楊四海

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動車段，上海 201803)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，CR400BF平臺動車組擔(dān)負(fù)著京滬高速、滬昆高速等重要干線的旅客運(yùn)輸任務(wù)，使得保障動車組運(yùn)行安全及旅客乘坐舒適的任務(wù)變得愈加艱巨，因此減少動車組超員報(bào)警造成的影響也就具有了重要意義。本文將對CR400BF平臺動車組超員報(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平臺動車組超員報(bào)警對運(yùn)營秩序造成的不良影響，確保行車安全。

1 CR400BF平臺動車組超員報(bào)警原理簡介

1.1 超員報(bào)警的控制原理

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

1.2 空氣彈簧壓力與車重載荷特性關(guān)系

車輛質(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，變壓器車簧下質(zhì)量M0=13 508 kg(不同轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量不同)；

M——車輛質(zhì)量，kg。

根據(jù)式(1)導(dǎo)出空氣彈簧壓力與車輛質(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平臺動車組將超員狀態(tài)分為超員預(yù)警和超員報(bào)警2級，各車廂的超員預(yù)警值按本車超員20%(定員的20%)后的車重+檢測誤差1.25 t(考慮空氣彈簧檢查誤差、車輛積灰等因素)設(shè)置，接近或超過最大軸重限制值66.75 t(軸重68 t-檢測誤差1.25 t)的車輛僅設(shè)超員報(bào)警。各車超員報(bào)警值按最大軸重限制值作為設(shè)置依據(jù)，接近或超過最大軸重限制值66.75 t的車輛按66.75 t設(shè)置，其余各車按66.25 t設(shè)置，整列車超員預(yù)警值和超員報(bào)警值為各單車超員預(yù)警值和超員報(bào)警值之和。

1.4 超員報(bào)警處置措施

CR400BF平臺動車組發(fā)生超員報(bào)警時，列車HMI屏將報(bào)出單車超員報(bào)警(代碼：500C)或列車超員報(bào)警(代碼：500D)，并伴隨聲光報(bào)警提示，同時在報(bào)警車廂內(nèi)廣播和顯示超員信息。客運(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。

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)，中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司配屬的CR400BF平臺動車組共發(fā)生超員報(bào)警40起。按車型分類：CR400BF型動車組11件、CR400BF-A型動車組24件、CR400BF-B型動車組5件。對發(fā)生超員報(bào)警的車組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)CR400BF-A-5066動車組發(fā)生超員報(bào)警次數(shù)最多(7次)，其次，CR400BF-A-3027和CR400BF-A-3095動車組均發(fā)生超員報(bào)警3次。對超員報(bào)警車廂進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)報(bào)警主要集中在03、06、11、14號車廂，上述車廂為主變壓器及車頂高壓受流設(shè)備所在車廂。

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動車組為例，針對2021年2月21日該車擔(dān)當(dāng)G592次交路于麻城北站觸發(fā)超員報(bào)警的情況，從多個維度進(jìn)行綜合分析。

2.2.1 車載數(shù)據(jù)分析

下載解析CR400BF-A-5066動車組MVB數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示故障發(fā)生時刻報(bào)警車廂測算車重均超過設(shè)定的報(bào)警值，但報(bào)警車廂內(nèi)實(shí)際超載旅客人數(shù)均未達(dá)到車廂設(shè)定的可超員人數(shù)，如表1所示。

表1 CR400BF-A-5066動車組MVB數(shù)據(jù)

2.2.2 轉(zhuǎn)向架空氣彈簧特性分析

(1) CR400BF平臺動車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，提升列車通過曲線性能，可緩和車體的垂向和橫向振動。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)口與車體的供風(fēng)管路連接。當(dāng)空氣彈簧內(nèi)氣壓不足時，膠囊下部的疊層橡膠堆可起到一定的垂直減振作用，保證車輛安全行駛(需要限速)。

(2) CR400BF平臺動車組空車和定員載荷對應(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《鐵道車輛空氣彈簧》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)。

CR400BF平臺動車組裝配的轉(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2家供應(yīng)商的空氣彈簧分別取樣進(jìn)行檢測分析，具體情況如下：

(1) 實(shí)測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，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，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。

通過取樣測試可知，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)的主變壓器所在車廂為例(CR400BF動車組03、06車及CR400BF-A/B動車組03、06、11、14車)，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車重造成的影響如表2所示。

表2 空氣彈簧載荷偏差對車重的影響

根據(jù)表2中空氣彈簧載荷偏差對車重的影響規(guī)律可知，當(dāng)空氣彈簧載荷產(chǎn)生正偏差時，將會引起車輛換算的車重增大，鑒于車廂超員報(bào)警設(shè)定值是不變的，則相當(dāng)于變相減少了車廂的承載能力。例如03車定員載荷時車重為66.01 t，當(dāng)該車廂空氣彈簧壓力正偏差超過+2%時，車輛換算后的車重達(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量偏差分析

(1) CR400BF平臺動車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(4～20 mA)至制動控制單元后轉(zhuǎn)化為壓力信號，用于換算車重。

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

表3 空氣彈簧壓力傳感器測量偏差對車重的影響

(3) 使用壓力表檢測CR400BF-A-5066動車組空氣彈簧實(shí)際壓力值，并與制動控制單元監(jiān)測值進(jìn)行比對，其實(shí)際壓力值與軟件監(jiān)測值基本一致，說明該車空氣彈簧壓力傳感器檢測精度準(zhǔn)確，不存在明顯的檢測偏差。

2.2.4 車廂配重試驗(yàn)情況分析

選取CR400BF-A-5066動車組06車，對車廂內(nèi)旅客分布不同時的載荷(無行李)變化情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并對相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 CR400BF-A-5066動車組06車配重試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4中可以看出：

(1) 06車在90人(定員)按席就坐后，車輛檢測車重為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，說明該車廂允許的超員余量較小。

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

(3) 06車人員在車廂內(nèi)分布不同時，車輛檢測的空氣彈簧壓力變化較大，說明壓力傳感器檢測無延時現(xiàn)象，即當(dāng)超員旅客疏散后，檢測車重小于報(bào)警值時故障可立即消除。

2.3 分析結(jié)論

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

(1) 因?qū)嶋H超員人數(shù)超過車輛設(shè)定的允許超員人數(shù)，導(dǎo)致車輛檢測車重超出設(shè)定超員報(bào)警值。其中，CR400BF平臺動車組03、06、11、14車因裝配有主變壓器及車頂高壓受流設(shè)備，車廂整備質(zhì)量較大，在定員載荷時已接近報(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)警車廂的空氣彈簧載荷正偏差較大，車輛檢測車重大于實(shí)際車重，使得車廂可允許的超員載荷余量減少；第二，當(dāng)前計(jì)算車廂承載量時，人均質(zhì)量按照80 kg(加行李)考慮，但通過車廂配重試驗(yàn)結(jié)果可知，90人(定員)未附加行李的情況下，檢測車重已達(dá)到車廂定員載荷值，因此，用人均質(zhì)量計(jì)算不符合實(shí)際情況；第三，根據(jù)車廂配重試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)旅客集中于車廂端部時，將影響相鄰車廂的車重檢測值，若相鄰車廂的檢測車重已接近超員報(bào)警值，則可能導(dǎo)致其觸發(fā)超員報(bào)警，同時也印證了車輛到站旅客集中至車端車門處進(jìn)行乘降時，易發(fā)生車廂超員報(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

針對后續(xù)新造和高級修的CR400BF平臺動車組，在空氣彈簧裝車前進(jìn)行內(nèi)載荷測試以及測試值標(biāo)記，以確保整備質(zhì)量較大的車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平臺動車組發(fā)生超員報(bào)警時，無法有序、高效地對無座旅客進(jìn)行疏散，從而無法及時解除超員報(bào)警對行車的影響。通過上述分析，根據(jù)各車廂實(shí)際的超員載荷能力，對車組超員報(bào)警時旅客疏散方案優(yōu)化如下：

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

(2) 變壓器車廂發(fā)生超員報(bào)警時，03車優(yōu)先向02車分流，06車優(yōu)先向05車分流，11車向相鄰車廂分流，14車優(yōu)先向15車分流。

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

(4) 疏散旅客時應(yīng)盡量避免人群集中至車廂端部，建議向車廂中部疏散，以減少對相鄰車廂載重的影響。同時建議車組到站進(jìn)行旅客乘降時，同一車廂可采取一端上客一端下客的措施，以減少車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)過對車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車重檢測誤差值調(diào)整至0.25 t，同時車廂最大軸重限制值也相應(yīng)調(diào)整為67.75 t(軸重68 t-檢測誤差0.25 t)，并根據(jù)原有超員報(bào)警設(shè)置依據(jù)，通過在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)內(nèi)上載軟件補(bǔ)丁Buffer對超員報(bào)警閾值進(jìn)行優(yōu)化，各車廂超員承載能力提升了1 t(約12人)。目前已完成了對全部CR400BF平臺動車組的升級優(yōu)化，運(yùn)用效果良好。CR400BF平臺動車組優(yōu)化后的超員報(bào)警閾值如表5所示。

表5 CR400BF平臺動車組優(yōu)化后的超員報(bào)警閾值

3.4 研究開發(fā)智能型空氣彈簧

研究開發(fā)內(nèi)置個體性能參數(shù)信息存儲芯片的智能型空氣彈簧。測試每個產(chǎn)品精準(zhǔn)的內(nèi)載荷關(guān)系及相關(guān)性能參數(shù)，并存儲于空氣彈簧內(nèi)置芯片中，在列車制動控制系統(tǒng)檢測空氣彈簧壓力進(jìn)行車重?fù)Q算時，同時讀取個體空氣彈簧內(nèi)載荷關(guān)系參數(shù)，通過在車重?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)載荷偏差對換算車重帶來的不良影響，確保計(jì)算的車重值精準(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平臺動車組超員預(yù)判提示功能的可行性。摸索車組空氣彈簧壓力在車組靜止及運(yùn)行過程中的變化規(guī)律，評估通過空氣彈簧壓力變化預(yù)估車廂內(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“旅客列車實(shí)時密度表”內(nèi)各站點(diǎn)上下客流量情況，估算列車運(yùn)行至下個站點(diǎn)后車廂超員的可能性及超員人數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)通過PHM系統(tǒng)提前發(fā)出相應(yīng)提示信息，為客運(yùn)部門和車站提前做好車廂內(nèi)旅客有序疏散及為站臺內(nèi)旅客上車位置安排提供科學(xué)的合理化建議。

4 結(jié)束語

CR400BF平臺動車組超員報(bào)警功能是一種檢測動車組超載的成熟技術(shù)，但受空氣彈簧載荷特性、車廂配重情況等因素的影響，造成動車組超員承載能力降低。本文對CR400BF平臺動車組超員報(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CR400BF平臺動車組超員報(bào)警問題提供可靠的參考，盡可能降低超員報(bào)警對運(yùn)輸秩序帶來的影響，從而提高動車組的運(yùn)行安全及服務(wù)質(zhì)量。