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山区电气化铁路列尾装置的应用
杨海云
[摘 要]：本文分析了山区电气化铁路400M列尾信道盲区产生的原因及解决措施，通过试验、上线运用，总结了双信道（400MHz+400KHz）列尾装置，利用高频通信和感应通信互补方式，克服了山区电气化铁路高频弱电场造成列尾信道“盲区”现象，保证了机车与尾部主机之间的可靠通信。
[关键词] 列尾装置 盲区 措施 双信道
一、列尾装置及作用
1.1何为列尾装置
列尾装置是列车尾部安全防护装置的简称。列尾装置是用于货物列车取消守车后,综合应用计算机编码、无线遥控、语音合成、计算机处理技术，为保证列车运行安全而设计的安全防护设备，也是重要的铁路行车设备。
1.2列尾装置的作用
使用列尾装置，机车乘务员操作列尾司机控制盒能够及时准确地掌握列车尾部风压；当列车尾部风管因非正常泄露低于规定限值时，该设备可以自动报警；当车辆折角塞门被意外关闭时，机车乘务员可操纵列尾司机控制盒进行尾部排风辅助制动，以防止列车“放飏”事故；该设备还可兼作列车昼夜尾部标志的功能。
1.3 列尾装置是保证列车运行安全的重要行车设备
2011年3月22日，点岱沟车站关闭折角塞门向区间发出列车的铁路交通事故中，列尾装置发挥了设备保安作用，避免了更大事故的发生。(注：2011年3月22日,D162次列车由点岱沟车站7道开车运行至点岱沟车站至龙王渠车站间DZK6+885处时，司机进行试闸，发现不制动，列车速度不降反升。列车速度达到39Km/h时，司机使用列尾装置排风进行制动，14时05分，列车停于DZK6+007处。)
二、大准铁路的线路状况
大准铁路是国家“八五”计划重点建设项目——准格尔项目三大主体工程之一，是神华铁路运输网的重要组成部分，是鄂尔多斯东部地区煤炭外运的主干线。大准线东起山西大同市燕庄站，西至内蒙古鄂尔多斯准格尔旗薛家湾镇点岱沟站，全长264.467公里。全线处于内蒙古高原与黄土高原交界地带，地形地貌复杂，有长大隧道26处，大型桥梁35座，自西向东重载列车开行方向有坡度为13‰的长大上坡道，最小曲线半径为400米，具有山区电气化铁路的明显特点，无线通信弱场区占线路总长的40%左右。
三、山区电气化铁路400M列尾信道传输盲区产生的原因
我国山区电气化铁路无线列调主要有400M漏泄电缆无线列调通信系统、400M互控电台无线列调通信系统和感应无线列调通信系统制式，列尾装置也以这三种通信方式为主。经过大量的试验、场强测试和理论分析，山区电气化400M列尾信道传输盲区产生的原因有以下几方面：
3.1 山区电气化铁路是电磁波传播的限定空间，由于山体的阻隔，隧道壁的吸收和反射，高频无线电波能量传输损耗很大，形成许多弱电场区，通信距离受到限制。经实际运用测试，列车在直线隧道内运行，通话距离仅为300m,一般货物列车实际长年大于500m以上。因此机车电台与列尾电台在山谷中、隧道内，隧道群中，不能直接传输，形成400MHz列尾传输盲区。800M系统和400M系统一样，都是高频信道，同样受到山体的阻隔，隧道吸收和本身的物理特性的限制，在山谷，隧道群中，不能直接传输，形成400MHz（800MHz）列尾传输盲区。
3.2 在400MHz漏泄电缆无线列调制式区段隧道中，根据漏泄电缆的特性，机车电台与漏泄电缆的耦合衰耗正常情况下为80dB,漏泄电缆与列尾电台的耦合衰耗也为80dB,如不计算漏泄电缆的传输衰耗25dB/Km，光漏泄电缆的耦合传输就将信号衰减完了，虽漏泄电缆有双向中继器放大，但只能向里向外两种频率单方向放大传输，特别是机车电台与列尾电台在中继器的同一面，没有利用上其导引传输功能，机车电台与列尾电台在一般情况下不管是同频还是异频，不能通过漏泄电缆直接传输。根据漏泄电缆与中继器的功能、频率、方向及传输特性，在平坦地区电台使用同频工作，在隧道内使用异频频率，取消守车后，列尾装置的电台是无人值守，电台频率不可随机变化，直接与机车通话还需通过车站电台进行差转，因此在隧道中，机车电台与车站电台可以通过漏缆直接通话，而列尾电台利用不上漏缆的功能，实际人处于信号弱场状态，不能直接与机车通话，形成漏缆区段400MHz列尾传输盲区。
3.3 在400M互控台列调区段按四频组切换，机车台与列尾台均为发f4、收按 f1～f4扫描，互控电台按f1、f2、f3发射频率轮换展开，由电缆将区间互控电台与车站台沟通，根据可靠的信令协议建立链路通信，实现机车与车站的通信。在互控台列调区段，机车台与列尾台可以使用两种方式进行通信；在平坦地段，机车台与车长台可以同频联系；在隧道和山区，机车台与列尾台需要中继电台链以 f1、f2、f3的中继方式提供通信支持。区间互控台的设置是按机车台与车站台400MHz弱场设计的，由于列尾电台使用条件恶劣，电台功率和供电是有限，互控台列调系统功能无法可靠完成机车台与列尾台信道间的信息传输，所以形成列尾信道更多弱场。即使有功能更全的产品出现，区间互控台的设置也必须按机车台和列尾电台的信号弱场设计，才能保证列尾传输信道的可靠性，这样互控台的数量要增加许多，费用投资需要更大。在西安局西康新、西合线是按前后补机的特殊要求制作的依林互控电台，设备具有互控的双频率发射功能，区间互控台根据补机转发信令，控制正在工作的区间台的前后区间台来转发前后机车信令。因此在西康线等400MHz互控台列调系统中使用400MHz列尾装置时，在隧道中可通过尾部补机的差转功能，实现不完全可靠的机车与列尾间的信息传递；但在一部分互控台列调系统地区（如南昆线、阳安线等日本信合互控台系统，成昆线等依林互控台系统）没有尾部补机的差转功能，因此在这些地区的隧道，机车台与车站台可以通过互控台通话，而列尾电台实际仍处于信号弱场状态，不能直接与机车台通话，形成互控台列调区段400MHz列尾传输盲区。
四、解决弱场问题的主要措施
列尾信息传输的主要任务是完成列车首尾间的数据通信，对于平原开阔地段基本上能满足通信，但在山区复杂线路就存在较多盲区，可通率明显降低，国内目前解决列尾装置弱场问题大多采了以下几种方式：
4.1 地面中继方式。通过无线列调漏缆、区间中继器、互控台等进行转发。此方式虽不增加列尾设备投资，但列尾首尾间的通信依赖大量无线列调地面中继设备，与无线列调同频工作，相互干扰较大，使用效果并不理想。区间机车联控好时，列尾却未必畅通，时常出现途中通不上，按故障要令，但入段后检测是列尾指标都正常。所以列尾通信质量好坏，有一半取决与小三角通信的质量。
4.2 中继列尾方式。如现大秦线和南昆线，在列车中间部位加装列尾装置中继器，列尾中继方式是根据线路状况和列车长短，出发前，在列尾中部增挂中继列尾设备。此种方式无论是采用450MHz或800MHz频段，对山区线路列尾通信质量的改善，不同的线路效果不一样，不同的车列效果不一样，尾部信息的返回率约80%～90%。配置时需增加约一倍的作业人员，摘挂作业很不方便。
4.3 双信道（400MHz+400KHz）方式。如宝成线的宝广段、襄渝线、成昆线中段、神朔线等。
五、双信道（400MHz+400KHz）列尾装置保证了大准线山区电气化铁路机车与尾部之间的信息传递的可靠通信。
5.1 信息传递的可靠性
利用高频通信和感应通信互补方式，克服了山区电气化铁路高频弱电场造成列尾信道“盲区”现象，保证了货物列车的安全运行。通过双信道、双收双发、双向数传方式实现了机车与尾部通信。
400KHz信道将感应信号通过接触网导线传送到目的地(尾部主机），信号传递不受山区、隧道的影响，只要有接触网的地方就有可能接收到信息，一般传输距离在3至7公里，中间不需要对信号进行中继放大的优点来填补400M易受山区、隧道等地理环境等影响传输距离的缺点，利用400M电台是视距传播辐射，平原地区传输效果好、抗干扰能力强、电路集成度高设备运行稳定的优点，来弥补400K在大站场内接触网分流使信号减弱、易受到其它用电器的电磁干扰的缺点，形成优缺互补格局，实现了机车与尾部主机之间的可靠通信。
5.2 双信道列尾装置主要功能
⑴采用了“双向数传”技术。即机车与列尾主机之间的双方向通信全部使用数字编码，从而缩短了占用列车无线调度通信设备信道的时间，减少了列尾装置与列车无线调度通信设备之间的相互影响。
⑵列尾主机和司机控制盒配合具有列尾作业“黑匣子”数据记录功能，在配套设备的支持下，可再现列尾作业全过程；
⑶列尾主机传感器故障告警；
⑷列尾主机“零风压”报警，用于提示列车分离（车钩脱、断）等原因引起的列车制动骤然断开的不安全状况；
⑸列尾主机抗震动瞬间断电保护，在电池瞬间断开时不消除“一对一”关系
⑹列尾主机运行中电池欠压报警；
⑺司机控制盒数码显示机车号、风压、电池容量、设备状态；
⑻实现双信道的双收双发功能，解决了某一信道故障后，另一信道仍能保证列尾装置正常工作。
⑼数传+语音调制方式，以数字显示和语音提示互补方式反馈列尾信息，弥补了因信噪比不足影响误码问题，使列尾信息能及时反馈给司机。
5.3 双信道列尾装置组成
由固定在机车司机控制室的司机控制盒和安装在列车尾部的列尾主机及其附属设备组成。
5.4 双信道列尾装置主机结构
双信道列尾主机由主控板、闪光板、电磁阀、传感器、400M电台、400MU型天线、400K感应电台、400K环形天线、风管及接头、7.2V/10Ah的专用数字锂电池组、底座等构成，各部分之间是通过机壳、支架、电源接触板以及排线等方式进行机械与电气上的连接，主控板是主机的核心部分。

400MHz电台
7AH蓄电池

12V 12V PTT MIC SP GND
列 尾 主 机
主 控 板

400K
感应
列尾
电台
12V
闪光板

PTT
MIC
SP
GND

12V 12V IN 12V
电磁阀2
传 感 器
电磁阀1

列尾主机结构图
5.5 双信道列尾装置主机工作原理

工作原理图
机车（机车司机控制盒）发出的确认、检查风压、排风等数字编码指令由列尾主机的电台天线接收后通过电台进行高频解调，解调后的信号进入主控板，单片机识别后执行相应的指令，如存储机车号码、读取压力传感器的风压数据以及驱动电磁阀排风等，并把执行的结果也以数字编码和语音的形式通过电台向机车回示。
5.6 双信道（450M+400K）列尾装置试验
随着大秦线万吨列车的开行，大准铁路及时进行了万吨站扩能改造，线桥隧改造加固，牵引变电所增容改造，机车同步牵引实验等一系列工作，列尾信息传递（可通率）能否满足要求是试验的一项重要内容。
5.6.1 静态试验
2006年2月10日在点岱沟车站进行,在前后距离1550米，列尾主机在列车尾钩正常连挂，重联机车均升弓，劈相器和鼓风机均打开，本务端操作司机控制盒查询尾部风压，记录尾部风压返回情况，通过20次尾部风压查询，返回19次数字信号和1次模拟语音信号，信号传输可通率95%。
5.6.2 动态试验
2006年3月25日、26日，3月29、30日和4月26日、29日，先后进行了万吨列车的牵引试验。按每分钟查询一次，进出站各一次，隧道和弯道等重点区段多试的原则进行列尾动态试验。首次试验效果并不理想，隧道和弯道近30%不通；在燕庄站发车时，400K返回语音断续；400M因与国铁无线列调同频受干扰较大造成解码低。返回后，对机车电台、列尾电台与控制板接口指标重新进行了测试调整，如调制频偏和SP接收等。解决上述问题后，在第二次试验中，上行共查391次，返回387次，可通率达99%（其中有5次虽然没解码，但模拟语音清晰）；下行单400KHz信道,除在北黄土沟站过分相处（后查属高频过相装置故障）、黄河大桥、燕庄车站(两侧股道有列车通过时）共有三次例外，其它每次查询都能及时返回信息并解码，可通率也达99%，双信道可通率也超过99%，仅2次语音断续未听清。5月18日、20、23、27日，有进行了四次添乘试验，进一步检验信息传输的可通率和设备的稳定性，除2次中途出现电池欠压报警（在前方站更换电池后恢复正常）外，其它区段均畅通。
5.7 双信道列尾装置故障排查内容
日常工作中要加强列尾装置隐患排查力度，确保设备安全、可靠运行。排查内容如下：
⑴列尾主机电池电压及容量是否在标准范围值内，与主机接触是否良好。
⑵列尾主机天线发射（接收）场强是否良好，各部件连接是否紧固，外观状态有无损坏、异常现象。
⑶列尾主机输入机车号是否正确，是否有两台以上列尾主机输入了同一机车号码。
⑷列车更换本务机车后，列尾主机原有的机车号码是否消号成功。
⑸列尾主机号码是被本列本务机车确认，还是被非本务机车抢走。
⑹列尾司机控制盒确认主机是否正确。
⑺无线列调电台和列尾确认仪是否存在常发射与同频干扰问题。
⑻换挂、重联机车司机消号、确认时机、风压及按键间隔时间操作是否标准。
⑼列尾机车设备的号码与机车本身的号码是否一致。
⑽是否有多台机车在同一站场同时进行消号、确认操作。
⑾故障发生地区场强环境是否满足列尾信号传输条件。
⑿周边地区是否存在较强或不定时的信号干扰源。
⒀列尾主机在检测台上检测的各项数据是否正常，检测结论是否合格。
⒁查看列尾主机“黑匣子”运行数据。
⒂查看列尾司机控制盒“黑匣子”运行数据。
5.7 双信道列尾装置运行结论
从2006年至今，经过多年时间上线运用证明，双信道列尾装置采用400MHz+ 400KHz双重场强覆盖，双信道互补，场强覆盖率达到95%以上，解决了山区电气化区段弱场区的通信问题，在不增加设备、不改变列尾作业程序和作业量的情况下，充分发挥了列尾装置在山区电气铁路的保安作用。
六、开行2万吨列车列尾装置展望
做为连接巴准、准池线的大准铁路，要更好地发挥枢纽通道的作用，适应前方通道（朔黄铁路）对货物运输能力的需求，仅仅依靠开行万吨列车，是不可能完成的。所以，要完成超过3亿吨的年运量，开行两万吨列车势在必行。
目前大准铁路采用重联线方式传输解决机车同步操纵问题，此技术仅适合于单元万吨列车开行。若开行两万吨列车，必须解决机车无线同步操纵技术。我国曾采用传统机车车辆制动机成功开行过万吨列车和2 万t 列车。大秦线开行的2 万t 货物列车, 在车辆采用120 型空气制动机技术的基础上, 机车采用了美国GE 公司的空气制动同步操作Locotrol技术。
现大秦线正在使用的是北京中铁公司研发的一种可控列尾装置，其基本功能是:当司机操纵列车空气制动装置对列车进行制动减速时，可控列尾装置根据来自LKJ 的列车管减压量信息，由列尾控制盒生成控制指令，通过GSM-R 网络及LOCOTROL 地面应用节点(AN)、控制列尾主机在列车尾部对列车管同步减压。当减压量达到给定值时，停止减压。
随着新技术的采用与科学技术的不断发展，将来的列尾装置将是向着体积小、重量轻、操作简便、功能更齐全、稳定性和可靠性高等方向发展，为重载2万吨列车的正常开行提供更有效、更安全保证，发挥着更重要的做用。

参考文献
[1] 曲星照，苟天戈.列尾装置与列尾作业员[M].北京：中国铁道出版社，2007.9
[2] 耿志修.大秦铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.3

杨海云 神华准能大准铁路通信段 工程师， 010300 鄂尔多斯
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