張 濤1，謝振峰1，黃軒滔，付 金

(1. 中國鐵路太原局集團有限公司，山西 太原 030013；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

自動駕駛技術(shù)目前主要應(yīng)用在城市軌道交通領(lǐng)域，應(yīng)用形式為有人值守的自動駕駛或全自動駕駛。在國內(nèi)重載鐵路貨運運輸領(lǐng)域，沈陽鐵路局、西安鐵路局、神朔鐵路分公司等多個單位均對自動駕駛技術(shù)進行了應(yīng)用研究。

大秦線HXD1型機車運行線路環(huán)境復(fù)雜，重載列車編組較長、載重大、司機操作難度和強度大且操作方法不一致，列車運行的安全性和平穩(wěn)性有待提高。本文提出的大秦線HXD1型機車自動駕駛系統(tǒng)，能夠有效降低大秦線鐵路機車司乘人員操作強度，提升機車運行安全及可靠性，降低運行設(shè)備故障率，降低能耗，提升鐵路的運行效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則及目標(biāo)

1.1 總體設(shè)計原則

1)系統(tǒng)所有功能在機車原安全控制邏輯和安全監(jiān)控設(shè)備的防護功能不變的情況下實現(xiàn)。

2)系統(tǒng)須在司機值守下運行。

3)司機操作權(quán)限優(yōu)先于系統(tǒng)。

4)系統(tǒng)設(shè)計遵循“故障導(dǎo)向安全”。

1.2 設(shè)計目標(biāo)

1)平穩(wěn)控制：系統(tǒng)控制列車運行期間避免車鉤間隙劇烈變化，產(chǎn)生較大沖動，確保整列運行的穩(wěn)定性。

2)減少司機操縱頻率和勞動強度。

3)節(jié)能：系統(tǒng)能夠充分利用線路條件，提高列車運行的節(jié)能性。

2 機車自動駕駛系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

大秦線HXD1型電力機車自動駕駛系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)(LKJ15C)、自動駕駛裝置ATO、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(CCU)、ATO與CCU數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)關(guān)設(shè)備(RDA裝置)、制動控制系統(tǒng)(BCU)以及必要的地面設(shè)備等組成，如圖1所示。

圖1 自動駕駛系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以自動駕駛裝置為核心，基于監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)的安全聯(lián)動，實現(xiàn)機車的自動駕駛功能。

2.2 系統(tǒng)工作原理

在自動駕駛模式下，自動駕駛裝置首先從LKJ15C主機獲得臨時限速、編組信息、線路數(shù)據(jù)和位置信息后，綜合機車的位置、限速、坡道和彎道等信息，經(jīng)過計算，通過ETH/MVB網(wǎng)關(guān)RDA向機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸出牽引/電制動指令或向制動系統(tǒng)輸出空氣制動指令。牽引/電制動指令和空氣制動指令在主控機車由牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)實施，通過無線重聯(lián)同步控制系統(tǒng)傳輸?shù)綇目貦C車，實現(xiàn)同步操縱。

2.3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能是要實現(xiàn)機車在站場發(fā)車-線路運行-進站停車過程中的自動化運行，減少司機手動操縱，在機車自動駕駛運行時替代司機對司控器和制動手柄等的操作，具體功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要功能

3 主要子系統(tǒng)配置

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)(LKJ-15C)主要功能是通過IC卡獲取臨時限速，通過司機獲取列車編組信息，預(yù)存運行線路的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過BTM天線和地面應(yīng)答器獲得機車的位置信息，并計算列車運行的限速，然后將相關(guān)信息提供給自動駕駛裝置。根據(jù)列車自動駕駛的需求，系統(tǒng)需要獲得列車的準(zhǔn)確位置信息，監(jiān)控系統(tǒng)與自動駕駛裝置之間需要傳輸大量數(shù)據(jù)。

3.2 自動駕駛裝置

自動駕駛裝置作為系統(tǒng)核心部件，通過實時獲取的列車運行狀態(tài)信息來計算目標(biāo)速度，并實時輸出相應(yīng)的自動駕駛控制指令。裝置采用2乘2取2的安全-冗余架構(gòu)，保證了系統(tǒng)的安全性與可靠性，冗余通道或模塊單一故障不影響系統(tǒng)的運行，冗余模塊同時故障按照故障導(dǎo)向安全方式處理，裝置的安全等級不低于SIL4級。

3.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(CCU)負(fù)責(zé)整車邏輯和特性控制，基于西門子成熟、穩(wěn)定、可靠的SIBAS 32網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備RDA裝置與自動駕駛裝置進行數(shù)據(jù)通信。在自動駕駛模式下，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)自動駕駛系統(tǒng)的牽引和電制等指令驅(qū)動列車按照規(guī)劃速度運行，并給自動駕駛系統(tǒng)反饋實際的牽引力、電制力和速度等參數(shù)。

3.4 制動機系統(tǒng)

制動控制系統(tǒng)(BCU)負(fù)責(zé)執(zhí)行由自動駕駛裝置發(fā)出的空氣制動命令并反饋回相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)。機車既有CCBII制動機的硬件系統(tǒng)保持不變，升級軟件以適應(yīng)自動駕駛裝置控車要求。在運行過程中，司機的制動控制操作具有最高優(yōu)先等級。

3.5 地面設(shè)備

為了提高列車定位精度，LKJ-15C監(jiān)控裝置配備了BTM天線(應(yīng)答器信息接收單元)接收地面點式應(yīng)答器定位數(shù)據(jù)。在地面信號機之前加裝無源點式應(yīng)答器，用于列車位置校正，可以實現(xiàn)正線通過、側(cè)線通過和側(cè)線停車等功能。

4 結(jié)語

本文介紹了大秦線HXD1型機車自動駕駛系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了其設(shè)計原則及目標(biāo)、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)工作原理功能及主要子系統(tǒng)配置。通過單機、單機輕載/重載等試驗，對自動駕駛系統(tǒng)通訊、模式切換、自動起車、自動運行控制等基本功能進行了驗證，結(jié)果表明，該自動駕駛系統(tǒng)能夠有效減少司機操縱頻率和勞動強度，提升重載列車運行的自動化水平。