朔黃鐵路重載列車智能操控系統(tǒng)研究

張朝輝

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350）

朔黃鐵路重載列車智能操控系統(tǒng)研究

張朝輝

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350）

重載鐵路已成為國際鐵路發(fā)展的重要方向，而智能操控輔助系統(tǒng)作為其重要組成部分，合理的輔助操控曲線設計將極大提高運行效率，節(jié)約運行成本。在綜合研究智能操控技術的基礎上，根據(jù)朔黃鐵路特點，設計出適用于該線路條件下的輔助駕駛系統(tǒng)，除滿足準時、節(jié)能要求外，還具有實時語音提示、界面顯示輔助指導線路運行工況等功能。

重載鐵路；智能操控；輔助系統(tǒng)；準時；節(jié)能

1 概述

重載列車智能操控技術是一項嶄新技術，通過對現(xiàn)有重載列車動力分布、無線重聯(lián)控制技術、列車編組、調度命令下達等運輸組織模式研究，分析重載列車對智能操控、安全防護、運行效率及整個線路擴能的需求，明確重載列車智能操控系統(tǒng)的關鍵技術指標。在此基礎上研發(fā)適用于重載列車智能安全操控及輔助自動控制技術，確定重載列車智能操控系統(tǒng)的技術體制，開發(fā)適用于重載列車的智能操控系統(tǒng)，為列車提供輔助自動控制設備，構建完整的重載列車智能操控系統(tǒng)體系，實現(xiàn)列車運輸安全，優(yōu)化運行效率，提升線路運輸能力。同時通過對該項技術的工程化應用，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的既有鐵路大軸重條件下智能操控系統(tǒng)設備和成套技術體系[1-3]。

目前，國內在重載列車智能操控領域已經(jīng)取得了一些成果。朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司通過系統(tǒng)研究，總結開行萬噸列車經(jīng)驗，分析傳統(tǒng)操縱中存在的弊端，規(guī)范操縱流程，優(yōu)化列車運行曲線，制定科學合理的操縱辦法和非正常情況處理辦法及相關安全措施，對智能操控系統(tǒng)進行了更加貼近實際的研究，確定重載列車智能操控系統(tǒng)技術架構，開發(fā)適用于具體線路的重載列車智能操控系統(tǒng)核心設備與輔助自動控制設備，實現(xiàn)列車智能操控，提供列車輔助自動控制等功能，保證列車運輸安全，優(yōu)化運行效率，提升線路運輸能力。根據(jù)實地路況實時向司機提供優(yōu)化列車運行曲線，基于輔助駕駛規(guī)劃曲線和列車運行狀態(tài)信息在線指導司機安全、準點和節(jié)能地操縱列車，確保重載列車運行的安全、平穩(wěn)、暢通，可為研究開行2萬t列車提供借鑒。

2 需求分析

智能操控系統(tǒng)的總體需求：具備駕駛曲線優(yōu)化功能、智能輔助功能、良好人機界面顯示功能、司控操作語音提醒功能；按照智能操控系統(tǒng)優(yōu)化后的曲線運行，列車旅行速度將提高5%以上、降低能耗5%～10%[4]。

2.1 功能需求

2.1.1 輔助駕駛曲線計算功能

（1）系統(tǒng)應能根據(jù)運營計劃信息、線路信息、機車信號并綜合車輛基本信息、車輛運行狀態(tài)等信息，實時計算得到最優(yōu)輔助駕駛規(guī)劃曲線；

（2）輔助駕駛規(guī)劃曲線計算在滿足安全、準點要求下盡可能考慮節(jié)能運行；

（3）系統(tǒng)輔助駕駛規(guī)劃曲線應確保在3 s內得到刷新，刷新前后的曲線應具備一定連貫性并確保其在限速曲線下方；

（4）輔助駕駛規(guī)劃曲線應滿足各種限制條件，當信號燈發(fā)生變化或司機操縱列車運行偏離曲線時，適時自動調整。

2.1.2 輔助駕駛功能

（1）系統(tǒng)提示的信息應簡單易用，列車運行過程中的各種指導參數(shù)顯示方式應直觀明了并符合司機操縱習慣；

（2）系統(tǒng)指導司機升降級位，為司機提供列車制動的時機及減壓量參考，以滿足列車準點運行的要求，同時確保按提示操作的機車始終在限速線以下安全運行；

（3）在工況變化點，系統(tǒng)通過語音提示司機進行工況轉換（如牽引級位、制動級位、是否惰行等信息），同時將提示司機工況轉換信息通過文本形式在DMI上顯示，直到下一次提示工況轉換后修改；

（4）系統(tǒng)應能根據(jù)機車牽引能力提示司機進行趕點操縱，實現(xiàn)列車趕點要求；

（5）當操作前方發(fā)生信號變化時，系統(tǒng)應能指導司機進行正確的提速/降速操作；

（6）系統(tǒng)應能根據(jù)天氣變化情況適當修正實際操縱策略。

2.1.3 顯示功能

（1）重載列車操控系統(tǒng)應具備良好的人機界面顯示功能，在DMI上顯示用于指導司機駕駛的信息，包括推薦的牽引/制動信息、輔助駕駛速度曲線、當前速度、當前位置等信息；

（2）萬噸列車顯示前方2.7 km、后方2.3 km的數(shù)據(jù)。

同時，系統(tǒng)應具備語音輸出功能，可實時輸出語音提示司機進行相關操控；系統(tǒng)應能實時記錄列車相關運行狀態(tài)參數(shù)，并支持地面數(shù)據(jù)離線處理與分析。

2.2 性能需求

2.2.1 合理操縱

列車操縱必須符合安全合理原則，不能對列車正常運行產(chǎn)生危害。

（1）牽引/制動工況變化不能過于頻繁；（2）列車運行速度不能超過線路限速；（3）考慮到列車自身長度，除保證列車車頭不超速外，還要保證車尾也不超速；

（4）萬噸列車運行調速時應采取動力制動為主、空氣制動為輔的操縱方法，當動力制動不能滿足調速需求時再投入空氣制動；緩解列車時先緩解空氣制動，待全部車輛緩解完畢后再逐漸解除動力制動等。

2.2.2 準點運行

（1）系統(tǒng)實時指導司機操縱列車在規(guī)定時間到達目的地，系統(tǒng)能根據(jù)行車狀態(tài)及時調整行車策略，保證早晚點情況下進行適當操作，保證列車準點到達；

（2）在智能操控系統(tǒng)指導下控車，列車旅行速度提高5%以上。

2.2.3 節(jié)能運行

（1）運行過程中盡量避免無謂的能量損耗；

（2）在滿足安全和準點運行要求條件下，盡可能采用更節(jié)能的操縱方式，降低能耗5%～10%。

3 系統(tǒng)架構設計

3.1 機車既有設備接口

智能操控系統(tǒng)總體架構見圖1。通過LTE網(wǎng)絡獲取調度優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)送的行車運營計劃信息。智能操控系統(tǒng)通過既有車載設備總線接口連接既有車載設備，獲取LKJ2000運行數(shù)據(jù)、列尾裝置數(shù)據(jù)、機車網(wǎng)絡數(shù)據(jù)及其他第三方設備運行數(shù)據(jù)等[5]。

智能操控系統(tǒng)與既有車載設備的連接關系見圖2。

（1）TAX2機箱。智能操控系統(tǒng)通過與既有車載設備融合，獲取LKJ監(jiān)控運行數(shù)據(jù)，從而獲取TAX2機箱數(shù)據(jù)，包括速度、位置、時分秒、機車信號、機車工況、支線、側線、司機號、副司機號、總質量、計長、區(qū)段號、車站號等。

圖1 智能操控系統(tǒng)總體架構

圖2 智能操控系統(tǒng)與既有車載設備連接關系

（2）軸溫檢測裝置。智能操控系統(tǒng)通過與既有車載設備融合，獲取軸溫振動狀態(tài)信息。

（3）列尾裝置。智能操控系統(tǒng)通過與既有車載設備融合，獲取列尾相關的狀態(tài)信息，包括列車裝置生命信號、列車尾部管壓力、列車尾部蓄電池電壓、列車裝置狀態(tài)等。

（4）智能電度表。智能操控系統(tǒng)通過與既有車載設備融合，獲取電度表相關信息，包括電度表生命信號、牽引電能和反饋電能等。

（5）自動過分相裝置。智能操控系統(tǒng)通過與既有車載設備融合，獲取自動過分相信息，包括分相裝置狀態(tài)、分相預告、分相強迫、分相完成等。

（6）機車無線重聯(lián)。智能操控系統(tǒng)通過與既有車載設備融合，獲取機車無線重聯(lián)信息，包括無線重聯(lián)生命信號、編組數(shù)量、主車車型、主車車號、從1車型、從1車號、從2車型、從2車號、從3車型、從3車號、主從1間距、從1從2間距、從2從3間距、本車編組序號和本車通信狀態(tài)等。

智能操控系統(tǒng)與既有車載設備的通信方式以以太網(wǎng)通信為主，采用UDP協(xié)議，智能操控系統(tǒng)每周期接收的既有車載設備發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)最多為320個。A節(jié)機車對應A節(jié)既有車載設備的IP地址和端口號向智能操控系統(tǒng)車載設備發(fā)送數(shù)據(jù)；B節(jié)機車對應B節(jié)既有車載設備的IP地址和端口號向智能操控系統(tǒng)的車載設備發(fā)送數(shù)據(jù)（見圖3）。

圖3 智能操控系統(tǒng)與既有車載設備通信

智能操控系統(tǒng)和既有車載設備的數(shù)據(jù)格式都采用“小端模式”，即數(shù)據(jù)高位存在內存低地址中，數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)格式表

3.2 系統(tǒng)硬件架構

智能操控系統(tǒng)硬件架構見圖4。

（1）智能操控系統(tǒng)的安全計算機是一個2取2安全計算機平臺，根據(jù)EN 50129規(guī)定的組合故障安全、反應故障安全、固有故障安全原則構建多機冗余表決計算機，實現(xiàn)安全的輸入采集、輸出驅動、外部通信等功能。根據(jù)軌道交通行業(yè)標準對安全計算機平臺的要求，智能操控系統(tǒng)安全計算機平臺的安全完整性將達到SIL4級。智能操控系統(tǒng)的安全計算機平臺滿足重載列車智能操控系統(tǒng)的智能輔助功能硬件環(huán)境要求。

圖4 智能操控系統(tǒng)硬件架構

（2）智能操控系統(tǒng)的業(yè)務軟件結合車載基礎線路數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)，科學生成輔助駕駛規(guī)劃曲線，提供列車輔助自動控制等功能，保證列車運輸安全，優(yōu)化運行效率，提升線路運輸能力。

（3）智能操控顯示屏采用運行穩(wěn)定的操作系統(tǒng)和圖形庫，提供DMI人機界面顯示和語音提示等功能。

（4）智能操控系統(tǒng)測速單元提供正確的列車測速功能。

3.3 系統(tǒng)軟件架構

重載列車智能操控系統(tǒng)軟件分為人機界面軟件和車載及輔助控制主軟件，軟件環(huán)境分別為：

（1）人機界面軟件運行于Windows環(huán)境，在Microsoft Visual Studio平臺上由C++語言編譯而成；

（2）車載輔助控制主軟件運行于Linux和Vxworks異構環(huán)境，采用符合MISRA-C2004規(guī)范的C語言編寫。

重載列車智能操控系統(tǒng)重載業(yè)務軟件模塊劃分見表2。

4 現(xiàn)場測試

重載列車智能操控系統(tǒng)相關設備都已安裝在朔黃鐵路HXD17005和HXD17147機車上，設備從2015年7月安裝完畢，截至目前運行狀態(tài)良好。為系統(tǒng)驗證重載列車智能操控系統(tǒng)基于列車走行部、鉤緩及列尾狀態(tài)的駕駛曲線優(yōu)化功能和重載列車司控智能輔助功能等的研究內容和研究目標是否完成及完成質量，2015年9月在朔黃鐵路進行了2次30 t軸重、總質量2.3萬t的綜合試驗。

表2 重載列車智能操控系統(tǒng)模塊劃分

試驗目的：（1）檢驗重載列車智能操控系統(tǒng)與機車其他設備接口的正確性，包括與CTU設備、LKJ、雷達測速傳感器、大軸重重載列車運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等；（2）測試與重載列車調度優(yōu)化系統(tǒng)通過LTE-R網(wǎng)絡交互業(yè)務數(shù)據(jù)（調度指令、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)等）的正確性、穩(wěn)定性和實時性；（3）驗證重載列車智能操控系統(tǒng)安裝在動力分布無線重聯(lián)的多個機車編組列車上輸出的輔助駕駛優(yōu)化曲線和輔助列車司控指令的安全性和正確性；（4）對約束指標（列車旅行速度提高5%以上、降低能耗5%～10%）進行測試。

以寧武西—龍宮、定州東—安國2個區(qū)間為例進行分析。其中，定州東—安國區(qū)間運行曲線對比見圖5。試驗結果表明，列車的規(guī)劃運行時間與實際運行時間偏差滿足≤5%的要求。

圖5 定州東—安國區(qū)間運行曲線對比

統(tǒng)計可知，9月11日和9月18日列車從神池南—肅寧北的總能耗分別是17 906 kW·h和17 583 kW·h，假如列車按照智能操控系統(tǒng)指令行車，在寧武西—龍宮和定州東—安國即可節(jié)約總電能1 286 kW·h，按照9月11日和9月18日的總能耗計算節(jié)能指標，分別為1 286/17 906=7.18%和1 286/17 583=7.31%，已經(jīng)滿足節(jié)能5%～10%的指標要求。假如其他區(qū)間也按照智能操控輔助指令行車，節(jié)能效果會更加明顯。

試驗結果充分表明，重載列車智能操控系統(tǒng)能夠滿足軸重30 t重載列車的運行需求，各項約束指標都能實現(xiàn)。

5 結束語

重載列車智能操控系統(tǒng)的研制以節(jié)能和提高運行效率為目標。以朔黃鐵路每年2億t的運量計算，每年大概節(jié)約電能5 000萬kW·h，極大降低了運輸成本。重載列車智能操控系統(tǒng)研制綜合考慮不同線路條件、列車編組和載質量，將重載列車司機的日常操控標準化和歸一化，極大降低司機的工作強度，降低對司機的培養(yǎng)成本，同時減小新司機由于操作不熟悉、特別是行車異常事件處理能力不足而導致安全事故的可能性。

[1] 耿志修，鐘章隊．網(wǎng)絡化無線機車同步操作控制的研究與應用[J]．鐵道學報，2008，30(2)：103-107. [2] 陳偉．朔黃鐵路重載運輸信息技術[J]．中國鐵路，2015(1)：51-54．

[3] 薛繼連．神華既有重載鐵路技術創(chuàng)新發(fā)展模式[J]．中國鐵路，2014(7)：7-11．

[4] 朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司．朔黃鐵路聯(lián)合運輸行車組織及安全管理細則[R]，2009．

[5] 陳會波．LKJ在朔黃重載鐵路的控制模式研究[J]．中國鐵路，2014(10)：54-58．

責任編輯 高紅義

On Intelligent Heavy Haul Train Control System for Shuohuang Railway

ZHANG Chaohui
（Shuohuang Railway Development Co Ltd，Suning Hebei 062350，China）

Heavy-haul has become an important orientation of development for railways around the globe. For intelligent control system, a key component of railway, well-designed auxiliary control curve will greatly improve operation efficiency and save operation cost. Based on comprehensive study of intelligent control technology, according to the characteristics of Shuohuang railway, an auxiliary driving system is designed, which not only meets the requirements of punctuality and energy conservation, but also provides real-time voice and on-display guide to show the real time operation conditions of the line.

heavy haul railway；intelligent control；auxiliary system；punctuality；energy conservation

U260.36

A

1001-683X（2017）02-0086-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.086

2016-05-19

張朝輝（1971—），男，高級工程師，碩士。E-mail：ZhangChaoHui@shtlit.com.cn