重載列車輔助駕駛試驗與分析*

任宇杰，林暉,2，吳仁恩，王紀文

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081）

隨著重載列車軸重不斷增加，編組不斷擴大，列車的質量和長度都會顯著增加，運行過程中列車所需的牽引力和制動力也隨之增大，由此造成了牽引和制動時車鉤所受的負載更大，這給運用、調度和操控都帶來了很多新的問題。由于重載列車在橫縱斷面上的受力情況要遠比普通列車復雜［1］，再加上我國貨運鐵路線路情況也較為復雜，所以對重載列車的操縱要求比較高。然而現階段，我國各重載線路列車的運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期的運行經驗中總結出來的?，F實中長距離長時間的駕駛和復雜的線路情況都極大地增加了駕駛員工作的強度和難度，很容易引起操作的失誤，導致區停、運緩、冒進和沖標等問題的發生，甚至還可能會發生斷鉤、脫軌和傾覆等嚴重事故，存在較大的安全隱患。

隨著信息化、智能化技術的發展，軌道交通的智能化將是未來的發展趨勢，而且正快速地推動軌道交通行業的進步。在重載領域，利用日益提升的智能化技術，實現重載列車的輔助駕駛，將駕駛員從繁重和長時間的重復勞動中解放出來，建立安全、平穩、準點、高效、節能的鐵路運輸體系是實現重載鐵路發展的必由之路［2］?？稍诔浞职l揮機車牽引功率前提下，提高列車運行安全性與平穩性［3］。輔助駕駛技術的應用，可有效提高貨運列車運行安全性、提高貨運列車運行效率、降低貨運列車牽引能耗、降低司機勞動強度［4-5］，是實現重載鐵路智能化的重要體現。

文中介紹了一種基于LKJ的重載列車輔助駕駛系統，它可以不依靠于線路設備，只依靠機車LKJ就可以實現行程規劃和輔助駕駛。此套系統可應用于我國現在絕大部分的普速線路和重載線路，大大擴展輔助駕駛系統的應用范圍。文中還介紹了系統實際線路上的動態運行試驗，動力學監測結果表明所有指標都在規定的安全范圍之內，這為系統的推廣和應用提供了依據，奠定了基礎。

1 系統組成

基于LKJ的機車輔助駕駛系統是在有司機值守、機車原安全控制邏輯和安全監控設備防護功能不變的情況下，可輔助司機操縱機車的牽引與制動，實現列車的運行控制功能。在輔助駕駛系統運行過程中，司機負責監視并確保列車安全運行狀態，但是不需要或者很少需要司機參與具體的操控作業。

基于LKJ的機車輔助駕駛系統可依據列車運行線路數據、信號狀態、機輛特性、車載控制系統的機車狀態等信息，綜合列車運行時間和限速要求，在線規劃列車運行速度及牽引制動狀態，根據列車運行狀態，操控列車的牽引、制動，在保障列車運行安全、平穩的條件下，實現列車正點、節能運行。

基于LKJ的機車輔助駕駛系統并不是依靠單一設備或少數幾個設備，而是一個協同工作的大系統，除了包括LKJ、輔助駕駛的主控單元和輔助駕駛顯示單元，還包括無線通信單元、制動系統、牽引系統、TCMS系統和列尾裝置。這些系統和設備之間交互控制信息，實現貨運重載列車輔助駕駛功能。系統的構成如圖1所示。

圖1 基于LKJ的機車輔助駕駛系統構成

無線通信單元與地面的交互采用GPRS通信模式，地面GSM-R核心網完成GSM-R/GPRS網絡參數配置，并增設防火墻；調度中心增設TSRS、運行計劃仿真設備和防火墻設備，用于設置和下發運行計劃。車載的機車輔助駕駛系統無線通信單元及GPRS天線，接收地面發送的運行計劃，發送給輔助駕駛主機，為行程規劃提供輸入信息。

列尾裝置只負責重載列車尾部的排風，加快在制動時列車管的排風速度，提高列車制動的一致性。

LKJ則主要負責向輔助駕駛主機提供實時數據、基礎線路數據、揭示信息等數據。在輔助駕駛整個系統中，列車的定位起到非常重要的作用，系統的所有操作都是以列車的定位為基礎的。

TCMS系統與輔助駕駛主機進行信息交互，從而可以將牽引指令下發給牽引系統，也可以給制動系統下發懲罰信號。

制動系統負責執行輔助駕駛主機發送的制動和緩解指令，同時還要執行TCMS發出的懲罰指令。

輔助駕駛顯示單元則用來顯示系統的狀態、懲罰信息、行程規劃、操作提示等信息。

從上文的介紹中可以看出，輔助駕駛主機是整個系統的核心，所有的其他設備都要和輔助駕駛主機進行信息交互，或上傳信息，或接收指令。輔助駕駛車載主機設備由主控單元及無線通信單元組成，如圖2所示。輔助駕駛主機采用由電源板、CPU板、串行通信板、以太網板、切換板組成，作為輔助駕駛功能實現的核心部件，采用2×2取2的安全計算機架構設計，安全等級為SIL4級；采用全面的故障導向安全的設計理念；系統具備高可靠性：采用高性能處理器，具備自檢、大容量存儲、統計分析及診斷功能，并且設計為雙系熱備冗余；系統采用安全實時操作系統保證了系統的高安全性和高可靠性。

圖2 機車輔助駕駛主機

2 系統控制模式

系統的控制模式主要包括點單、達速、定時和限速模式，各控制模式可根據調度計劃及列車運行狀態相互轉換。

（1）點單模式：適用于正常運輸組織情況下的客貨運列車，系統以客運列車的點單運行時分和貨運列車的區間通通運行時分為優化計算基礎，合理分配運行時間，以降低旅程的耗能。

（2）達速模式：適用于貨運列車接調度通知達速運行或客運列車晚點的情況，達速運行下需要以盡量快的安全速度運行，以保障運行時間滿足運輸要求為第一目標，不再以點單的站間運行時間進行優化計算。

（3）定時模式：定時模式適用于非正常停車車站或站間接收到減速信號，或在綠燈信號下接車站調度員通知慢點運行時，可選擇定時模式；在定時模式下，司機可輸入到達指定站點的時間，系統按照指定時間進行規劃。

（4）限速模式：限速模式適用于在規定區段存在特殊限制速度的情況下（不包括運行臨時限速），司機通過輸入列車運行前方某一地點的限速后，系統按照司機輸入的限速控制列車運行。

3 系統工作狀態

系統的工作狀態主要包括待機狀態、輔助駕駛狀態、自動駕駛預置狀態等，滿足一定條件下各工作狀態間可相互轉換。

（1）待機狀態

系統上電后自動進入待機狀態，待機狀態下系統僅對時間及輔助作業信息提示，不啟用行程規劃和輔助駕駛功能，由司機操縱列車運行。

（2）輔助駕駛狀態

系統的LKJ數據版本正確且正確獲取LKJ提示信息后，根據機車特性以及從各個通信接口獲取的列車、線路信息，按照節能、平穩、高效等要求，進行行程規劃，行程規劃失敗時提示優化失敗，行程規劃成功后，自動進入輔助駕駛狀態，以速度—位置關系曲線的形式進行顯示，并在人機交互單元工作狀態欄提示。

（3）自動駕駛預置狀態

列車處于自動制動或機車處于單獨制動狀態下，當列車準備零速啟動時，按壓自動駕駛按鈕后進入預置狀態，保持當前制動狀態，并提示司機將自動制動手柄和單獨制動手柄回至運轉位；當司機操作制動手柄增加制動力時，退出預置狀態，返回輔助駕駛狀態；當自動制動手柄和單獨制動手柄全部移至運轉位后，進入自動駕駛狀態。

當列車處于牽引或動力制動工況運行且未施加空氣制動時，按壓自動駕駛按鈕后進入預置狀態，保持當前牽引或動力制動狀態，并提示司機將司控器手柄回至零位；當司控器手柄移至零位后，進入自動駕駛狀態；否則延遲10 s退出預置狀態，返回輔助駕駛狀態。

（4）自動駕駛狀態

輔助駕駛狀態下且允許進入自動駕駛時，司機可通過操作自動駕駛按鈕使系統進入自動駕駛狀態；進入自動駕駛后，系統根據當前應用等級完成相應的自動控制功能。

（5）運用狀態轉換

系統應顯示當前的工作狀態，在允許進入自動駕駛時，應通過文本方式進行提示，在輔助駕駛狀態和自動駕駛狀態轉換時，應具有文本和語音提示功能。各工作狀態轉換如圖3所示。

圖3 系統工作狀態轉換圖

4 線路試驗

2019年9月～2019年11月期間，在浩吉鐵路西峽東—襄州北段進行了現場輔助駕駛試驗。試驗分為2部分，分別是單機牽引5 400 t和雙機有線重聯牽引10 500 t。

（1）試驗機車

貨運列車輔助駕駛系統試驗使用了某機務段的2臺機車，分別為HXD11552電力機車（如圖4所示）和HXD11553電力機車。2臺機車均配置DK-2型制動機，并在試驗前由主機廠加裝了重載列車輔助駕駛系統。

圖4 試驗用HXD1機車

（2）試驗貨車

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

（3）試驗列車編組及速度

在機務段完成靜態試驗后，分別按照單機牽引小列5 400 t、雙機牽引大列10 500 t兩種載重編組工況進行試驗，最高運行速度分別按照40、60、80 km/h速度等級逐級開展。

5 400 t列 車 編 組 方 式：1臺 電 力 機 車+54輛C80B（貨車尾部安裝雙模列尾主機），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 主 控 機 車+1臺 從控機車+105輛C80B+試驗車（試驗車尾部安裝雙模列尾主機），編組如圖6所示。

圖6 10 500 t列車編組

（4）測點布置

編組列車共布置5個貨車測試斷面對貨車的縱向動力學參數進行測試，測試內容包括縱向車鉤力、縱向沖擊加速度、緩沖器位移等，依據縱向動力學測試方法標準（TB/T 3511—2018）和以往測試經驗及制動測試需求，測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，在該位貨車前進方向的第1軸換裝測力輪對，測量參數包括輪軌橫向力、垂向力，并計算脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力。

（5）試驗結論

5 400 t輔助駕駛試驗列車各趟試驗正線區間內被試機車運行安全性指標最大值。在各趟運行試驗正線區間內，被試機車脫軌系數最大值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，車鉤轉角最大值4.69°，均未超出安全限度值，符合評價標準要求。

10 500 t輔助駕駛試驗列車各趟試驗正線區間內被試機車運行安全性指標最大值。在各趟運行試驗正線區間內，被試機車脫軌系數最大值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，車鉤轉角最大值3.23°，均未超出安全限度值，符合評價標準要求。

在集中牽引105輛C80B重車時，2套輔助駕駛系統產生的最大車鉤力分別為1 136 kN和1 156 kN，均小于2 250 kN，滿足試驗大綱的要求。3次運行試驗，車鉤力數值重復性好，系統的車鉤力數據接近。車體縱向加速度和緩沖器位移數據都較小，緩沖器實測位移距最大允許位移有很大的裕量。

基于LKJ的貨運列車輔助駕駛系統6次運行試驗中，對機后第103位貨車（不含機車）C80B重車全程運行過程中的動力學性能進行測試。輪軸橫向力最大值57.06 kN（限度值114.91 kN），脫軌系數最大值0.74（限度值1.2），均發生在襄州北站進站側向通過12號道岔；輪重減載率最大值0.31（限度值0.65），發生在以速度38.9 km/h通過R1 200 m曲線。試驗結果表明：6次試驗中被試貨車運行穩定性（安全性）指標（脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力）均符合試驗大綱和GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》的要求。

5 總結

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、無線通信單元、制動系統、牽引系統、TCMS系統和列尾裝置等組成的重載列車輔助駕駛系統。這套系統可以不依賴于線路上的地面設備，僅僅依靠LKJ中的線路信息、GPRS接收到的調度信息和運行計劃進行線路規劃，發送牽引制動指令，使機車按照設定的速度曲線行駛，中途無需乘務員進行人為干預。遇到突發情況，還可以自動對線路進行重新規劃，盡可能確保列車的準點率和平穩性。系統在HXD1上裝車，并在浩吉鐵路上進行了動態試驗，試驗表明列車各項動力學參數均在相關要求規定的安全范圍之內。