重載列車輔助駕駛試驗(yàn)與分析*

任宇杰，林暉,2，吳仁恩，王紀(jì)文

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

隨著重載列車軸重不斷增加，編組不斷擴(kuò)大，列車的質(zhì)量和長(zhǎng)度都會(huì)顯著增加，運(yùn)行過程中列車所需的牽引力和制動(dòng)力也隨之增大，由此造成了牽引和制動(dòng)時(shí)車鉤所受的負(fù)載更大，這給運(yùn)用、調(diào)度和操控都帶來(lái)了很多新的問題。由于重載列車在橫縱斷面上的受力情況要遠(yuǎn)比普通列車復(fù)雜［1］，再加上我國(guó)貨運(yùn)鐵路線路情況也較為復(fù)雜，所以對(duì)重載列車的操縱要求比較高。然而現(xiàn)階段，我國(guó)各重載線路列車的運(yùn)行控制還主要依靠駕駛員的操縱，列車的操縱方案也是在長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的。現(xiàn)實(shí)中長(zhǎng)距離長(zhǎng)時(shí)間的駕駛和復(fù)雜的線路情況都極大地增加了駕駛員工作的強(qiáng)度和難度，很容易引起操作的失誤，導(dǎo)致區(qū)停、運(yùn)緩、冒進(jìn)和沖標(biāo)等問題的發(fā)生，甚至還可能會(huì)發(fā)生斷鉤、脫軌和傾覆等嚴(yán)重事故，存在較大的安全隱患。

隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，軌道交通的智能化將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，而且正快速地推動(dòng)軌道交通行業(yè)的進(jìn)步。在重載領(lǐng)域，利用日益提升的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重載列車的輔助駕駛，將駕駛員從繁重和長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來(lái)，建立安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)點(diǎn)、高效、節(jié)能的鐵路運(yùn)輸體系是實(shí)現(xiàn)重載鐵路發(fā)展的必由之路［2］。可在充分發(fā)揮機(jī)車牽引功率前提下，提高列車運(yùn)行安全性與平穩(wěn)性［3］。輔助駕駛技術(shù)的應(yīng)用，可有效提高貨運(yùn)列車運(yùn)行安全性、提高貨運(yùn)列車運(yùn)行效率、降低貨運(yùn)列車牽引能耗、降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度［4-5］，是實(shí)現(xiàn)重載鐵路智能化的重要體現(xiàn)。

文中介紹了一種基于LKJ的重載列車輔助駕駛系統(tǒng)，它可以不依靠于線路設(shè)備，只依靠機(jī)車LKJ就可以實(shí)現(xiàn)行程規(guī)劃和輔助駕駛。此套系統(tǒng)可應(yīng)用于我國(guó)現(xiàn)在絕大部分的普速線路和重載線路，大大擴(kuò)展輔助駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。文中還介紹了系統(tǒng)實(shí)際線路上的動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明所有指標(biāo)都在規(guī)定的安全范圍之內(nèi)，這為系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用提供了依據(jù)，奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成

基于LKJ的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)是在有司機(jī)值守、機(jī)車原安全控制邏輯和安全監(jiān)控設(shè)備防護(hù)功能不變的情況下，可輔助司機(jī)操縱機(jī)車的牽引與制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行控制功能。在輔助駕駛系統(tǒng)運(yùn)行過程中，司機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)視并確保列車安全運(yùn)行狀態(tài)，但是不需要或者很少需要司機(jī)參與具體的操控作業(yè)。

基于LKJ的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)可依據(jù)列車運(yùn)行線路數(shù)據(jù)、信號(hào)狀態(tài)、機(jī)輛特性、車載控制系統(tǒng)的機(jī)車狀態(tài)等信息，綜合列車運(yùn)行時(shí)間和限速要求，在線規(guī)劃列車運(yùn)行速度及牽引制動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)列車運(yùn)行狀態(tài)，操控列車的牽引、制動(dòng)，在保障列車運(yùn)行安全、平穩(wěn)的條件下，實(shí)現(xiàn)列車正點(diǎn)、節(jié)能運(yùn)行。

基于LKJ的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)并不是依靠單一設(shè)備或少數(shù)幾個(gè)設(shè)備，而是一個(gè)協(xié)同工作的大系統(tǒng)，除了包括LKJ、輔助駕駛的主控單元和輔助駕駛顯示單元，還包括無(wú)線通信單元、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)和列尾裝置。這些系統(tǒng)和設(shè)備之間交互控制信息，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)重載列車輔助駕駛功能。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于LKJ的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)線通信單元與地面的交互采用GPRS通信模式，地面GSM-R核心網(wǎng)完成GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，并增設(shè)防火墻；調(diào)度中心增設(shè)TSRS、運(yùn)行計(jì)劃仿真設(shè)備和防火墻設(shè)備，用于設(shè)置和下發(fā)運(yùn)行計(jì)劃。車載的機(jī)車輔助駕駛系統(tǒng)無(wú)線通信單元及GPRS天線，接收地面發(fā)送的運(yùn)行計(jì)劃，發(fā)送給輔助駕駛主機(jī)，為行程規(guī)劃提供輸入信息。

列尾裝置只負(fù)責(zé)重載列車尾部的排風(fēng)，加快在制動(dòng)時(shí)列車管的排風(fēng)速度，提高列車制動(dòng)的一致性。

LKJ則主要負(fù)責(zé)向輔助駕駛主機(jī)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)、揭示信息等數(shù)據(jù)。在輔助駕駛整個(gè)系統(tǒng)中，列車的定位起到非常重要的作用，系統(tǒng)的所有操作都是以列車的定位為基礎(chǔ)的。

TCMS系統(tǒng)與輔助駕駛主機(jī)進(jìn)行信息交互，從而可以將牽引指令下發(fā)給牽引系統(tǒng)，也可以給制動(dòng)系統(tǒng)下發(fā)懲罰信號(hào)。

制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行輔助駕駛主機(jī)發(fā)送的制動(dòng)和緩解指令，同時(shí)還要執(zhí)行TCMS發(fā)出的懲罰指令。

輔助駕駛顯示單元?jiǎng)t用來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)、懲罰信息、行程規(guī)劃、操作提示等信息。

從上文的介紹中可以看出，輔助駕駛主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所有的其他設(shè)備都要和輔助駕駛主機(jī)進(jìn)行信息交互，或上傳信息，或接收指令。輔助駕駛車載主機(jī)設(shè)備由主控單元及無(wú)線通信單元組成，如圖2所示。輔助駕駛主機(jī)采用由電源板、CPU板、串行通信板、以太網(wǎng)板、切換板組成，作為輔助駕駛功能實(shí)現(xiàn)的核心部件，采用2×2取2的安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)，安全等級(jí)為SIL4級(jí)；采用全面的故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)理念；系統(tǒng)具備高可靠性：采用高性能處理器，具備自檢、大容量存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析及診斷功能，并且設(shè)計(jì)為雙系熱備冗余；系統(tǒng)采用安全實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的高安全性和高可靠性。

圖2 機(jī)車輔助駕駛主機(jī)

2 系統(tǒng)控制模式

系統(tǒng)的控制模式主要包括點(diǎn)單、達(dá)速、定時(shí)和限速模式，各控制模式可根據(jù)調(diào)度計(jì)劃及列車運(yùn)行狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。

（1）點(diǎn)單模式：適用于正常運(yùn)輸組織情況下的客貨運(yùn)列車，系統(tǒng)以客運(yùn)列車的點(diǎn)單運(yùn)行時(shí)分和貨運(yùn)列車的區(qū)間通通運(yùn)行時(shí)分為優(yōu)化計(jì)算基礎(chǔ)，合理分配運(yùn)行時(shí)間，以降低旅程的耗能。

（2）達(dá)速模式：適用于貨運(yùn)列車接調(diào)度通知達(dá)速運(yùn)行或客運(yùn)列車晚點(diǎn)的情況，達(dá)速運(yùn)行下需要以盡量快的安全速度運(yùn)行，以保障運(yùn)行時(shí)間滿足運(yùn)輸要求為第一目標(biāo)，不再以點(diǎn)單的站間運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

（3）定時(shí)模式：定時(shí)模式適用于非正常停車車站或站間接收到減速信號(hào)，或在綠燈信號(hào)下接車站調(diào)度員通知慢點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，可選擇定時(shí)模式；在定時(shí)模式下，司機(jī)可輸入到達(dá)指定站點(diǎn)的時(shí)間，系統(tǒng)按照指定時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃。

（4）限速模式：限速模式適用于在規(guī)定區(qū)段存在特殊限制速度的情況下（不包括運(yùn)行臨時(shí)限速），司機(jī)通過輸入列車運(yùn)行前方某一地點(diǎn)的限速后，系統(tǒng)按照司機(jī)輸入的限速控制列車運(yùn)行。

3 系統(tǒng)工作狀態(tài)

系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要包括待機(jī)狀態(tài)、輔助駕駛狀態(tài)、自動(dòng)駕駛預(yù)置狀態(tài)等，滿足一定條件下各工作狀態(tài)間可相互轉(zhuǎn)換。

（1）待機(jī)狀態(tài)

系統(tǒng)上電后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)狀態(tài)下系統(tǒng)僅對(duì)時(shí)間及輔助作業(yè)信息提示，不啟用行程規(guī)劃和輔助駕駛功能，由司機(jī)操縱列車運(yùn)行。

（2）輔助駕駛狀態(tài)

系統(tǒng)的LKJ數(shù)據(jù)版本正確且正確獲取LKJ提示信息后，根據(jù)機(jī)車特性以及從各個(gè)通信接口獲取的列車、線路信息，按照節(jié)能、平穩(wěn)、高效等要求，進(jìn)行行程規(guī)劃，行程規(guī)劃失敗時(shí)提示優(yōu)化失敗，行程規(guī)劃成功后，自動(dòng)進(jìn)入輔助駕駛狀態(tài)，以速度—位置關(guān)系曲線的形式進(jìn)行顯示，并在人機(jī)交互單元工作狀態(tài)欄提示。

（3）自動(dòng)駕駛預(yù)置狀態(tài)

列車處于自動(dòng)制動(dòng)或機(jī)車處于單獨(dú)制動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)列車準(zhǔn)備零速啟動(dòng)時(shí)，按壓自動(dòng)駕駛按鈕后進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)，保持當(dāng)前制動(dòng)狀態(tài)，并提示司機(jī)將自動(dòng)制動(dòng)手柄和單獨(dú)制動(dòng)手柄回至運(yùn)轉(zhuǎn)位；當(dāng)司機(jī)操作制動(dòng)手柄增加制動(dòng)力時(shí)，退出預(yù)置狀態(tài)，返回輔助駕駛狀態(tài)；當(dāng)自動(dòng)制動(dòng)手柄和單獨(dú)制動(dòng)手柄全部移至運(yùn)轉(zhuǎn)位后，進(jìn)入自動(dòng)駕駛狀態(tài)。

當(dāng)列車處于牽引或動(dòng)力制動(dòng)工況運(yùn)行且未施加空氣制動(dòng)時(shí)，按壓自動(dòng)駕駛按鈕后進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)，保持當(dāng)前牽引或動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)，并提示司機(jī)將司控器手柄回至零位；當(dāng)司控器手柄移至零位后，進(jìn)入自動(dòng)駕駛狀態(tài)；否則延遲10 s退出預(yù)置狀態(tài)，返回輔助駕駛狀態(tài)。

（4）自動(dòng)駕駛狀態(tài)

輔助駕駛狀態(tài)下且允許進(jìn)入自動(dòng)駕駛時(shí)，司機(jī)可通過操作自動(dòng)駕駛按鈕使系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)駕駛狀態(tài)；進(jìn)入自動(dòng)駕駛后，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用等級(jí)完成相應(yīng)的自動(dòng)控制功能。

（5）運(yùn)用狀態(tài)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)應(yīng)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，在允許進(jìn)入自動(dòng)駕駛時(shí)，應(yīng)通過文本方式進(jìn)行提示，在輔助駕駛狀態(tài)和自動(dòng)駕駛狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)具有文本和語(yǔ)音提示功能。各工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 線路試驗(yàn)

2019年9月～2019年11月期間，在浩吉鐵路西峽東—襄州北段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)輔助駕駛試驗(yàn)。試驗(yàn)分為2部分，分別是單機(jī)牽引5 400 t和雙機(jī)有線重聯(lián)牽引10 500 t。

（1）試驗(yàn)機(jī)車

貨運(yùn)列車輔助駕駛系統(tǒng)試驗(yàn)使用了某機(jī)務(wù)段的2臺(tái)機(jī)車，分別為HXD11552電力機(jī)車（如圖4所示）和HXD11553電力機(jī)車。2臺(tái)機(jī)車均配置DK-2型制動(dòng)機(jī)，并在試驗(yàn)前由主機(jī)廠加裝了重載列車輔助駕駛系統(tǒng)。

圖4 試驗(yàn)用HXD1機(jī)車

（2）試驗(yàn)貨車

采用C80B型運(yùn)煤專用敞車，軸重25 t，自重20 t，載重80 t，換長(zhǎng)1.1，共105輛，車內(nèi)裝載煤炭，全部為重車。其使用3車為一組的車組式固定連接技術(shù)，組內(nèi)不可解編。

（3）試驗(yàn)列車編組及速度

在機(jī)務(wù)段完成靜態(tài)試驗(yàn)后，分別按照單機(jī)牽引小列5 400 t、雙機(jī)牽引大列10 500 t兩種載重編組工況進(jìn)行試驗(yàn)，最高運(yùn)行速度分別按照40、60、80 km/h速度等級(jí)逐級(jí)開展。

5 400 t列 車 編 組 方 式：1臺(tái) 電 力 機(jī) 車+54輛C80B（貨車尾部安裝雙模列尾主機(jī)），編組如圖5所示。

圖5 5 100 t列車編組

10 500 t列 車 編 組 方 式：1臺(tái) 主 控 機(jī) 車+1臺(tái) 從控機(jī)車+105輛C80B+試驗(yàn)車（試驗(yàn)車尾部安裝雙模列尾主機(jī)），編組如圖6所示。

圖6 10 500 t列車編組

（4）測(cè)點(diǎn)布置

編組列車共布置5個(gè)貨車測(cè)試斷面對(duì)貨車的縱向動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括縱向車鉤力、縱向沖擊加速度、緩沖器位移等，依據(jù)縱向動(dòng)力學(xué)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 3511—2018）和以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)及制動(dòng)測(cè)試需求，測(cè)試斷面布置位置為列車的第1、28、52、79、103位。選取列車尾部第103位，在該位貨車前進(jìn)方向的第1軸換裝測(cè)力輪對(duì)，測(cè)量參數(shù)包括輪軌橫向力、垂向力，并計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力。

（5）試驗(yàn)結(jié)論

5 400 t輔助駕駛試驗(yàn)列車各趟試驗(yàn)正線區(qū)間內(nèi)被試機(jī)車運(yùn)行安全性指標(biāo)最大值。在各趟運(yùn)行試驗(yàn)正線區(qū)間內(nèi)，被試機(jī)車脫軌系數(shù)最大值0.44，輪重減載率最大值0.41，輪軸橫向力最大值65.6 kN，拉鉤力最大值711.5 kN，壓鉤力最大值620.2 kN，車鉤轉(zhuǎn)角最大值4.69°，均未超出安全限度值，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

10 500 t輔助駕駛試驗(yàn)列車各趟試驗(yàn)正線區(qū)間內(nèi)被試機(jī)車運(yùn)行安全性指標(biāo)最大值。在各趟運(yùn)行試驗(yàn)正線區(qū)間內(nèi)，被試機(jī)車脫軌系數(shù)最大值0.51，輪重減載率最大值0.39，輪軸橫向力最大值65.5 kN，拉鉤力最大值1 100.6 kN，壓鉤力最大值919.0 kN，車鉤轉(zhuǎn)角最大值3.23°，均未超出安全限度值，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

在集中牽引105輛C80B重車時(shí)，2套輔助駕駛系統(tǒng)產(chǎn)生的最大車鉤力分別為1 136 kN和1 156 kN，均小于2 250 kN，滿足試驗(yàn)大綱的要求。3次運(yùn)行試驗(yàn)，車鉤力數(shù)值重復(fù)性好，系統(tǒng)的車鉤力數(shù)據(jù)接近。車體縱向加速度和緩沖器位移數(shù)據(jù)都較小，緩沖器實(shí)測(cè)位移距最大允許位移有很大的裕量。

基于LKJ的貨運(yùn)列車輔助駕駛系統(tǒng)6次運(yùn)行試驗(yàn)中，對(duì)機(jī)后第103位貨車（不含機(jī)車）C80B重車全程運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。輪軸橫向力最大值57.06 kN（限度值114.91 kN），脫軌系數(shù)最大值0.74（限度值1.2），均發(fā)生在襄州北站進(jìn)站側(cè)向通過12號(hào)道岔；輪重減載率最大值0.31（限度值0.65），發(fā)生在以速度38.9 km/h通過R1 200 m曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：6次試驗(yàn)中被試貨車運(yùn)行穩(wěn)定性（安全性）指標(biāo)（脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力）均符合試驗(yàn)大綱和GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求。

5 總結(jié)

文中介紹了一種由LKJ、輔助駕駛的主控單元、輔助駕駛顯示單元、無(wú)線通信單元、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)和列尾裝置等組成的重載列車輔助駕駛系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以不依賴于線路上的地面設(shè)備，僅僅依靠LKJ中的線路信息、GPRS接收到的調(diào)度信息和運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行線路規(guī)劃，發(fā)送牽引制動(dòng)指令，使機(jī)車按照設(shè)定的速度曲線行駛，中途無(wú)需乘務(wù)員進(jìn)行人為干預(yù)。遇到突發(fā)情況，還可以自動(dòng)對(duì)線路進(jìn)行重新規(guī)劃，盡可能確保列車的準(zhǔn)點(diǎn)率和平穩(wěn)性。系統(tǒng)在HXD1上裝車，并在浩吉鐵路上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明列車各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)均在相關(guān)要求規(guī)定的安全范圍之內(nèi)。