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高速列車運行安全監(jiān)控技術(shù)

文檔作者：陸嘯秋1 趙紅衛(wèi)2 黃志平2 高楓2 文檔來源： 1 鐵道部運輸局裝備部 2 中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月11日
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第31卷第2期
2011年4月
鐵道機車車輛
RAILWAY LOCOMOTIVE＆CAR
V01．31 No．2
Apr． 2011
文章編號：1008—7842(2011)02一0034一04
高速列車運行安全監(jiān)控技術(shù)
陸嘯秋1，趙紅衛(wèi)2，黃志平2，高楓2
(1 鐵道部運輸局裝備部，北京100844；
2 中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，北京100081)
摘要隨著列車運營速度的不斷提升，高速列車的運行安全監(jiān)控技術(shù)變得越發(fā)重要。從高速動車組的設(shè)計、運
用和維修保障等方面出發(fā)介紹了高速動車組的安全保障體系，采用可靠性、冗余設(shè)計和診斷技術(shù)的車載安全技術(shù)，
采用GPRS的動車組遠程傳輸系統(tǒng)信息化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫診斷及專家系統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)庫技術(shù)，綜合故障維修安全保
障技術(shù)。以CRH。型動車組為例分別介紹了高速動車組的運行安全監(jiān)控體系的構(gòu)成，并提出了高速列車運行安全
監(jiān)控體系的研究方向。
關(guān)鍵詞高速動車組；安全監(jiān)控；故障維修
中圖分類號：U298．1+2 文獻標(biāo)志碼：A
隨著列車運營速度的不斷提升，高速列車的運行安
全越來越受到列車的設(shè)計生產(chǎn)部門、運用管理部門及鐵
路乘客的廣泛關(guān)注。高速列車的運行安全性、可靠性和
可維護性是列車運行安全的重要保障。
世界鐵路發(fā)達國家在本國鐵路發(fā)展過程中都充分發(fā)
展了與本國鐵路路網(wǎng)、機車車輛、運營管理相適應(yīng)的安全
監(jiān)控與防范體系，由于各國鐵路發(fā)展時所處的歷史技術(shù)
條件不同，所以每個國家所采用的安全監(jiān)測方式和防范
手段也有所不同，各有特點。歐洲一些國家的高速動車
組上，采用了車載控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將安全相關(guān)的監(jiān)控信息
集中到車載監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備通過車地?zé)o線傳輸方式將
信息傳輸至地面，地面人員再根據(jù)故障信息分類組織維
修，從而大大提高了檢修效率和動車組可用性。
我國已有的普通機車和客車的設(shè)計、檢修和安全防
范體系已明顯不適應(yīng)高速的運營需求，因此為保障高速
動車組的運營安全，在動車組的設(shè)計、運用和維修中，各
級鐵路部門綜合采用了多種先進的控制與診斷技術(shù)，在
動車組的設(shè)計、生產(chǎn)和運用管理部門的協(xié)調(diào)配合下，共
同建立了較為完善的高速動車組的安全運行監(jiān)控體系，
為高速動車組運營安全奠定了基礎(chǔ)。
我國安全監(jiān)控體系的特點是集車載安全診斷技術(shù)、
遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、地面安全診斷技術(shù)、維修安全保障
技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合安全保障體系。高速動車組在設(shè)計
過程中開展安全性和可靠性研究，在運行中對系統(tǒng)和設(shè)
備狀態(tài)進行監(jiān)控，建立實時數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)對故障進
行在線診斷，通過遠程無線傳輸系統(tǒng)傳輸故障信息，進
行運行數(shù)據(jù)地面存儲、數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)挖掘，建立地面
數(shù)據(jù)庫和專家診斷系統(tǒng)對故障數(shù)據(jù)進行歸納和統(tǒng)計分
析，建立面向目標(biāo)群的綜合維修數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用現(xiàn)場維修、
交互式維修和遠程維修技術(shù)，建立以鐵道部為中心的鐵
道部、鐵路局和動車所3級動車組安全維修保障和故障
防范體系。表1為高速列車運行安全監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)。
表1高速列車運行安全監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)
1車載安全診斷技術(shù)
車載安全是高速動車組運行安全監(jiān)控體系中最為
重要的環(huán)節(jié)，也是其他環(huán)節(jié)安全監(jiān)控目標(biāo)實現(xiàn)的集中體
現(xiàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。車載安全診斷技術(shù)，采用可靠性和
冗余設(shè)計、安全環(huán)路等技術(shù)提高系統(tǒng)的設(shè)計安全性，應(yīng)
用在線監(jiān)測技術(shù)監(jiān)視系統(tǒng)或設(shè)備的工作狀態(tài)，提高運行
安全性，利用故障診斷與容錯控制技術(shù)、信息處理技術(shù)
陸嘯秋(1959一)男，江蘇常州人，高級工程師(收稿日期：2010一12—24)
萬方數(shù)據(jù)
第2期高速列車運行安全監(jiān)控技術(shù)35
和故障診斷模型快速準(zhǔn)確識別故障并判定故障位置，盡
可能在故障剛剛發(fā)生時就能識別，自動收集故障原因，
通過車載列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息共享、故障信
息傳輸、故障信息集中顯示和故障導(dǎo)向安全措施等安全
防護和導(dǎo)向安全策略。
為實現(xiàn)高速動車組的運行安全，車載系統(tǒng)對安全相
關(guān)系統(tǒng)進行了可靠性設(shè)計和安全保護，尤其在動車組速
度提升后為實現(xiàn)動車組運用安全，采用了多種監(jiān)控和診
斷技術(shù)實現(xiàn)了對動車組高壓、牽引、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的故障
在線識別和故障導(dǎo)向安全措施，例如封鎖高壓或牽引系
統(tǒng)輸出、切除故障設(shè)備、自動實施保護制動及限速運行
等。下面以CRH。型動車組為例介紹高速動車組實現(xiàn)
的主要安全監(jiān)控功能。
1．1高壓系統(tǒng)監(jiān)控功能
CRH。型動車組高壓系統(tǒng)保護包括網(wǎng)壓、網(wǎng)流監(jiān)視
保護、變壓器原邊電流過流保護、主變壓器過流保護、主
變壓器差分電流超限保護、滑板斷裂監(jiān)視保護、瓦斯繼
電器報警保護、主變壓器油流、油溫監(jiān)測保護等，具體監(jiān)
視內(nèi)容和保護措施詳見表2。
表2 CRH，型動車組高壓系統(tǒng)主要監(jiān)測功能列表
序號監(jiān)控內(nèi)容保護措施
網(wǎng)流檢測
網(wǎng)壓檢測
主變壓器原邊電流檢測
接地電流檢測
空載電流檢測
車頂高壓線路過流檢測
滑板監(jiān)視功能
8 主變壓器溫度和冷卻裝置檢測
9 瓦斯繼電器報警
當(dāng)檢測到網(wǎng)流超限時。分主斷。封鎖豐變壓器和陰象限變流器
當(dāng)檢測到網(wǎng)，＆不在限值范圍時，分主斷，降弓
當(dāng)檢測到豐變壓器原邊電流超限時，分主斷，封鎖主變壓器和四象限變流器
當(dāng)宅變壓器原邊電流和接地電流之間的差值超限時，分宅斷，封鎖豐變壓器和四象限變流器
當(dāng)牽引系統(tǒng)／車載輔助電源未工作，主變壓器原邊電流超限時，分主斷，封鎖主變壓器
網(wǎng)流和主變＆器原邊電流之問的差值超限時。分豐斷，封鎖四象限變流器
受電弓裝有自動降落設(shè)備，當(dāng)滑板斷裂時．軟管會破裂，引發(fā)受電弓自動降下，與此同時，主
斷路器斷開。通過空氣壓力判斷滑板狀態(tài)，也町以引起降r)和分}斷
采集辛變壓器冷卻裝置的出入口油溫．I監(jiān)視變壓器油位、冷卻風(fēng)扇的下作狀態(tài)，當(dāng)油溫信號
不合理或冷卻風(fēng)痢故障時，通過降低變壓器功率輸出保護變腿器，共至導(dǎo)致分主斷、網(wǎng)象限
變流器被封鎖
當(dāng)中央控制單元檢測到瓦斯繼電器報警時。會立刻分E斷，封鎖變壓器
1．2 牽引系統(tǒng)監(jiān)控功能
列車的中央控制單元通過車載網(wǎng)絡(luò)向牽引控制單
元發(fā)送牽引系統(tǒng)相關(guān)的控制命令和設(shè)定值，處理牽引控
制單元反饋的狀態(tài)信息。牽引控制單元輸入輸出通道
直接采集重要的牽引系統(tǒng)控制信號，采用模塊化控制方
法實現(xiàn)對高速動車組牽引部件的控制、調(diào)整、監(jiān)測和保
護。動車組牽引系統(tǒng)包括的主要監(jiān)測功能列表見表3。
表3 cRH，型動車組牽引系統(tǒng)主要監(jiān)測功能列表
1．3 轉(zhuǎn)向架以及安全系統(tǒng)監(jiān)控功能
列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有軸溫監(jiān)測、軸抱死滑行檢
測、運行穩(wěn)定性檢測、司機安全監(jiān)測以及安全環(huán)路等安
全監(jiān)測功能。轉(zhuǎn)向架以及安全系統(tǒng)監(jiān)控功能見表4。
萬方數(shù)據(jù)
鐵道機車車輛第31卷
表4 cRH3型動車組轉(zhuǎn)向架以及安全系統(tǒng)檢測功能
1．4 控制系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全功能
高速列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)承擔(dān)整個列車的控制、監(jiān)視
與診斷功能，如果列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障將嚴重影響列
車的正常運行及安全，因此CRH。型動車組對控制系
統(tǒng)的通信通道故障及設(shè)備故障進行設(shè)計，并實現(xiàn)了多種
冗余控制策略及故障導(dǎo)向安全功能，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可
靠性和安全性得到進一步提高。例如主要列車控制設(shè)
備如中央控制單元、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理器采用冗余設(shè)計，重
要的輸入輸出設(shè)備如司機牽引控制手柄和速度控制手
柄的輸入采集，wTB和MVB網(wǎng)絡(luò)通信采用雙通道冗
余控制等，提高了動車組運行可靠性和安全性。
2遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
由于高速動車組投入運營時間不長，各種運營管理
經(jīng)驗還比較欠缺，為了解動車組在整個運行過程中可能
出現(xiàn)的各種情況，對牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)或其他系統(tǒng)在
不同氣候條件、不同工況下的運行狀態(tài)進行安全監(jiān)控，
對實時運行數(shù)據(jù)進行了遠程傳輸；針對高速動車組綜合
保障過程中，異地資源利用率低、故障及維修信息無法
共享、故障診斷時間長、現(xiàn)場維修處理不及時或不得當(dāng)，
設(shè)計人員必須到現(xiàn)場等問題，對故障數(shù)據(jù)進行了遠程傳
輸。
CRH。型動車組使用了基于GPRS無線傳輸技術(shù)
的遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)動車組運行速度提高，無線
通信狀態(tài)不穩(wěn)定等特點，制定了無線傳輸系統(tǒng)的通信協(xié)
議，并設(shè)置了多種緩存和糾錯機制，保證了無線數(shù)據(jù)傳
輸?shù)目煽啃?，滿足了動車組運用管理檢修部門對運行動
車組動態(tài)跟蹤監(jiān)控、遠程技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo)，并
即時組織維修的實際運用需求。
如圖1遠程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)方案所示，在CRHs型
動車組的司機室安裝了車載無線傳輸設(shè)備，在動車組檢
修運用所部署接收處理服務(wù)器，當(dāng)車載設(shè)備監(jiān)測到影響
動車組安全運行或設(shè)備發(fā)生異常、故障報警時，自動啟
動報警實時發(fā)送機制，將故障信息通過GPRS實時發(fā)
送出去，故障信息包含發(fā)生故障動車組的車次、車廂號、
車號、故障發(fā)生時間、發(fā)生故障設(shè)備類型、故障描述、故
障相關(guān)數(shù)據(jù)等。定時信息包括動車組的車次、車廂號、
車號、時間、監(jiān)測項類型、監(jiān)測項狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)工作正常
時，定時通過GPRS向地面發(fā)送各系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)特征
信息和GPs定位信息。動車組到站后，通過在車站架
設(shè)的WLAN設(shè)備與天線，把車載無線傳輸設(shè)備所監(jiān)測
到的實時記錄數(shù)據(jù)下載到服務(wù)器，通過自動導(dǎo)入程序把
數(shù)據(jù)放人數(shù)據(jù)庫保存，并通過地面專家系統(tǒng)進行進一步
綜合診斷，以便于分析和查找事故原因，摸清故障規(guī)律。
圖l動車組遠程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)方案
3數(shù)據(jù)庫綜合診斷與應(yīng)用技術(shù)
采用數(shù)據(jù)庫對實時接收和記錄數(shù)據(jù)進行存儲、處
理、查詢，對故障信息進行統(tǒng)計和分類處理、綜合故障診
斷和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實現(xiàn)故障診斷專家系統(tǒng)。用數(shù)據(jù)
和量化的方法分析和診斷故障，相對于人工處理大大提
高了工作效率。對歷史數(shù)據(jù)的保存和檢索也非常方便，
在處理各種故障的時候有了歷史數(shù)據(jù)的對照，對以前的
故障情況有全面的了解，有利于對動車組運行狀態(tài)和設(shè)
備質(zhì)量進行深層次的跟蹤和動態(tài)質(zhì)量控制。
利用無線傳輸系統(tǒng)傳輸至地面數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，使用
基于B／S架構(gòu)的網(wǎng)站系統(tǒng)，用戶可以通過網(wǎng)頁查看到
當(dāng)前運行動車組的司機操作狀態(tài)、運行位置、高壓、牽
引、制動、輔助、安全環(huán)、門、空調(diào)、照明等系統(tǒng)的主要參
數(shù)，便于監(jiān)控動車組的安全運行工況。
用戶可以通過網(wǎng)頁查詢到未恢復(fù)／已恢復(fù)的故障、
故障詳細描述、處置建議等，系統(tǒng)提供了按時間范圍、列
萬方數(shù)據(jù)
第2期高速列車運行安全監(jiān)控技術(shù)37
號、車號、故障代碼、故障級別、子系統(tǒng)、是否恢復(fù)、是否
維修模式等條件進行組合查詢(圖2，圖3)。
圖4故障分布規(guī)律統(tǒng)計頁面
用戶還可以通過網(wǎng)頁，查看動車組全程運行的位置
及回放，以直觀的圖形方式查看數(shù)據(jù)曲線圖，包括速度、
網(wǎng)壓、網(wǎng)流、牽引變壓器、變流器、電機等主要部件溫度
變化曲線。
利用地面綜合數(shù)據(jù)庫，能夠存儲動車組的各種故障
信息，迅速便捷地查找故障說明及故障維修建議，根據(jù)
維修分類和級別組織維修。在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行故障分
類匯總，便于對頻發(fā)故障進行跟蹤和調(diào)查，分析故障原
因找到相應(yīng)的處理方案，識別不符合可靠性要求的部
件、并在設(shè)計和維修中改進，進一步提高質(zhì)量、提高列車
可靠性和可用性。
4維修安全保障技術(shù)
在高速動車組運用過程中，尤其在動車組投入運用
的初期是大量故障的爆發(fā)期，需要對動車組的故障及時
分析和排除。在鐵路運用管理部門的大力組織下，每個
月的故障情況及故障維修情況都及時進行分類統(tǒng)計匯
總，故障發(fā)生的次數(shù)及波及的影響大為下降，隨著安全
監(jiān)控地面數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用，對故障數(shù)據(jù)的歸納、統(tǒng)計、
分析和深入數(shù)據(jù)挖掘變得更為便捷，對動車組的故障維
修起到促進作用。
可靠性理論和現(xiàn)代維修理論認為，大型復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)
生故障后，如果能夠得到及時更換和維修，則經(jīng)過一段
時間的運用后，其故障率會保持相對平穩(wěn)。對高速動車
組進行狀態(tài)修，對故障進行及時檢查和排除尤為重要。
由于高速動車組是一個大型的復(fù)雜系統(tǒng)，故障的排除有
時需要多專業(yè)人員相互配合。為實現(xiàn)對動車組的及時
維修，提高動車組的可用性，一方面需要提高維修人員
的素質(zhì)，并增加對人員的操作培訓(xùn)，另一方面還需要先
進的維修技術(shù)支持系統(tǒng)提供保障。
國外交互式診斷維護系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍事和航空
領(lǐng)域，其應(yīng)用既實現(xiàn)了智能化的交互也實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的
集成，可指導(dǎo)實現(xiàn)交互式的故障診斷、隔離、維修，并實
現(xiàn)多系統(tǒng)的信息共享和互操作。針對這種情況，目前研
制開發(fā)出CRH。型動車組維修人員交互式技術(shù)手冊。
目前交互式電子手冊還處于第一代，可通過文字或圖片
方式向維修人員提供維修幫助和故障案例。下一代交
互式電子手冊，將采用多種交互方式可有效提高交互效
率，具有更強的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通過對交互信息任務(wù)
流的合理組織和作業(yè)人員意圖的智能化理解，使系統(tǒng)能
夠更快、更準(zhǔn)的鎖定故障的原因和解決方法，并提供交
互式故障診斷功能、數(shù)據(jù)安全功能和維修R志功能等。
目前交互式維修系統(tǒng)在CRH。型動車組武廣線聯(lián)
調(diào)聯(lián)試試驗和武廣線運營中，為動車組管理及運用部門
及時掌握動車組狀態(tài)、動車組設(shè)備故障情況提供了有效
(下轉(zhuǎn)第8l頁)
萬方數(shù)據(jù)
第2期牽引變流器中支撐電容器研究81
西南交通大學(xué)，2008．
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Study of the Dc—Link Capacitor fOr Traction ConVerter
CHEN Y砬咒一戶i挖g，XJN Li，Lf Z矗。咒g一^口o
(Technology Center，Zhuzhou CSR Electric Co．，Ltd．，Zhuzhou 412001 Hunan，China)
A．bstract：This paper provides the sufficient principle and methods for the parameters choosing of the support capacitor in the traction
converter． First，the parameters calculation principle of the support capacitor i5 introduced in detail with the example of pulse rectifier，
and is conformed by the computer simulation；then five common choosing design methods for the support capacitor are introduced，
which include circuit analysis method，simulation method，estimation method，energy calculation method as well as experimental meth—
od．
1始y words：traction converter；support capacitor；secondary f．1ter capacitor；PWIⅥconverter；secondary resonant circuit
搴搴秘鷂秘零零秘零秘秘秘零秘零零撰秘零祭零零鷂秘鶘祭零秘零秘祭零零零祭秘零零零祭祭零鹋祭零秘秘鷂祭祭祭零
(上接第37頁)
的安全監(jiān)控手段，并通過故障維修指導(dǎo)和故障檢查和驗
證步驟的有效提示等功能，提高了動車組的故障檢修合
格率。
5結(jié)束語
為實現(xiàn)確保高速動車組運行安全的目標(biāo)，必須建立
建全覆蓋設(shè)計制造、運行監(jiān)控、運營維護、升級改進等全
部過程的高速列車運行安全監(jiān)控體系。需要一系列的
先進技術(shù)，如車載安全診斷技術(shù)、遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、地
面安全診斷技術(shù)、維修安全保障技術(shù)及可靠性保障措施
等支撐條件。
高速列車運行安全監(jiān)控體系還應(yīng)該建全和完善包
括安全性標(biāo)準(zhǔn)、安全性保證方法、安全性驗證方法、安全
性評估模型等內(nèi)容，為列車設(shè)計制造商、設(shè)備供應(yīng)商、生
產(chǎn)集成商、各級運營管理單位提供參考依據(jù)，建立和完
善高速列車運行安全性評價指標(biāo)和評價方法，真正為中
國高速動車組的運行安全提供技術(shù)保障和基礎(chǔ)。
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TY字第2863號，中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所，
20】0．
Highspeed Train Running Safety Monitoring Technology
LU X如。一qi“1，ZHAO Ho咒g一硼8i 2，HU_ANG Z^i一戶i咒g 2，GAo FP以g
2
(1 Equipment Department，Transportation Bureau of MOR，Be巧ing 100844，China；
2 Locomotive&amp;amp;Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Be巧ing 100081，China)
Abstract：With the increase of train operation speed，running safety monitoring techn0109y of high speed train has gradually become
more important．From the design，application，maintenamce and other aspects，this article introduces high speed E】V【V’s safety guaran—
tee system，which adopts the fbIlowing techniques：onboard safety technology with reliabiIity，redundancy design and diagnostic tech—
nology；infomation technology of EMU’s longdistance wireless transmission system with GPRS；ground database tecchnology of data—
base diagnostic and expert system；comprehensive fault maintenance safety guarantee techology．
This article takes for example CRH3 EMU，introduces the structure of CRH3’s running safety monitoring system and proposes re—
search objectives and development trend．
Key words：high speed EMU；safety monitoring；fault maintenance
萬方數(shù)據(jù)

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