《鐵路通信信號工程技術(shù)》雜志，2020年第六期
卡斯柯 朱賀田：《貨運列車自動駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究》
文章編號：1673-4440(2020)06-0020-04
國內(nèi)鐵路貨運業(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輸任務(wù)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的大動脈。改革開放以來，鐵路貨運向著重載化，快捷化方向發(fā)展，為整個社會物流提供了強大支持。
但是隨著鐵路貨運量逐年增長，貨車總重和軸重不斷增加，運行交路不斷延長，導(dǎo)致了列車控制困難、追蹤間隔拉長、司機勞動強度大等諸多影響安全生產(chǎn)的問題。
目前，我國已在CTCS-2級和CTCS-3級中實現(xiàn)ATO功能，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，不僅大大降低了司機勞動強度，還提高了線路運行效率。因此，在借鑒高鐵ATO關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)對貨運列車ATO控制，從而提高貨運列車的運行效率，保障行車安全。
隨著現(xiàn)代鐵路貨運的發(fā)展，鐵路貨運日益向重載化快捷化方向邁進，對列車的控制提出了更高的要求。如今，阻礙鐵路運輸安全與效率提升存在以下幾個問題。
國內(nèi)為緩解繁忙干線運輸能力緊張的問題，從20世紀(jì)80年代初開始對重載貨運列車進行了相關(guān)研究，從理論到實際運用，再到裝備研發(fā)等方面都取得了突破性的進展。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，機車輸出制動命令到整列車輛相應(yīng)制動的延遲時間越來越長。同樣原理，在機車施加牽引力時，也存在較大延遲，如果操縱不當(dāng)會導(dǎo)致斷鉤發(fā)生，嚴重影響鐵路運營安全。另外由于重聯(lián)機車和組合列車的使用，還需要考慮對重聯(lián)機車的控制。
相比于動車組和普通客運列車，貨運列車控制方法復(fù)雜，啟動和制動困難。為了保障安全，在規(guī)劃運行圖時，只能將追蹤間隔加大，從而影響了運營效率提高。同時，隨著國內(nèi)電商業(yè)的快速發(fā)展，在貨運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]。
由于列車操縱控制困難，司機長時間處于緊張狀態(tài)，心理壓力大。同時，貨運列車交路長，區(qū)間運行時間和站內(nèi)待避時間長，很容易令司機產(chǎn)生疲勞狀態(tài)，影響行車安全。
2010年，國內(nèi)根據(jù)信號系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r和珠三角城際線路的使用實際，制定CTCS2+ATO的總體設(shè)計方案。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實現(xiàn)將ATO自動駕駛技術(shù)運用在時速200?km級別列車上的國家[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)進入全面試驗運行階段。
CTCS3+ATO系統(tǒng)繼承了既有高速鐵路中CTCS-3/2級設(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的計劃信息，通過GPRS電臺向車載ATO發(fā)送計劃信息，同時通過無線方式聯(lián)動屏蔽門動作；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單元實現(xiàn)自動駕駛[4]。與既有CTCS-3/2級設(shè)備相比，CTCS3+ATO有如下特點。
1）車載設(shè)備在既有ATP功能的基礎(chǔ)上，新增加與ATO接口，負責(zé)向ATO傳輸行車許可，并實現(xiàn)開門功能防護。
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)運行。ATO需要實現(xiàn)站內(nèi)自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、停站自動開關(guān)門，并實現(xiàn)車門/站臺門聯(lián)動、接收運行計劃消息自動調(diào)整區(qū)間運行時分的功能。
3）為了精簡地面設(shè)備，降低建設(shè)及運行成本，TSRS在原有處理臨時限速功能的基礎(chǔ)上，增加了對運行計劃的處理和轉(zhuǎn)發(fā)功能。通過與車載ATO的GPRS通道，不僅實現(xiàn)運行計劃和運行狀態(tài)的交互，也實現(xiàn)了站臺屏蔽門聯(lián)動命令的處理。
4）CTC新增與TSRS的運行計劃接口，CTC負責(zé)下達運行計劃，調(diào)整運行計劃。
5）站內(nèi)股道中增加精確停車應(yīng)答器。雙方向接車站臺布置5個應(yīng)答器，單方向接車站臺布置3個應(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，同時也方便向LTE-R演進。
在設(shè)計貨運列車ATO系統(tǒng)時，可借鑒高速鐵路ATO系統(tǒng)架構(gòu)，利用和升級既有軌旁信號系統(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)備處理運行計劃，減少中間站的改造，控制系統(tǒng)升級難度和改造成本。
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)停車點信息應(yīng)答器的布置數(shù)量。與此同時，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，在引入高速動車組上運用成熟的ATP硬件架構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合既有貨運列車實際情況，實現(xiàn)貨運列車的ATO功能。
車載設(shè)備中增加GSM-R電臺，用于接收地面發(fā)送的計劃信息，同時將列車的運行狀態(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時速度、運行距離等參數(shù)，擯棄以往只依賴速度傳感器的方案。
由于貨運列車運營方式和運營規(guī)律與高速鐵路存在較大區(qū)別，因而在設(shè)計ATO的關(guān)鍵邏輯時，貨運列車ATO有其新的特性。
1）列車啟停階段中對空轉(zhuǎn)/打滑的處理。相對于高速動車組，貨運列車由于牽引質(zhì)量大，牽引力集中，在啟動過程中，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。由于貨運機車軸重大，空轉(zhuǎn)/打滑發(fā)生時車輪踏面和軌道表面的損傷更嚴重，極易造成更加嚴重的次生事故。因此，裝配ATO設(shè)備的貨運列車在啟動過程中，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；在制動停車過程中，應(yīng)充分考慮機車和車輛制動性能，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，實現(xiàn)對牽引控制和制動反饋的精確高效反應(yīng)。
2）列車在區(qū)間運行時，ATO應(yīng)避免頻繁切換牽引制動。在既有的CTCS2+ATO系統(tǒng)中，動車組與ATO之間使用的是繼電接口，因而ATO在控制列車時是分級控制，在定速巡航階段，為了恒速，會出現(xiàn)制動和牽引頻繁的切換。對于貨運列車而言，由于貨運列車的車列較長，制動后無法快速緩解制動，在其運行中制動/牽引頻繁切換，將導(dǎo)致列車尾部風(fēng)壓不足，造成制動力不足的嚴重后果，進而影響行車安全[5]。同時，牽引力施加時，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)列車的實際運行情況和線路條件合理使用牽引和制動。
3）ATO控制列車停車。相比于高速鐵路ATO需要站臺停車辦客并聯(lián)動屏蔽門的需求，貨運列車ATO對停車精度的要求相對較低。對于編組較長的貨運列車而言，站內(nèi)停車時應(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)間運行時，由于通過信號機關(guān)閉或執(zhí)行進站信號機外停車時，需要考慮線路的實際情況，應(yīng)避免在坡道上停車，并且ATO設(shè)備應(yīng)通過人機交互單元提前提示司機[6]。
4）運行計劃接收與執(zhí)行。ATO應(yīng)能通過司機輸入的車次號，自動請求列車編組，換長，總重等信息用于控制列車，司機只負責(zé)核對相應(yīng)編組信息正確。ATO接收地面發(fā)來的運行計劃后，應(yīng)根據(jù)到發(fā)時刻、到發(fā)股道等信息自動生成移動授權(quán)，控制列車運行。在運行計劃改變或者運行計劃無效的情況下，ATO應(yīng)及時通過人機交互單元提醒司機，從而保證列車的安全運行。同時，ATO應(yīng)以無線通信的方式，將列車的實時運行狀態(tài)反饋至地面調(diào)度中心，以便調(diào)度員了解車輛運行情況，下達相應(yīng)調(diào)度命令。
5）重聯(lián)端自動控制。在實際運用中，貨運列車通常采用多機重聯(lián)模式運行，因此，ATO在控制本務(wù)列車的同時，也應(yīng)遠程控制重聯(lián)機車。機車重聯(lián)控制方式有有線方式和無線方式兩種，前者通過機車之間的重聯(lián)電纜實現(xiàn)，后者通過無線GSM-R或LTE-R網(wǎng)絡(luò)實現(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。貨運列車運行條件復(fù)雜，交路長度大，跨局跨線運行較多，牽引貨運列車的機車型號復(fù)雜，牽引特性不一致的等問題，因此，貨運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)的搜集和計算，自動優(yōu)化每種型號機車的牽引制動屬性，提高數(shù)據(jù)與車輛的匹配度。同時，對于ATO而言，可以通過分析司機人工操縱時的習(xí)慣和手法，濾出其中關(guān)鍵操作點與關(guān)鍵操作時間，使得ATO一方面能在運行中不斷自我訓(xùn)練。另一方面可以吸收司機人工操縱的優(yōu)點，持續(xù)優(yōu)化控車水平，提高安全性能[8-9]。
首先分析當(dāng)前貨運列車信號控制遇到的問題，提出可以借鑒高鐵ATO的控制方法在貨運列車上應(yīng)用ATO技術(shù)。介紹既有C3+ATO的系統(tǒng)架構(gòu)，并分析貨運列車ATO系統(tǒng)的新特性，指出了貨運列車ATO的發(fā)展方向與目標(biāo)。
