大秦線(xiàn)HXD1型機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 濤1，謝振峰1，黃軒滔，付 金

(1. 中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013；2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

自動(dòng)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(dòng)駕駛或全自動(dòng)駕駛。在國(guó)內(nèi)重載鐵路貨運(yùn)運(yùn)輸領(lǐng)域，沈陽(yáng)鐵路局、西安鐵路局、神朔鐵路分公司等多個(gè)單位均對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究。

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

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)

1.1 總體設(shè)計(jì)原則

1)系統(tǒng)所有功能在機(jī)車(chē)原安全控制邏輯和安全監(jiān)控設(shè)備的防護(hù)功能不變的情況下實(shí)現(xiàn)。

2)系統(tǒng)須在司機(jī)值守下運(yùn)行。

3)司機(jī)操作權(quán)限優(yōu)先于系統(tǒng)。

4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“故障導(dǎo)向安全”。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

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

2)減少司機(jī)操縱頻率和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)節(jié)能：系統(tǒng)能夠充分利用線(xiàn)路條件，提高列車(chē)運(yùn)行的節(jié)能性。

2 機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

大秦線(xiàn)HXD1型電力機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)(LKJ15C)、自動(dòng)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(dòng)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(dòng)駕駛系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)的安全聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的自動(dòng)駕駛功能。

2.2 系統(tǒng)工作原理

在自動(dòng)駕駛模式下，自動(dòng)駕駛裝置首先從LKJ15C主機(jī)獲得臨時(shí)限速、編組信息、線(xiàn)路數(shù)據(jù)和位置信息后，綜合機(jī)車(chē)的位置、限速、坡道和彎道等信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)ETH/MVB網(wǎng)關(guān)RDA向機(jī)車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸出牽引/電制動(dòng)指令或向制動(dòng)系統(tǒng)輸出空氣制動(dòng)指令。牽引/電制動(dòng)指令和空氣制動(dòng)指令在主控機(jī)車(chē)由牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施，通過(guò)無(wú)線(xiàn)重聯(lián)同步控制系統(tǒng)傳輸?shù)綇目貦C(jī)車(chē)，實(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)在站場(chǎng)發(fā)車(chē)-線(xiàn)路運(yùn)行-進(jìn)站停車(chē)過(guò)程中的自動(dòng)化運(yùn)行，減少司機(jī)手動(dòng)操縱，在機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛運(yùn)行時(shí)替代司機(jī)對(duì)司控器和制動(dòng)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(guò)IC卡獲取臨時(shí)限速，通過(guò)司機(jī)獲取列車(chē)編組信息，預(yù)存運(yùn)行線(xiàn)路的線(xiàn)路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)BTM天線(xiàn)和地面應(yīng)答器獲得機(jī)車(chē)的位置信息，并計(jì)算列車(chē)運(yùn)行的限速，然后將相關(guān)信息提供給自動(dòng)駕駛裝置。根據(jù)列車(chē)自動(dòng)駕駛的需求，系統(tǒng)需要獲得列車(chē)的準(zhǔn)確位置信息，監(jiān)控系統(tǒng)與自動(dòng)駕駛裝置之間需要傳輸大量數(shù)據(jù)。

3.2 自動(dòng)駕駛裝置

自動(dòng)駕駛裝置作為系統(tǒng)核心部件，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取的列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息來(lái)計(jì)算目標(biāo)速度，并實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的自動(dòng)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(yùn)行，冗余模塊同時(shí)故障按照故障導(dǎo)向安全方式處理，裝置的安全等級(jí)不低于SIL4級(jí)。

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(chē)邏輯和特性控制，基于西門(mén)子成熟、穩(wěn)定、可靠的SIBAS 32網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備RDA裝置與自動(dòng)駕駛裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在自動(dòng)駕駛模式下，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的牽引和電制等指令驅(qū)動(dòng)列車(chē)按照規(guī)劃速度運(yùn)行，并給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)反饋實(shí)際的牽引力、電制力和速度等參數(shù)。

3.4 制動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

制動(dòng)控制系統(tǒng)(BCU)負(fù)責(zé)執(zhí)行由自動(dòng)駕駛裝置發(fā)出的空氣制動(dòng)命令并反饋回相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)。機(jī)車(chē)既有CCBII制動(dòng)機(jī)的硬件系統(tǒng)保持不變，升級(jí)軟件以適應(yīng)自動(dòng)駕駛裝置控車(chē)要求。在運(yùn)行過(guò)程中，司機(jī)的制動(dòng)控制操作具有最高優(yōu)先等級(jí)。

3.5 地面設(shè)備

為了提高列車(chē)定位精度，LKJ-15C監(jiān)控裝置配備了BTM天線(xiàn)(應(yīng)答器信息接收單元)接收地面點(diǎn)式應(yīng)答器定位數(shù)據(jù)。在地面信號(hào)機(jī)之前加裝無(wú)源點(diǎn)式應(yīng)答器，用于列車(chē)位置校正，可以實(shí)現(xiàn)正線(xiàn)通過(guò)、側(cè)線(xiàn)通過(guò)和側(cè)線(xiàn)停車(chē)等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了大秦線(xiàn)HXD1型機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，闡述了其設(shè)計(jì)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(guò)單機(jī)、單機(jī)輕載/重載等試驗(yàn)，對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通訊、模式切換、自動(dòng)起車(chē)、自動(dòng)運(yùn)行控制等基本功能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠有效減少司機(jī)操縱頻率和勞動(dòng)強(qiáng)度，提升重載列車(chē)運(yùn)行的自動(dòng)化水平。