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重载铁路货运列车自动驾驶关键技术研究 | 技术交流

《铁路通信信号工程技术》杂志,2020年第六期

卡斯柯 朱贺田:《货运列车自动驾驶关键技术研究》

文章编号:1673-4440(2020)06-0020-04

 

国内铁路货运业务承担了全国大部分的煤炭、矿石、钢铁、粮油等大宗商品的运输任务,是国民经济发展的大动脉。改革开放以来,铁路货运向着重载化,快捷化方向发展,为整个社会物流提供了强大支持。
但是随着铁路货运量逐年增长,货车总重和轴重不断增加,运行交路不断延长,导致了列车控制困难、追踪间隔拉长、司机劳动强度大等诸多影响安全生产的问题。
目前,我国已在CTCS-2级和CTCS-3级中实现ATO功能,取得了良好的经济效益和社会效益,不仅大大降低了司机劳动强度,还提高了线路运行效率。因此,在借鉴高铁ATO关键技术的基础上,可实现对货运列车ATO控制,从而提高货运列车的运行效率,保障行车安全。
1 铁路货物运输的问题 
随着现代铁路货运的发展,铁路货运日益向重载化快捷化方向迈进,对列车的控制提出了更高的要求。如今,阻碍铁路运输安全与效率提升存在以下几个问题。
1)货运列车控制方法更加复杂
国内为缓解繁忙干线运输能力紧张的问题,从20世纪80年代初开始对重载货运列车进行了相关研究,从理论到实际运用,再到装备研发等方面都取得了突破性的进展。目前,在京沪线、京广线等干线上已经大量开行5 500 t重载列车,大秦线普遍开行10 000 t重载列车和20 000 t组合重载列车[1]
货运列车总重的增加对列车的操纵性能提出了更高的要求。由于列车长度增加,机车输出制动命令到整列车辆相应制动的延迟时间越来越长。同样原理,在机车施加牵引力时,也存在较大延迟,如果操纵不当会导致断钩发生,严重影响铁路运营安全。另外由于重联机车和组合列车的使用,还需要考虑对重联机车的控制。
2)重载货运列车导致追踪间隔加大
相比于动车组和普通客运列车,货运列车控制方法复杂,启动和制动困难。为了保障安全,在规划运行图时,只能将追踪间隔加大,从而影响了运营效率提高。同时,随着国内电商业的快速发展,在货运列车保证载重量的情况下,又要求货物列车速度有所提升,更加加剧了这一矛盾[2]
3)司机劳动强度大
由于列车操纵控制困难,司机长时间处于紧张状态,心理压力大。同时,货运列车交路长,区间运行时间和站内待避时间长,很容易令司机产生疲劳状态,影响行车安全。
2 从高速铁路ATO到货运列车ATO
2010年,国内根据信号系统发展状况和珠三角城际线路的使用实际,制定CTCS2+ATO的总体设计方案。2016年珠三角城际莞惠线和广佛肇线相继开通,我国成为世界上首个实现将ATO自动驾驶技术运用在时速200 km级别列车上的国家[3]。2017年以来,伴随京沈客专和京张高铁的建设,CTCS3+ATO系统进入全面试验运行阶段。
CTCS3+ATO系统继承了既有高速铁路中CTCS-3/2级设备,参考既有CTCS2+ATO的控制逻辑。在地面设备中,使用既有的TSRS处理CTC的计划信息,通过GPRS电台向车载ATO发送计划信息,同时通过无线方式联动屏蔽门动作;在车站股道内布置精确停车应答器,用于站内精准停车。在车载设备中,添加车载ATO单元实现自动驾驶[4]。与既有CTCS-3/2级设备相比,CTCS3+ATO有如下特点。
1)车载设备在既有ATP功能的基础上,新增加与ATO接口,负责向ATO传输行车许可,并实现开门功能防护。
2)ATO接收到ATP的行车许可后,控制列车在ATP允许的限速内运行。ATO需要实现站内自动发车、区间自动运行、停站自动开关门,并实现车门/站台门联动、接收运行计划消息自动调整区间运行时分的功能。
3)为了精简地面设备,降低建设及运行成本,TSRS在原有处理临时限速功能的基础上,增加了对运行计划的处理和转发功能。通过与车载ATO的GPRS通道,不仅实现运行计划和运行状态的交互,也实现了站台屏蔽门联动命令的处理。
4)CTC新增与TSRS的运行计划接口,CTC负责下达运行计划,调整运行计划。
5)站内股道中增加精确停车应答器。双方向接车站台布置5个应答器,单方向接车站台布置3个应答器。
相比CTCS2+ATO系统,CTCS3+ATO取消设置CCS,使用TSRS代替CCS的功能,降低了轨旁设备成本。ATO与地面通信方面采用GPRS分组数据业务,比起传统电路域连接提高了传输带宽,同时也方便向LTE-R演进。
在设计货运列车ATO系统时,可借鉴高速铁路ATO系统架构,利用和升级既有轨旁信号系统,尽量减小地面设备和站场的改造。
全面使用GPRS分组数据业务,利用中心或大站设备处理运行计划,减少中间站的改造,控制系统升级难度和改造成本。
由于货物列车对停车精度的要求相对较低,基于成本、施工量等方面考虑,可减少停车股道内停车点信息应答器的布置数量。与此同时,需要在车载设备中增加BTM天线模块,用于接收处理来自应答器的信息。
在车载设备中,在引入高速动车组上运用成熟的ATP硬件架构基础上,结合既有货运列车实际情况,实现货运列车的ATO功能。
车载设备中增加GSM-R电台,用于接收地面发送的计划信息,同时将列车的运行状态信息等重要参数反馈给地面设备。
为提高ATO设备的控车精度,可采用多信息融合技术确定列车的关键参数。如通过速度传感器、惯性制导、卫星定位等设备采集相应信息,通过卡尔曼算法确定列车的实时速度、运行距离等参数,摈弃以往只依赖速度传感器的方案。
3 货运列车ATO系统新特性分析
由于货运列车运营方式和运营规律与高速铁路存在较大区别,因而在设计ATO的关键逻辑时,货运列车ATO有其新的特性。
1)列车启停阶段中对空转/打滑的处理。相对于高速动车组,货运列车由于牵引质量大,牵引力集中,在启动过程中,容易产生空转现象,在停车过程中,容易出现打滑现象。由于货运机车轴重大,空转/打滑发生时车轮踏面和轨道表面的损伤更严重,极易造成更加严重的次生事故。因此,装配ATO设备的货运列车在启动过程中,车载设备应根据粘滞力的变化情况精确控制列车加载牵引力,防止牵引力加载过快导致轮滑;在制动停车过程中,应充分考虑机车和车辆制动性能,防止车轮打滑。因此,需要将ATO系统与列车控制系统深度融合,实现对牵引控制和制动反馈的精确高效反应。
2)列车在区间运行时,ATO应避免频繁切换牵引制动。在既有的CTCS2+ATO系统中,动车组与ATO之间使用的是继电接口,因而ATO在控制列车时是分级控制,在定速巡航阶段,为了恒速,会出现制动和牵引频繁的切换。对于货运列车而言,由于货运列车的车列较长,制动后无法快速缓解制动,在其运行中制动/牵引频繁切换,将导致列车尾部风压不足,造成制动力不足的严重后果,进而影响行车安全[5]。同时,牵引力施加时,车钩突然从压缩状态变为拉伸状态,极易导致车钩断钩,为避免此现象的发生,在施加牵引力的过程中需要逐步顺滑加载。因此,ATO要在保证安全的前提下,根据列车的实际运行情况和线路条件合理使用牵引和制动。
3)ATO控制列车停车。相比于高速铁路ATO需要站台停车办客并联动屏蔽门的需求,货运列车ATO对停车精度的要求相对较低。对于编组较长的货运列车而言,站内停车时应充分利用股道长度,保证停车后尾部越过股道警冲标。在区间运行时,由于通过信号机关闭或执行进站信号机外停车时,需要考虑线路的实际情况,应避免在坡道上停车,并且ATO设备应通过人机交互单元提前提示司机[6]
4)运行计划接收与执行。ATO应能通过司机输入的车次号,自动请求列车编组,换长,总重等信息用于控制列车,司机只负责核对相应编组信息正确。ATO接收地面发来的运行计划后,应根据到发时刻、到发股道等信息自动生成移动授权,控制列车运行。在运行计划改变或者运行计划无效的情况下,ATO应及时通过人机交互单元提醒司机,从而保证列车的安全运行。同时,ATO应以无线通信的方式,将列车的实时运行状态反馈至地面调度中心,以便调度员了解车辆运行情况,下达相应调度命令。
5)重联端自动控制。在实际运用中,货运列车通常采用多机重联模式运行,因此,ATO在控制本务列车的同时,也应远程控制重联机车。机车重联控制方式有有线方式和无线方式两种,前者通过机车之间的重联电缆实现,后者通过无线GSM-R或LTE-R网络实现[7]。从发展方向来看,无线重联控制将是未来的发展方向。
6)通用性良好,具有自主学习优化功能。货运列车运行条件复杂,交路长度大,跨局跨线运行较多,牵引货运列车的机车型号复杂,牵引特性不一致的等问题,因此,货运ATO系统需要有良好的通用性和自适应性。对于车辆而言,通过大数据的搜集和计算,自动优化每种型号机车的牵引制动属性,提高数据与车辆的匹配度。同时,对于ATO而言,可以通过分析司机人工操纵时的习惯和手法,滤出其中关键操作点与关键操作时间,使得ATO一方面能在运行中不断自我训练。另一方面可以吸收司机人工操纵的优点,持续优化控车水平,提高安全性能[8-9]
4 结束语
首先分析当前货运列车信号控制遇到的问题,提出可以借鉴高铁ATO的控制方法在货运列车上应用ATO技术。介绍既有C3+ATO的系统架构,并分析货运列车ATO系统的新特性,指出了货运列车ATO的发展方向与目标。