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(xiàn)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(jīng)驗中總結出來的?，F(xiàn)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(qū)停、運緩、冒進和沖標等問題的發(fā)生，甚至還可能會發(fā)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(fā)展，軌道交通的智能化將是未來的發(fā)展趨勢，而且正快速地推動軌道交通行業(yè)的進步。在重載領域，利用日益提升的智能化技術，實現(xiàn)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(wěn)、準點、高效、節(jié)能的鐵路運輸體系是實現(xiàn)重載鐵路發(fā)展的必由之路［2］。可在充分發(fā)揮機車牽引功率前提下，提高列車運行安全性與平穩(wěn)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(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備，只依靠機車LKJ就可以實現(xiàn)行程規(guī)劃和輔助駕駛。此套系統(tǒng)可應用于我國現(xiàn)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(tǒng)的應用范圍。文中還介紹了系統(tǒng)實際線路上的動態(tài)運行試驗，動力學監(jiān)測結果表明所有指標都在規(guī)定的安全范圍之內，這為系統(tǒng)的推廣和應用提供了依據(jù)，奠定了基礎。

1 系統(tǒng)組成

基于LKJ的機車輔助駕駛系統(tǒng)是在有司機值守、機車原安全控制邏輯和安全監(jiān)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(xiàn)列車的運行控制功能。在輔助駕駛系統(tǒng)運行過程中，司機負責監(jiān)視并確保列車安全運行狀態(tài)，但是不需要或者很少需要司機參與具體的操控作業(yè)。

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

基于LKJ的機車輔助駕駛系統(tǒng)并不是依靠單一設備或少數(shù)幾個設備，而是一個協(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，還包括無線通信單元、制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)和列尾裝置。這些系統(tǒng)和設備之間交互控制信息，實現(xiàn)貨運重載列車輔助駕駛功能。系統(tǒng)的構成如圖1所示。

圖1 基于LKJ的機車輔助駕駛系統(tǒng)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(wǎng)完成GSM-R/GPRS網(wǎng)絡參數(shù)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(fā)運行計劃。車載的機車輔助駕駛系統(tǒng)無線通信單元及GPRS天線，接收地面發(fā)送的運行計劃，發(fā)送給輔助駕駛主機，為行程規(guī)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(shù)據(jù)、基礎線路數(shù)據(jù)、揭示信息等數(shù)據(jù)。在輔助駕駛整個系統(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的。

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

制動系統(tǒng)負責執(zhí)行輔助駕駛主機發(fā)送的制動和緩解指令，同時還要執(zhí)行TCMS發(fā)出的懲罰指令。

輔助駕駛顯示單元則用來顯示系統(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，輔助駕駛主機是整個系統(tǒng)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(wǎng)板、切換板組成，作為輔助駕駛功能實現(xiàn)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(tǒng)具備高可靠性：采用高性能處理器，具備自檢、大容量存儲、統(tǒng)計分析及診斷功能，并且設計為雙系熱備冗余；系統(tǒng)采用安全實時操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的高安全性和高可靠性。

圖2 機車輔助駕駛主機

2 系統(tǒng)控制模式

系統(tǒng)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(jù)調度計劃及列車運行狀態(tài)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(tǒng)以客運列車的點單運行時分和貨運列車的區(qū)間通通運行時分為優(yōu)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(yōu)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(tǒng)按照指定時間進行規(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(tǒng)按照司機輸入的限速控制列車運行。

3 系統(tǒng)工作狀態(tài)

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

（1）待機狀態(tài)

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

（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)機車特性以及從各個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，進行行程規(guī)劃，行程規(guī)劃失敗時提示優(yōu)化失敗，行程規(guī)劃成功后，自動進入輔助駕駛狀態(tài)，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(tài)欄提示。

（3）自動駕駛預置狀態(tài)

列車處于自動制動或機車處于單獨制動狀態(tài)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(tài)，保持當前制動狀態(tài)，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(tài)，返回輔助駕駛狀態(tài)；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(tài)。

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(tài)，保持當前牽引或動力制動狀態(tài)，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(tài)；否則延遲10 s退出預置狀態(tài)，返回輔助駕駛狀態(tài)。

（4）自動駕駛狀態(tài)

輔助駕駛狀態(tài)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(tǒng)進入自動駕駛狀態(tài)；進入自動駕駛后，系統(tǒng)根據(jù)當前應用等級完成相應的自動控制功能。

（5）運用狀態(tài)轉換

系統(tǒng)應顯示當前的工作狀態(tài)，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(tài)和自動駕駛狀態(tài)轉換時，應具有文本和語音提示功能。各工作狀態(tài)轉換如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作狀態(tài)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(xiàn)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(lián)牽引10 500 t。

（1）試驗機車

貨運列車輔助駕駛系統(tǒng)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(tǒng)。

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(tài)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(shù)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(jù)縱向動力學測試方法標準（TB/T 3511—2018）和以往測試經(jīng)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(shù)包括輪軌橫向力、垂向力，并計算脫軌系數(shù)、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(qū)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(qū)間內，被試機車脫軌系數(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(qū)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(qū)間內，被試機車脫軌系數(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(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，滿足試驗大綱的要求。3次運行試驗，車鉤力數(shù)值重復性好，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(tǒng)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(shù)最大值0.74（限度值1.2），均發(fā)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(fā)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(wěn)定性（安全性）指標（脫軌系數(shù)、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(guī)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(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(guī)劃，發(fā)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(fā)情況，還可以自動對線路進行重新規(guī)劃，盡可能確保列車的準點率和平穩(wěn)性。系統(tǒng)在HXD1上裝車，并在浩吉鐵路上進行了動態(tài)試驗，試驗表明列車各項動力學參數(shù)均在相關要求規(guī)定的安全范圍之內。