng)的HXD1型機車全部升級，在7 個月的運行過程中未出現(xiàn)因輪對空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致發(fā)生LKJ 輸出常用/緊急制動事件。

5 結(jié)論

對LKJ-15C 系統(tǒng)速度采集軟件空轉(zhuǎn)識別功能進行優(yōu)化改進，將空轉(zhuǎn)識別退出系數(shù)由 0.9 調(diào)整為 0.1 后，能有效識別機車輪對空轉(zhuǎn)狀態(tài)，防止因輪對空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致LKJ 輸出緊急或常用動作指令，消除了重載列車因LKJ 非必要的制動而引發(fā)的安全隱患。在重載鐵路運輸LKJ 安全控制方面發(fā)揮了積極作用。