貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究

朱賀田

(卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100160)

國內(nèi)鐵路貨運(yùn)業(yè)務(wù)承擔(dān)了全國大部分的煤炭、礦石、鋼鐵、糧油等大宗商品的運(yùn)輸任務(wù)，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈。改革開放以來，鐵路貨運(yùn)向著重載化，快捷化方向發(fā)展，為整個(gè)社會(huì)物流提供了強(qiáng)大支持。

但是隨著鐵路貨運(yùn)量逐年增長，貨車總重和軸重不斷增加，運(yùn)行交路不斷延長，導(dǎo)致了列車控制困難、追蹤間隔拉長、司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多影響安全生產(chǎn)的問題。

目前，我國已在CTCS-2 級(jí)和CTCS-3 級(jí)中實(shí)現(xiàn)ATO 功能，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，不僅大大降低了司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了線路運(yùn)行效率。因此，在借鑒高鐵ATO 關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)對貨運(yùn)列車ATO 控制，從而提高貨運(yùn)列車的運(yùn)行效率，保障行車安全。

1 鐵路貨物運(yùn)輸?shù)膯栴}

隨著現(xiàn)代鐵路貨運(yùn)的發(fā)展，鐵路貨運(yùn)日益向重載化快捷化方向邁進(jìn)，對列車的控制提出了更高的要求。如今，阻礙鐵路運(yùn)輸安全與效率提升存在以下幾個(gè)問題。

1）貨運(yùn)列車控制方法更加復(fù)雜

國內(nèi)為緩解繁忙干線運(yùn)輸能力緊張的問題，從20 世紀(jì)80 年代初開始對重載貨運(yùn)列車進(jìn)行了相關(guān)研究，從理論到實(shí)際運(yùn)用，再到裝備研發(fā)等方面都取得了突破性的進(jìn)展。目前，在京滬線、京廣線等干線上已經(jīng)大量開行5 500 t 重載列車，大秦線普遍開行10 000 t 重載列車和20 000 t 組合重載列車[1]。

貨運(yùn)列車總重的增加對列車的操縱性能提出了更高的要求。由于列車長度增加，機(jī)車輸出制動(dòng)命令到整列車輛相應(yīng)制動(dòng)的延遲時(shí)間越來越長。同樣原理，在機(jī)車施加牽引力時(shí)，也存在較大延遲，如果操縱不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致斷鉤發(fā)生，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營安全。另外由于重聯(lián)機(jī)車和組合列車的使用，還需要考慮對重聯(lián)機(jī)車的控制。

2）重載貨運(yùn)列車導(dǎo)致追蹤間隔加大

相比于動(dòng)車組和普通客運(yùn)列車，貨運(yùn)列車控制方法復(fù)雜，啟動(dòng)和制動(dòng)困難。為了保障安全，在規(guī)劃運(yùn)行圖時(shí)，只能將追蹤間隔加大，從而影響了運(yùn)營效率提高。同時(shí)，隨著國內(nèi)電商業(yè)的快速發(fā)展，在貨運(yùn)列車保證載重量的情況下，又要求貨物列車速度有所提升，更加加劇了這一矛盾[2]。

3）司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大

由于列車操縱控制困難，司機(jī)長時(shí)間處于緊張狀態(tài)，心理壓力大。同時(shí)，貨運(yùn)列車交路長，區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和站內(nèi)待避時(shí)間長，很容易令司機(jī)產(chǎn)生疲勞狀態(tài)，影響行車安全。

2 從高速鐵路ATO到貨運(yùn)列車ATO

2010 年，國內(nèi)根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r和珠三角城際線路的使用實(shí)際，制定CTCS2+ATO 的總體設(shè)計(jì)方案。2016 年珠三角城際莞惠線和廣佛肇線相繼開通，我國成為世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)將ATO 自動(dòng)駕駛技術(shù)運(yùn)用在時(shí)速200 km 級(jí)別列車上的國家[3]。2017 年以來，伴隨京沈客專和京張高鐵的建設(shè)，CTCS3+ATO 系統(tǒng)進(jìn)入全面試驗(yàn)運(yùn)行階段。

CTCS3+ATO 系統(tǒng)繼承了既有高速鐵路中CTCS-3/2 級(jí)設(shè)備，參考既有CTCS2+ATO 的控制邏輯。在地面設(shè)備中，使用既有的TSRS 處理CTC 的計(jì)劃信息，通過GPRS 電臺(tái)向車載ATO發(fā)送計(jì)劃信息，同時(shí)通過無線方式聯(lián)動(dòng)屏蔽門動(dòng)作；在車站股道內(nèi)布置精確停車應(yīng)答器，用于站內(nèi)精準(zhǔn)停車。在車載設(shè)備中，添加車載ATO 單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛[4]。與既有CTCS-3/2 級(jí)設(shè)備相比，CTCS3+ATO 有如下特點(diǎn)。

1）車載設(shè)備在既有ATP 功能的基礎(chǔ)上，新增加與ATO 接口，負(fù)責(zé)向ATO 傳輸行車許可，并實(shí)現(xiàn)開門功能防護(hù)。

2）ATO 接收到ATP 的行車許可后，控制列車在ATP 允許的限速內(nèi)運(yùn)行。ATO 需要實(shí)現(xiàn)站內(nèi)自動(dòng)發(fā)車、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、停站自動(dòng)開關(guān)門，并實(shí)現(xiàn)車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)、接收運(yùn)行計(jì)劃消息自動(dòng)調(diào)整區(qū)間運(yùn)行時(shí)分的功能。

3）為了精簡地面設(shè)備，降低建設(shè)及運(yùn)行成本，TSRS 在原有處理臨時(shí)限速功能的基礎(chǔ)上，增加了對運(yùn)行計(jì)劃的處理和轉(zhuǎn)發(fā)功能。通過與車載ATO的GPRS 通道，不僅實(shí)現(xiàn)運(yùn)行計(jì)劃和運(yùn)行狀態(tài)的交互，也實(shí)現(xiàn)了站臺(tái)屏蔽門聯(lián)動(dòng)命令的處理。

4）CTC 新增與TSRS 的運(yùn)行計(jì)劃接口，CTC負(fù)責(zé)下達(dá)運(yùn)行計(jì)劃，調(diào)整運(yùn)行計(jì)劃。

5）站內(nèi)股道中增加精確停車應(yīng)答器。雙方向接車站臺(tái)布置5 個(gè)應(yīng)答器，單方向接車站臺(tái)布置3 個(gè)應(yīng)答器。

相比CTCS2+ATO 系統(tǒng)，CTCS3+ATO 取消設(shè)置CCS，使用TSRS 代替CCS 的功能，降低了軌旁設(shè)備成本。ATO 與地面通信方面采用GPRS 分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，比起傳統(tǒng)電路域連接提高了傳輸帶寬，同時(shí)也方便向LTE-R 演進(jìn)。

在設(shè)計(jì)貨運(yùn)列車ATO 系統(tǒng)時(shí)，可借鑒高速鐵路ATO 系統(tǒng)架構(gòu)，利用和升級(jí)既有軌旁信號(hào)系統(tǒng)，盡量減小地面設(shè)備和站場的改造。

全面使用GPRS 分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，利用中心或大站設(shè)備處理運(yùn)行計(jì)劃，減少中間站的改造，控制系統(tǒng)升級(jí)難度和改造成本。

由于貨物列車對停車精度的要求相對較低，基于成本、施工量等方面考慮，可減少停車股道內(nèi)停車點(diǎn)信息應(yīng)答器的布置數(shù)量。與此同時(shí)，需要在車載設(shè)備中增加BTM 天線模塊，用于接收處理來自應(yīng)答器的信息。

在車載設(shè)備中，在引入高速動(dòng)車組上運(yùn)用成熟的ATP 硬件架構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合既有貨運(yùn)列車實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)列車的ATO 功能。

車載設(shè)備中增加GSM-R 電臺(tái)，用于接收地面發(fā)送的計(jì)劃信息，同時(shí)將列車的運(yùn)行狀態(tài)信息等重要參數(shù)反饋給地面設(shè)備。

為提高ATO 設(shè)備的控車精度，可采用多信息融合技術(shù)確定列車的關(guān)鍵參數(shù)。如通過速度傳感器、慣性制導(dǎo)、衛(wèi)星定位等設(shè)備采集相應(yīng)信息，通過卡爾曼算法確定列車的實(shí)時(shí)速度、運(yùn)行距離等參數(shù)，擯棄以往只依賴速度傳感器的方案。

3 貨運(yùn)列車ATO系統(tǒng)新特性分析

由于貨運(yùn)列車運(yùn)營方式和運(yùn)營規(guī)律與高速鐵路存在較大區(qū)別，因而在設(shè)計(jì)ATO 的關(guān)鍵邏輯時(shí)，貨運(yùn)列車ATO 有其新的特性。

1）列車啟停階段中對空轉(zhuǎn)/打滑的處理。相對于高速動(dòng)車組，貨運(yùn)列車由于牽引質(zhì)量大，牽引力集中，在啟動(dòng)過程中，容易產(chǎn)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在停車過程中，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由于貨運(yùn)機(jī)車軸重大，空轉(zhuǎn)/打滑發(fā)生時(shí)車輪踏面和軌道表面的損傷更嚴(yán)重，極易造成更加嚴(yán)重的次生事故。因此，裝配ATO 設(shè)備的貨運(yùn)列車在啟動(dòng)過程中，車載設(shè)備應(yīng)根據(jù)粘滯力的變化情況精確控制列車加載牽引力，防止?fàn)恳虞d過快導(dǎo)致輪滑；在制動(dòng)停車過程中，應(yīng)充分考慮機(jī)車和車輛制動(dòng)性能，防止車輪打滑。因此，需要將ATO 系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)深度融合，實(shí)現(xiàn)對牽引控制和制動(dòng)反饋的精確高效反應(yīng)。

2）列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，ATO 應(yīng)避免頻繁切換牽引制動(dòng)。在既有的CTCS2+ATO 系統(tǒng)中，動(dòng)車組與ATO 之間使用的是繼電接口，因而ATO 在控制列車時(shí)是分級(jí)控制，在定速巡航階段，為了恒速，會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)和牽引頻繁的切換。對于貨運(yùn)列車而言，由于貨運(yùn)列車的車列較長，制動(dòng)后無法快速緩解制動(dòng)，在其運(yùn)行中制動(dòng)/牽引頻繁切換，將導(dǎo)致列車尾部風(fēng)壓不足，造成制動(dòng)力不足的嚴(yán)重后果，進(jìn)而影響行車安全[5]。同時(shí)，牽引力施加時(shí)，車鉤突然從壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，極易導(dǎo)致車鉤斷鉤，為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，在施加牽引力的過程中需要逐步順滑加載。因此，ATO 要在保證安全的前提下，根據(jù)列車的實(shí)際運(yùn)行情況和線路條件合理使用牽引和制動(dòng)。

3）ATO 控制列車停車。相比于高速鐵路ATO需要站臺(tái)停車辦客并聯(lián)動(dòng)屏蔽門的需求，貨運(yùn)列車ATO 對停車精度的要求相對較低。對于編組較長的貨運(yùn)列車而言，站內(nèi)停車時(shí)應(yīng)充分利用股道長度，保證停車后尾部越過股道警沖標(biāo)。在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，由于通過信號(hào)機(jī)關(guān)閉或執(zhí)行進(jìn)站信號(hào)機(jī)外停車時(shí)，需要考慮線路的實(shí)際情況，應(yīng)避免在坡道上停車，并且ATO 設(shè)備應(yīng)通過人機(jī)交互單元提前提示司機(jī)[6]。

4）運(yùn)行計(jì)劃接收與執(zhí)行。ATO 應(yīng)能通過司機(jī)輸入的車次號(hào)，自動(dòng)請求列車編組，換長，總重等信息用于控制列車，司機(jī)只負(fù)責(zé)核對相應(yīng)編組信息正確。ATO 接收地面發(fā)來的運(yùn)行計(jì)劃后，應(yīng)根據(jù)到發(fā)時(shí)刻、到發(fā)股道等信息自動(dòng)生成移動(dòng)授權(quán)，控制列車運(yùn)行。在運(yùn)行計(jì)劃改變或者運(yùn)行計(jì)劃無效的情況下，ATO 應(yīng)及時(shí)通過人機(jī)交互單元提醒司機(jī)，從而保證列車的安全運(yùn)行。同時(shí)，ATO 應(yīng)以無線通信的方式，將列車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)反饋至地面調(diào)度中心，以便調(diào)度員了解車輛運(yùn)行情況，下達(dá)相應(yīng)調(diào)度命令。

5）重聯(lián)端自動(dòng)控制。在實(shí)際運(yùn)用中，貨運(yùn)列車通常采用多機(jī)重聯(lián)模式運(yùn)行，因此，ATO 在控制本務(wù)列車的同時(shí)，也應(yīng)遠(yuǎn)程控制重聯(lián)機(jī)車。機(jī)車重聯(lián)控制方式有有線方式和無線方式兩種，前者通過機(jī)車之間的重聯(lián)電纜實(shí)現(xiàn)，后者通過無線GSM-R 或LTE-R 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[7]。從發(fā)展方向來看，無線重聯(lián)控制將是未來的發(fā)展方向。

6）通用性良好，具有自主學(xué)習(xí)優(yōu)化功能。貨運(yùn)列車運(yùn)行條件復(fù)雜，交路長度大，跨局跨線運(yùn)行較多，牽引貨運(yùn)列車的機(jī)車型號(hào)復(fù)雜，牽引特性不一致的等問題，因此，貨運(yùn)ATO 系統(tǒng)需要有良好的通用性和自適應(yīng)性。對于車輛而言，通過大數(shù)據(jù)的搜集和計(jì)算，自動(dòng)優(yōu)化每種型號(hào)機(jī)車的牽引制動(dòng)屬性，提高數(shù)據(jù)與車輛的匹配度。同時(shí)，對于ATO 而言，可以通過分析司機(jī)人工操縱時(shí)的習(xí)慣和手法，濾出其中關(guān)鍵操作點(diǎn)與關(guān)鍵操作時(shí)間，使得ATO 一方面能在運(yùn)行中不斷自我訓(xùn)練。另一方面可以吸收司機(jī)人工操縱的優(yōu)點(diǎn)，持續(xù)優(yōu)化控車水平，提高安全性能[8-9]。

4 結(jié)束語

首先分析當(dāng)前貨運(yùn)列車信號(hào)控制遇到的問題，提出可以借鑒高鐵ATO 的控制方法在貨運(yùn)列車上應(yīng)用ATO 技術(shù)。介紹既有C3+ATO 的系統(tǒng)架構(gòu)，并分析貨運(yùn)列車ATO 系統(tǒng)的新特性，指出了貨運(yùn)列車ATO 的發(fā)展方向與目標(biāo)。