徐效宁，王菲，吕书丽，王文涛
（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京100081）
摘要：为提高普速铁路装备水平及满足低密度线路的运输需求，我国铁路开始研究在机车上安装列车超速防护系统（ATP），但ATP技术条件主要面向动车组制定，现场也没有在机车上运用ATP的经验。根据机车及机车牵引式列车的特点，结合列车运行监控装置（LKJ）和轨道车运行控制设备（GYK）的运用经验，分析研究ATP装备机车的功能需求，重点从制动距离计算、控制指令输出、控制功能设定和辅助提示功能4个方面进行论述。 关键词：机车；ATP；列车运行监控装置；轨道车运行控制设备；功能需求
中图分类号：U284文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）04-0115-05 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.04.115
0引言移动彩信平台
我国铁路动车组均安装了列车超速防护系统（ATP），对保证行车安全发挥了重要作用。近年来，为提
高普速铁路装备水平及满足低密度线路的运输需求，开始研究机车装备ATP的方案［1-2］，但ATP相关技术条件主要面向动车组制定，目前机车是机车信号与列车运行监控装置（LKJ）结合使用，轨道车等自轮转特殊设备则使用轨道车运行控制设备（GYK）。在此，根据机车及机车牵引式列车的特点，结合LKJ和GYK的运用经验，分析研究ATP装备机车的功能需求，重点阐述与目前ATP功能的差异点。1制动距离计算
1.1计算公式
制动距离是车载设备计算控制曲线的依据，而制动距离取决于列车的制动性能。动车组采用微机控制的复合制动，能够按照预定的减速度给定列车制动，所以车载设备可以在参数中预先设置不同速度阶段的减速度，而机车要复杂一些。通过专门试验并结合理论分析，TB/T1407.1—2018《列车牵引计算第1部分：机车牵引式列车》（简称《牵规》）给出了机车牵引式列车的制动距离公式，制动距离S z分为空走距离S k和有效制动距离S e两部分，具体公式如下［3］：
S z=S k+S e=v0t k3.6+ 4.17(v20-v2m)
1000φhϑhβc+w0+i j，（1）式中：v0为制动初速；v m为制动末速；t k为空走时间；φh为闸瓦（闸片）换算摩擦系数制动初速；ϑh为列车换算制动率；βc为常用制动系数；ω0为列车单位基本阻力；i j为制动地段加算坡度千分数。
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（K2019G051）；中国铁道科学研究院集团有限公司科
技研究开发计划项目（2020YJ191）
第一作者：徐效宁（1982—），男，副研究员，硕士。
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ATP装备机车的功能需求分析徐效宁等
1.2计算参数取值
制动距离计算公式参数根据车型和采用的制动方式确定，具体取值参见《牵规》。根据式（1），空走距离S k取决于制动初速和空走时间。除单机外，机车牵引式列车的空走时间并不像动车组固定取值，它与牵引辆数、坡度有关，常用制动还需要考虑减压量的大小。机车牵引式列车由机车和多节车辆编组而成，机车通过列车管控制自身和车辆的制动系统对全列施加制动，因此列车管长度随着编组的数量增加，其容积越大，列车制动时排风时间就越长。同理，常用制动的减压量越大，排风时间就越长。另外，如果列车运行在坡度较大的下坡道，施加制动开始的一段时间列车还会加速运行，所以空走时间引入坡度值进行修正，上坡道时i j按0取值。
有效制动距离S e除制动初速和末速外，还取决于全列车在制动工况下的单位合力。根据式（1），单位合力包括单位制动力、单位基本阻力和单位附加阻力（以坡度千分数表示）。根据牵规，单位制动力的闸瓦（闸片）换算摩擦系数φh和单位基本阻力w0都随速度变化，且不是线性关系，代入式（1）后计算很复杂。车载设备在实际计算时可采用分段累计法，在很小的速度间隔内认为上述变量近似不变［4］。政府信息公开的意义
2控制指令输出
与动车组相同，机车具备解除牵引力、常用制动和紧急制动的列车接口，ATP可以根据列车运行速度与控制曲线的关系，输出不同的控制指令，实现安全防护。但根据机车牵引式列车的特点，指令输出又有一些不同之处。
2.1解除牵引力输出
当机车工况处于电阻制动位时，ATP不应输出解除牵引力指令。电阻制动是将牵引电机由电动机转变为发电机，将发电机发出的电能加于电阻器，属于动力制动方式。电阻制动可以提高长大下坡道的运行限速，降低闸瓦（闸片）的磨损，最小限度地使用空气制动，确保列车有足够的缓解充风时间，提高空气制动的效果。
如果机车工况处于电阻制动位，车载设备输出解除牵引力指令，将造成机车卸载和电阻制动力失效，严重干扰司机操作。
2.2常用制动输出
机车通过减压量的大小来控制常用制动的强弱。根据LKJ运用经验，在兼顾运输安全和效率的前提下，常用制动宜根据不同场景采用不同的减压量［5-6］：（1）在减速区，机车牵引的旅客列车和特快货物列车取130kPa，其他货物列车取120kPa。《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》（简称《技规》）第74条规定：“自动闭塞区段信号机设置位置和显示关系应根据列车牵引计算确定”［7］。《牵规》计算固定信号间的距离时常用制动系数取0.8，根据《牵规》列车管减压量与常用制动系数的对应关系表，得到上述减压量。
（2）在恒速区，机车牵引的旅客、货物列车均取80kPa。列车在恒速区超速，LKJ会先输出解除牵引力指令，如果速度继续升高，通常施加较小的制动力就能降速，所以这种场景下常用制动可以采用较小的减压量。
（3）调车作业取120kPa。根据《技规》第295条，调车作业时车辆是否需要连接制动管及连接制动管的数量，需要根据具体情况确定，即全部或部分车辆将不产生制动力。因此，为保证安全，常用制动应采用较大减压量。但调车作业车速较低，减压量太大可能造成没必要的停车。LKJ技术条件规定
调车的常用制动减压量为120kPa。
另外，减压量的控制要根据车型采取不同的实现方式。对于装有计算机制动控制机构的机车，车载设备输出不同的编码；对于其他类型机车，车载设备则通过指令的输出时长控制减压量大小。
2.3常用制动取消
LKJ在机车上运用时，以下场景会取消常用制动的输出。因为紧急制动保证安全，所以常用制动的取消不会对运输产生不利影响，反而提高了运输效率。
（1）列车在站内停车控制时，不输出常用制动指令。机车牵引的列车编组一般较长，在进站停车时，列车尾部要越过警冲标，列车前端必须尽量接近出站信号机。此时，LKJ限速已经很低，司机操控特别困难。这种场景取消常用制动输出，一方面因为紧急制
ATP装备机车的功能需求分析徐效宁等
动的安全距离较短，延伸了控车目标点，另一方面因
为紧急制动减速度更大，限速曲线较为陡直，便于司
机操控。
（2）减速区内，遇列车管减压量达50kPa及以上
时不再输出常用制动指令，该制动缓解也不恢复常用
制动指令输出控制功能（列车停车除外）。LKJ在减速
区因列车超速输出常用制动时，必须等待列车速度低
于目标限速才允许缓解。这是为了防止频繁的制动造
成充风不足，制动力达不到预期效果，速度继续超过
紧急制动干预曲线［8］。但这样处理也会影响运输效率，
一旦LKJ输出常用制动，列车必须降到较低速度才能缓
解。如果目标速度为0，列车停车常用制动才允许缓
解，所以减速区应尽量避免常用制动的输出。基于上
述考虑，当列车管减压量达50kPa及以上时，说明司
机开始减速，LKJ取消常用制动指令，延长控车目标点
并使限速曲线较为陡直，减少对司机干扰。在司机缓
解制动后，因为也可能存在充风不足的情况，所以LKJ
在本减速区也不再恢复常用制动输出功能。
（3）不具备电阻制动功能的机车在长大下坡道运
行时，不输出常用制动指令。不具备电阻制动功能的
机车只有空气制动方式，在长大下坡道运行时，对于
常用制动的缓解充风时间有严格要求。按照恒速区的
控制逻辑，若LKJ输出常用制动指令，当列车速度低于
缓解速度后，LKJ即允许缓解。在司机缓解后，由于坡
度的影响，列车速度可能又会超过常用制动干预曲线。
并且，机车长时间使用空气制动时，会使闸瓦制动的
列车车轮踏面和闸瓦温度升高，严重时导致闸瓦融化
或踏面产生裂纹，严重危及行车安全［9］。另外，如果LKJ刚缓解制动而司机又要施加制动时，制动力也不能满足需要。因此，这种情况下LKJ的常用制动没有太大
意义，LKJ保留紧急制动保证安全，常用制动的时机由
司机掌握。
2.4紧急制动控制
ATP在动车组上运用时，解除牵引力、常用制动与动车组之间可采用继电器或MVB总线接口，但是紧急制动必须采用继电器接口，并使用失电触发的控制逻辑。并且，ATP紧急制动命令的输出采用故障-安全设计，即ATP不论发生任何故障时，都能保证紧急制
动命令的输出。因此，机车与ATP的紧急制动接口也应满足该要求。
总质量达8000t及以上的货物列车或车载参数设置的特殊列车运行速度低于20km/h时，除站内停车和
防溜控制外，ATP取消紧急制动指令输出。因为重载列车低速紧急制动时，纵向冲击力成倍增加，车钩挤压容易发生断钩［10］，因此在保证安全的前提下，尽量避免低速输出紧急制动。
3控制功能设定
控制功能的设定应参照ATP既有控制模式。因为机车及机车牵引式列车在进行调车、补机等作业时与动车组有一定区别，建议ATP在以下方面进行调整。3.1与调车相关设备配合使用
动车组为固定编组，单组动车组运用状态下不解编，重联运行的2组短编组动车组也不会频繁地联挂、解编。所以，动车组调车作业更多的是出入库，ATP 调车模式的处理也较为简单。
而机车作业复杂得多，《技规》在第十一、十二章有各种要求。《技规》第282条规定：“使用机车进行调车作业时，应采用无线调车灯显设备（机车摘挂、转线等不进行车辆摘挂的作业，列车在到达线路内拉道口、直接后部摘车除外），并使用规定频率，其显示方式须符合有关要求。无线调车灯显设备应与列车运行监控装置配合使用”。另外，有的车站还设置了调车作业防撞土挡监控系统、无线调车机车信号和监控系统（STP）。为提高调车作业安全水平、减轻作业人员劳动强度，ATP设备应具备与上述设备的接口及相应控制功能。
3.2非本务模式
在机车担当非本务牵引或补机任务时，车载设备不应输出制动指令，具有人机界面信息显示和数据记录功能。为适应这种运营场景，ATP应增加非本务模式及本/补切换装置。本/补切换装置向车载设备提供补机的输入信号，并在硬件上断开制动输出信号。
另外，根据实际运营需求，ATP可增加防止“补机打钢轨”功能。“补机打钢轨”是重联牵引的一种常见事故，在本务机车实施制动时，重联机车没有及时
ATP装备机车的功能需求分析徐效宁等
人工卸载，导致车轮空转，磨伤钢轨。在非本务模式下，当列车管压力比定压下降50kPa及以上时，ATP 实施卸载控制，列车管压恢复后解除卸载指令。
3.3警惕控制
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司机警惕装置是在机车及动车组运行中，司机在规定时间内未进行有效操作时，发出警惕信号、切除牵引信号或制动指令的装置。目前，我国部分型号机车和轨道车没有独立的司机警惕装置，而有的警惕装置功能不够完善，不利于司机操控［11］。因此，对于没有司机警惕装置的机车，建议ATP执行警惕功能，实现对司机警醒状态的监测。为了方便司机统一操作，自带司机警惕装置的机车也可改由车载设备执行该功能。
3.4管压防溜
动车组上ATP具备列车停车、溜逸和退行防护功能，根据机车制动系统特点，建议ATP增加管压防溜功能。管压防溜是属于事前预防性质的措施，当列车停车后列车管减压量不足80kPa（单机时判断制动缸压力），如果司机未追加制动，车载设备会进行语音提示，并根据司机的反应采取相应动作。
4辅助提示功能
溶菌酶《技规》第335条要求，动车组以外的列车司机在列车运行中，应做到随时检查机车总风缸、制动主管的压力。为减轻司机压力，便于司机操控列车［12］，机务部门建议车载设备增加相应的辅助提示功能。
4.1列车管欠压提示
列车管是机车与所有车辆制动系统的连接通道，列车在没有施加制动时，列车管压力应稳定在500kPa 或600kPa。LKJ处理逻辑是：如果列车管压力低于定压达100kPa且运行速度达5km/h及以上时，4min后提示机车欠压运行。
4.2防动轮迟缓提示
动轮迟缓是机车重大惯性事故之一，对行车安全危害极大。当手制动装置未缓解或制动缸不缓解时，机车长时间抱闸运行，将造成温度过高引起轮箍发热松缓。在列车运行中，如果列车管未施加减压而制动缸压力超过50kPa，LKJ输出语音提示司机。4.3总风缸压力报警
因既有LKJ2000设备不采集总风缸压力，不具备总风缸压力报警功能［13］，而新型GYK已实现该功能。当总风缸压力低于600kPa或高于900kPa时，GYK通过人机界面发出“总风缸风压不足”或“总风缸风压过高”的提示语音。
5结束语
从机车牵引式列车的特点出发，参考LKJ和GYK 的运用经验，分析研究ATP装备机车的功能需求。实际运营中，机车在普速铁路还有许多特殊运营场景，如靠标困难车站停车、股道发车等。这些场景与地面条件有关，与机车本身关系不大，所以在此没有进行讨论。从运输效率的角度，ATP应当考虑这些场景，但如何进一步提高行车安全还需要深入研究。
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责任编辑卢敏
收稿日期2020-10-22
XU Xiaoning,WANG Fei,LYU Shuli,WANG Wentao
(Signal&Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limite
d,
Beijing100081,China)
Abstract:In order to improve the equipment level of conventional railways and meet the transport demand of low-density tracks,China's railway sector has taken up the study of Automatic Train Protection(ATP) installation on locomotives.However,the technical specifications of ATP are formulated primarily for EMUs, and there is no experience in applying ATP on locomotives in practice.According to the characteristics of locomotives and locomotive traction trains and in combination with the experience of train monitoring device (LKJ)and motortrolley controling equipment(GYK)application,this paper analyzes and studies the functional requirements of ATP equipped locomotives,and expounds them by focusing on four aspects:braking distance calculation,control instruction output,control function setting and auxiliary prompt function. Keywords:locomotive;A TP;train monitoring device;motortrolley
controling equipment;functional requirements
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