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数字时代机车

作者：John Dodge

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柴油机车、电气机车技术的优势已经存在了一个世纪之久，目前在后起之秀中还没有哪一种技术能够取代它们在货运和客运列车中的地位。柴油电气机车技术是指依靠柴油发动机驱动大型发电机，再用得到的电能驱动机车每个轮轴牵引发动机的技术。从成本、动力、控制、效率和可靠性等方面来说，这种技术相当可靠耐用。

然而这并不表明美国最大的两个机车生产商GE（GE Transportation）和GM（General Motors）的EMD（Electro-MotiveDivision，电子驱动部）部门，在面对电子技术的蓬勃发展时会停步不前。EMD自1930年至今一直归GM所有，但GM于今年1月12日声明它将把EMD部门出售给Greenbriar Equity Group和Berkshire Partners。

数字时代始于十几年前，在那之前柴油电气技术的发展一直颇为缓慢。毕竟，火车头的核心技术可以追溯到蒸汽机车时代，那是一些身负重担，并且肮脏不堪的机械猛兽。现在的机车长约76英尺，重量超过200吨，造价高于2000美元。而且它是高度专业化的，对平常人来说，进入它的机会微乎其微，跟中彩票的几率差不多，就更不要提对它进行操纵了。机车的产量也比卡车少得多，例如，2004年GE的产量有826台，而EMD约500到600台。

技术改革

在过去的十年中，计算机和网络技术席卷了火车机车和相应的基础结构设施。机车的驾驶室现在已不像传统驾驶室那样是金属操纵杆、旋钮和量尺的大杂烩，而更像是一个航天飞机的操作室。

而且，新型机车可与诊断和技术支持中心进行无线通讯。在动力方面，直流牵引发动机主导市场几十年之后，交流牵引发动机由于性能更可靠、结构更简单，现在已占GE和EMD产品销量的一半。

以上的技术革新出现的非常及时，因为据独立铁路分析家Tony Hatch说，现在铁路运输正在进入增长阶段。他表示：“铁路工业正从成本削减阶段转为增长阶段。煤炭和集装箱的交通运输量只会越来越大。再加上例如中国和澳大利亚的需求量一直都很大，对机车工业来说，这是个好现象。”

GE Transportation 的4400hp Evolution 系列机车，它简洁的线条，
轻巧的外形都让人耳目一新。

火车机车最基本的功能是拉、推、起动和停止。但极端的环境条件会使它的运行变得困难。例如一列装有110辆轿车、10,000吨谷物的列车，它的载重量比一艘海军驱逐舰的总重还要重2,000吨，牵引它在空气稀薄的环境下翻越山岭、穿过炙热的沙漠，或者进行急转弯，对机车来说都具有足够的挑战性。但机车平稳运行的真正克星是极端的温度和湿度。

GE Transportation系统的控制和软件主管Wolfgang Daum说：“在过去的五年中，研究的重点是机车的可靠性和性能。这涉及机械、燃烧、冷却和电子等多领域的技术。我们面对的挑战是如何在载重更多、速度更快的情况下减少铁轨失效和脱轨等事故，改进产品的可靠性。这种挑战实际上是如何实现动力向铁轨的最优传递。”

铁轨上升起的新星

经过六年的开发，GE最新型的机车，4400hp Evolution系列产品已经完成了450万英里的野外测试运行。根据GE网站上的信息，开发Evolution系列的总投资高达2亿美元，现已获得25项已批准和13项未被批准的发明专利。此机车的“大脑”由20块奔腾微处理器组成，用以检测和控制各种子系统，例如柴油发动机，或“牵引机”，牵引发动机，交流发电主机；以及辅助系统，例如散热器风扇，压缩机，牵引发动机的鼓风机和蓄电池充电器等。据Daum称，这些微处理器一共需要测量和控制2,500至5,000个参数，测量的时间间隔根据系统设置，在几十微秒到几十秒的范围内变化。

我们面对的挑战是如何在载重更多、速度更快的情况下减少铁轨失效和脱轨等事故，改进产品的可靠性。

例如，一台计算机专用来监测牵引控制这样的功能，保证车轮与铁轨的附着力达到最大。铁轨和车轮的接触面积比一个一角钱的硬币大不了多少。Daum解释说，“这种钢－钢界面非常重要。每个轮轴上的1,000hp的逆流器可以调整扭矩和滑动。如果在4,400hp时出现差错，那么整个铁轨就会很快燃烧起来。”单个的轮轴控制可使滑动最小化。典型的火车机车有六个轮轴，所以如果其中一个发生滑动，传递到另一个轮轴的动力仍可使机车获得牵引。

EMD SD-70ACe 4300hp 机车带有交流牵引发动机，图中的它正在
加大气压，我们可看到它的通风口和散热器。

机载的计算机网络主要借用了汽车中的CAN（Controller Area Networks）技术。除了CAN总线，还有其他种类的网络和界面，包括RS-232，RS-488，以太网以及ArcNet。同一列火车内的多种单元进行无线通讯，而且所有网络都采用纠错技术。Daum说，计算机上运行实时的QNX Unix系统，而运行的多种动力子系统的程序是在Matlab、Matrixx和C11环境下编写的。

当代机车性能一瞥

■ 机车操作间全采用数字电子技术；
■ 元件要在机车可能遇到的各种极端环境下进行多次严格的测试；
■ 尽管混合发动机技术会很快出现,目前已经有了更强大、燃烧效率更高的柴油发动机；
■ 计算机化诊断技术可监测3,000 至5,000个机车运行参数，并将数据无线传输给工程技师。

单个大型有盖货箱可装纳111吨谷物。通常在短程运输中，这样的载重会对轻轨造成损坏。目前在世界上，对新设备的动力单元和控制性能的要求非常苛刻，因此机车的电子和数字元件必须通过更加残酷的测试。在GE公司中，工程师将电子线路板放在室温可在50秒内从-90℃升高到180℃的房间进行测试。Daum拒绝透露这些线路板具体的温度技术条件。他说：“我们做了很多测试来保证有足够的安全系数。你必须知道在室外正常运行时产品的性能。在室外，加拿大落基山脉温度仅为-50℃，而死亡峡谷温度是50℃，在隧道内由于气体和热量比较集中，温度可达到90℃。我们的测试远超过了这些极限，令人欣慰的是，即使高温熔融了线路板上的焊接剂，它仍能继续工作。”

GE还用压缩空气锤模拟电子线路板上力量高达60g的任意撞击和振动。在机车中，还特意为线路板设置了防护罩。这种防护罩可减小热冲击、振动，以及极端的温度带来的损害，但GE并没有采用防振垫，Daum表示，像电流接触器这样的电子元件必须有同等的耐受能力。这些元件的冷却主要依靠大型风扇。

超载测试是指将柴油机的负荷增加至超过其设计极限，使它在正常负荷的120％下运行，检验哪种元件最先失效。这种测试可以得到在其使用年限中机车事故的最低发生率。

发动机的效率

Evolution产品发展的关键是其发展的空间。例如，柴油发动机虽然功率越来越大，但是一直受到环境保护署日益严格的排放标准的限制。今年实施的Tier 2标准将使氮氧化物和颗粒物的排放减少，工业领域都希望环境保护署迟些再实施更加严格的规定。Evolution柴油机仅有12个气缸，它的前身却有16个，但它产生的动力远高于它的前身。

Evolution即将实现这样一项功能，当火车下坡或滑行到站时，牵引发动机能够收集多余的能量，并将此能量转化为电能储存于蓄电池组中，这样有望节省10～15％燃料燃烧产生的能量。这种所谓的混合技术发展了另一种功能，称为动态减速，它是指利用牵引发动机作为刹车系统，在过去的30年中，人们一直用这种方法使机车减速，在坡度很陡的情况下效果也非常好。这种混合技术的原理听起来很简单，但设计中碰到的困难之一就是开发蓄电池组，使其能够抵抗每天多次的电流突变。Daum说：“这是一个价值数百万的机遇。”

但混合技术的技术基础过于复杂，工程师们目前正在寻求节省燃料能量的简单方法。例如EMD开发了AutoStart（自动启动）技术，它可在机车空转的时候控制其关闭或启动。AutoStart可感应引擎的温度，电池电压、电流，以及空气存储器的压强等参数；并根据这些参数做出不同响应。在寒冷气候下，为防止系统过冷，这种机车会持续运转并因此很快损坏。一辆机车的寿命为至少40年，其中它运转的时间可能占50％或者更多。EMD估算，若每年机车空转时间平均为3600小时，将此时间减半，则每辆机车每年就可节省5400至7200加仑柴油。当机车将要启动时，若无人在控制室内，机器便会发出警报声，避免不知情的旁观者受到惊吓。

关于机车电子技术最重要的发展包括FIRE、智能火车系统，以及IGBT的应用。

EMD公司的两大革新是机载的FIRE（Functionally Integrated Railroad Electronics功能完备的铁路电子系统）计算机系统和可用于远程监测和识别的智能火车系统。这种FIRE系统也是基于奔腾处理器和CAN结构建立的，它由三台PC104总线计算机和一至三台显示器组成，计算机的操作系统为内嵌的Windows XP，显示器代替了十二个标准量表、指示器和控制器。EMD的控制和电子系统设计主管Norman Bridge说：“我们将火车机车看作为网络化装置。因此我们的工程师必须对网络非常了解。我们还调整了硬件的组件，我们是系统的组装者，面对的问题是如何获得系统组件并把它们组装到一起。例如软件，是面向对象并基于Windows XP的，因此添加新功能就变得非常容易。”（请看前页与Norman Bridge的Q&A）。

机车上的Windows XP？

Bridge称，尽管Windows XP在台式机领域名声很不好，在EMD的境遇却大不相同。他说：“我们还没有失败过，Windows用于台式电脑时碰到的大多数问题的主要原因是，它必须支持不同软件和硬件的各种组合。而机车应用程序则有专用的硬件平台，用户不可能由于更换新的视频卡或装载错误的驱动软件使原有程序发生改变。”

刚刚投入商业生产的智能火车系统，能够识别错误并报告给EMD的技术支持中心，此中心可将信息向任何方向传递。技术支持中心对于每个错误可存储5秒钟的数据，并对FIRE监测的3,000多个参数中的十分之一执行拟实时检测。与GE相同，EMD机车检测的时间间隔也是可变化的，但系统对某些信号取样的时间间隔为1毫秒。用户可在安全的网页上查看数据，或系统可向呼叫器、手机或e-mail地址发送电子警报。换句话说，用户的信息系统可直接获取数据，或技师可识别错误并向用户发送工作指令。

机车上携带的局域网可收集指示数据，例如机车速度、位置、燃料等级及消耗量，千瓦时，以及所有主要子系统的运行状态等。然后，用蜂窝电话和卫星技术将数据上传到支持中心。这样高度自动化的技术支持目前只用在最新型的产品上，例如EMD的SD70Ace和SD70M-2及其改进型产品。

它由三台PC104总线计算机和一至三台显示器组成，计算机的操作系统为内嵌的Windows
XP，显示器代替了十二个标准量表、指示器和控制器。

但机车的大多数服务仍需要技师到现场解决。EMD的市场开发和通信主管Curt Swenson说：“通过电子技术和传感器，我们可以对机车的正常运行和检修效果进行验证。真正的困难是制定相应的算法，使其能在脱离机车的情况下解释各种信号。其独特之处就在于这样做能在机车运转期间发现问题。无需像通常那样，为了发现问题要使机车停运几个工作日。”早期的检测和纠错还可减少修理成本，甚至可避免大型事故的发生。

如同数字领域中许多新生的平台一样，想象丰富但现金缺乏的现实不允许再添加新的功能。因此EMD打算迟些再将无线通信技术应用于工作在同一列火车中的多个机车之间。最终，机械师能够实现远程控制机车的启动或关闭。

对动力也进行了革新

在动力方面，由于牵引逆变器部分，幸亏出现了由可关断闸流晶体管向IGBT（绝缘栅双极晶体管）的转变，EMD才可将交流式机车内的附加线路板的数目从50减少到2。一个专用控制器可监测三个轮轴，这样的三个轴甚至都可以组成一辆卡车或挖土机的车架了。EMD的Bridge说：“这样，控制更加容易，也允许我们将封装以上元件的控制室缩小。目前的控制室仍很大，但控制功能已大大简化了。性能的可靠性与机车内的电子元件的数目有密切关系。”

GE公司也进行了类似的向IGBT的转变，并称这样的转变使机车内减少了5,000个零件，而且牵引发动机两次大修间的里程也增长至一百万英里。与GE一样，EMD也对产品进行了广泛的测试，并设置了错误和电子噪声的防护装置，例如防护屏，信号补偿线，并严格遵守配线分离的标准。Bridge说：“我们还采用了输入过滤和防抖动设备。”

重要的系统，例如电子系统，还要接受高加速寿命测试。这几年来，工程师已经制定了元件的设计标准，使元件能够抵挡污垢、尘土、冲击、振动、热冲击、加热以及湿度的影响。通常这些系统都有强制性空气冷却系统，因此无需替换过滤器和防震装置。

至于电子设计中出现的拱形潮流，GE的Daum也希望看到电子动力的发展能够跟得上数字信号处理（DSP）技术的进步。工程师目前面对的挑战是，当动力技术前进的步伐变得缓慢时，如何利用数字信号技术产生的阶跃输出动力。

John Dodge是EDN的主编，
john.dodge@reedbusiness.com

来自GM 电动部门的Norman Bridge的采访实录。

Norman Bridge是GM的电动部门的控制和电子系统设计主管，关于车辆内置控制系统的硬件和软件，他已有超过二十年的设计经验。他拥有伊利诺伊理工学院授予的电子工程学士和硕士学位，以及西北大学授予的工程管理专业的硕士学位。在火车机车领域内，作为电子工程师，应该了解哪些知识呢？下面，Bridge阐述了他的想法。

Q：关于机车内的电子技术，作为电子工程师应该考虑哪些问题？
A：机车的设计要求工程师具有非常广泛的电子工程技能：动力系统设计，控制系统设计，软件工程，以及网络和通信都是机车设计的核心技术。工程师必须明白如何设计使产品能应用于恶劣的环境。机车在运行时会遇到振动、尘土、高温和湿度等各种问题。我们尽可能避免设置过滤器和防震装置，因为这是铁路维护时应解决的问题。

Q：在过去的五年中，机车电子技术最重要的发展是什么？
A：最重要的机车电子技术发展包括FIRE、控制器显示器和控制室计算机的开发；智能火车系统、无线机车的开发；以及IGBT（绝缘栅双极晶体管）牵引逆流器的应用。IGBT技术的应用使交流牵引机车在成本降低的同时增强了可靠性。

Q：你能列举几个未来机车电子技术可能有所创新的例子吗？最热门的技术是什么？
A：我们才开始使用无线技术，如何增强铁路控制，以及如何节省燃料等方面的研究，仅触及到这几方面的皮毛。我们正在参与一个联邦铁路管理局资助的项目，其研究目的是开发一种利用FIRE和智能火车技术远程监测和控制列车车厢的系统。这种系统可同时改进列车的安全性和操作效率。

Q：机车分为采用交流发动机和采用直流发动机两大类，用户在这两类机车之间应该如何选择呢？
A：一般来说，交流牵引机车用于载重量较大的情况，例如运送煤炭，它需要有高度的附着水平并对牵引发动机的要求很苛刻。直流机车一般用于载重较轻的情况。

Q：这两种技术的设计难点是什么？如何比较它们？
A：交流机车要求有复杂的电子动力系统和用来控制交流电动机运行的软件。直流机车的电子控制系统较为简单，但要求有较大且较复杂的发动机。

Q：关于交流和直流发电，未来会有什么新的发展吗？
A：可靠性、附着力和成本都是其创新的关键。还有一点也很重要，就是如何通过采用更大的动力装置和更复杂的控制系统改善传动和辅助系统的效率和可靠性。

原载DESIGN NEWS China(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/6/2006)


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