陶學(xué)亮

（國能朔黃鐵路股份有限責(zé)任公司機(jī)輛分公司，河北 肅寧 062350）

朔黃鐵路是我國西煤東運第二大通道，2020 年全年貨運總量達(dá)3.46 億t[1]，并提出進(jìn)一步規(guī)模化開行1 萬噸和2萬噸重載列車擴(kuò)能改造方案，年運量將從3.5 億t 提高至4.5 億t[2]。自2011 年朔黃線完成3.5 億t 擴(kuò)能改造后，沒有再進(jìn)行較大的基礎(chǔ)設(shè)施革新，在運輸壓力不斷攀升、運輸組織日益緊張的情況下，如何在現(xiàn)有線路及機(jī)車車輛裝備條件下實現(xiàn)運能增長的遠(yuǎn)期目標(biāo)，是目前朔黃鐵路面臨的一項重要研究課題。

目前，朔黃鐵路主要依靠開行重載來提高運量，從現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，人員操縱的不一致性是導(dǎo)致重載運輸安全事故發(fā)生的最主要因素[3]。在創(chuàng)新驅(qū)動的引領(lǐng)下社會技術(shù)發(fā)展日新月異，作為新一輪科技革命的重要引領(lǐng)，以“大、智、移、云”為特征的智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用逐漸成為驅(qū)動行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要方式，同樣也為軌道交通行業(yè)構(gòu)建發(fā)展新生態(tài)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。作為智能化技術(shù)的典型應(yīng)用，自動駕駛技術(shù)是保障重載列車運行品質(zhì)、提高輸運效率與安全性、降低運行能耗、減少司機(jī)操縱難度與強(qiáng)度以及提升操縱一致性的有效手段，也是重載鐵路未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。

1 朔黃鐵路現(xiàn)狀

1.1 線路情況

朔黃鐵路正線全長598km，自西向東海拔高度差可達(dá)1527m，最小曲線半徑為400m，最大線路坡度12‰，跨越恒山、太行山脈，神池南至肅寧北段山高谷低，橋隧相連，尤其是神池南站至原平南站、南灣站至西柏坡車站，上行重車近240km 的線路幾乎全部為長大下坡道區(qū)段，2 段連續(xù)長大下坡道總長度為190km。重載列車的開行受線路和環(huán)境的制約。由于列車載重的增大、編組輛數(shù)的增多以及長度的增長，列車動力學(xué)性能變得更復(fù)雜，從控機(jī)車車鉤所承受縱向力成倍增大，因此存在操縱難度大、安全風(fēng)險高并且極易發(fā)生列車斷鉤、分離和脫線等安全隱患。為了保證運行安全，司機(jī)需要操縱機(jī)車低速運行，因此運輸效率有提高空間，而且司機(jī)頻繁操作也會導(dǎo)致能耗及設(shè)備損耗嚴(yán)重。

1.2 運用情況

朔黃鐵路目前主要以開行萬噸、2 萬噸列車為主，運量大，列車牽引質(zhì)量大，1+1 2 萬噸重載組合列車開行已有6 個年頭。朔黃鐵路全線西高東低，坡道大，下坡多，現(xiàn)有的2 萬噸列車采用1+1+可控列尾編組方式，列車長度可達(dá)2600m 以上，載質(zhì)量大，列車制動緩解同步性較差，控制方式采用車載設(shè)備防護(hù)和人工操縱。2 萬噸重載列車在長大下坡道緩解后沖動大、過分相操縱困難且小曲線半徑地段緩解后從控機(jī)車易出現(xiàn)架車脫軌等問題，駕駛時司機(jī)較繁忙、緊張，一旦操縱失誤會導(dǎo)致發(fā)生列車縱向沖動大、非正常停車、超速甚至斷鉤等現(xiàn)象，重載列車運行的安全性和平穩(wěn)性是亟待解決的問題。這些種種因素導(dǎo)致2萬噸重載組合列車在運行過程中極易產(chǎn)生較大縱向沖動，而且列車在不當(dāng)?shù)牡攸c、采用不當(dāng)?shù)牟倏v方法同樣也會加劇列車的縱向沖動。

朔黃鐵路自開行2 萬噸重載列車以來，列車編組長度變長，基于電臺的傳統(tǒng)的無線通信無法滿足主、從車距離的需求。為此，朔黃鐵路將800MHz 的無線電臺通信與新型LTE 寬帶無線通信方式相結(jié)合，以實現(xiàn)LTE 通信模式的無線重聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸功能和重載組合列車的控制功能，從而實現(xiàn)1+1 2 萬噸牽引、制動的同步控制，為自動駕駛的開行打下堅實基礎(chǔ)。

1.3 信號情況

既有朔黃鐵路設(shè)有綜合調(diào)度信息化系統(tǒng)，行車調(diào)度指揮采用調(diào)度集中（CTC）系統(tǒng)。全線區(qū)間設(shè)計為四顯示固定自動閉塞，采用法國UM71 改進(jìn)型移頻軌道電路自動閉塞設(shè)備。貨運列車信號系統(tǒng)主要還是基于CTCS-0級的LKJ列車運行監(jiān)控裝置。

朔黃鐵路2014 年立項進(jìn)行重載鐵路移動閉塞系統(tǒng)研制，2018 年完成項目驗收。2019 年立項進(jìn)行朔黃重載鐵路移動閉塞擴(kuò)大試驗和工程化應(yīng)用項目評審，2020 年進(jìn)行移動閉塞系統(tǒng)擴(kuò)大試驗與工程化應(yīng)用，朔黃鐵路移動閉塞技術(shù)日趨成熟。

重載貨運列車全列制動依靠的是空氣制動波的傳遞（不具備階段緩解）。當(dāng)線路具備多種信號制式時，駕駛員根據(jù)行車許可進(jìn)行操作，由于操縱難度大且操縱水平不一致，因此容易造成運行時分存在差距，進(jìn)而影響運輸效率，并引發(fā)安全事故?；谝苿娱]塞的自動駕駛系統(tǒng)能夠以科學(xué)合理的統(tǒng)一操縱模式進(jìn)行多種信號制式下的自動操縱，可消除人為因素造成的安全隱患。

2 基于移動閉塞的機(jī)車自動駕駛系統(tǒng)介紹

機(jī)車自動駕駛系統(tǒng)是朔黃鐵路聯(lián)合株洲所基于SIL4的安全計算機(jī)平臺研制的列車智能控制系統(tǒng)。采用“感知、決策、控制”的設(shè)計思路，通過與車載控制、信號和列尾等系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行信息交互與安全聯(lián)動，并基于多目標(biāo)約束條件下的最優(yōu)曲線規(guī)劃和智能跟隨等技術(shù)，實現(xiàn)了列車自動起車、正線自動運行及自動停車等全場景的自動控制，可替代人工操縱列車，使列車運行更安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)點且節(jié)能。

自動駕駛系統(tǒng)由自動駕駛裝置（ATO）和人機(jī)交互接口設(shè)備（IDU）組成，相關(guān)設(shè)備有移動閉塞信號系統(tǒng)車載設(shè)備（下文簡稱ATP）、LKJ-15C 信號系統(tǒng)車載設(shè)備（下文簡稱LKJ）、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（CCU）、制動系統(tǒng)（BCU）、同步控制設(shè)備（OCE）以及列尾車載主機(jī)等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動駕駛系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

自動駕駛裝置采用基于2 乘2 取2 安全計算機(jī)架構(gòu)，通過接收來自ATP、LKJ、車載控制系統(tǒng)（CCU、BCU、OCE）和列尾車載主機(jī)等將機(jī)車狀態(tài)和實現(xiàn)操縱的關(guān)鍵設(shè)備關(guān)聯(lián)起來：1）與機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（CCU）和制動系統(tǒng)（BCU）通過MVB 總線進(jìn)行連接，控制機(jī)車的牽引與制動。2）與LKJ 和ATP 通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，獲取列車的行車許可、線路情況、運行揭示、列車的載重、輛數(shù)和計長等相關(guān)信息。3）與無線重聯(lián)控制系統(tǒng)（OCE）通過MVB 總線進(jìn)行連接，獲取列車的編組狀態(tài)。4）與列尾車載主機(jī)通過RS422 總線連接，獲取列尾風(fēng)壓信息。自動駕駛綜合獲取到的信息以安全導(dǎo)向的控制策略對牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)進(jìn)行控制，還能通過識別LKJ 與ATP 的主控狀態(tài)，并在不同信號制式的防護(hù)下，根據(jù)列車所處線路條件與列車運行狀態(tài)計算實時動態(tài)的規(guī)化運行曲線，從而實現(xiàn)同時兼容LKJ 與ATP 的自動駕駛功能。

3 朔黃鐵路自動駕駛系統(tǒng)運用效益分析

3.1 現(xiàn)有自動駕駛運用情況

根據(jù)國內(nèi)某線路現(xiàn)開行固定閉塞重載列車自動駕駛運行情況的統(tǒng)計，自動駕駛運行過程中能完全代替乘務(wù)員對機(jī)車牽引、制動的操控，減輕乘務(wù)員操縱強(qiáng)度，某自動駕駛列車開行后各區(qū)間運行時間與人工駕駛運行時間對比見表1。

表1 人工駕駛與自動駕駛用時對比

根據(jù)表1 所示，自動駕駛在運行中的平均每個區(qū)間比人工開行用時提前1min55s，區(qū)間平均旅速由58.7km/h 提高至61.3km/h，區(qū)間平均提速2.6km/h，全線自動駕駛操縱率可達(dá)98%以上，對運量的提升和勞動強(qiáng)度的降低均有明顯效果。

根據(jù)國內(nèi)某線路現(xiàn)開行固定閉塞重載列車自動駕駛能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計，自動駕駛在優(yōu)化線路操縱后能夠有效降低開行能耗，某自動駕駛列車開行后某一月能耗情況對比見表2。

表2 自動駕駛能耗情況

根據(jù)表2 所示，自動駕駛控車運行下牽引萬噸每公里耗電量比額定耗電量節(jié)約大約7（kW·h/萬t·km），自動駕駛的開行具有顯著的節(jié)能作用。

3.2 朔黃鐵路線路通過能力推算

目前的朔黃鐵路列車追蹤間隔時間為普通列8min、萬噸列11min、2 萬噸列車15min。根據(jù)列車運行對數(shù)寫實分析可知，朔黃鐵路日均開行2 萬噸列車、萬噸列車、普通列車占列車總列數(shù)的比例分別為18%、50%、32%。

朔黃鐵路全年天窗時間為342h，現(xiàn)將天窗時間分?jǐn)偟饺曛?，在不考慮其他限制因素的情況下，朔黃鐵路日線路通過能力如公式（1）～公式（4）[4]。

式中：N為朔黃鐵路列車日線路通過能力，列；T為朔黃鐵路列車日運行時間，min；T天窗為朔黃鐵路日天窗時間，min；I為朔黃鐵路列車追蹤間隔時間，min。

根據(jù)鐵路輸送能力計算公式計算各類列車輸送能力，如公式（5）所示[5]。

式中：G為年輸送能力，萬t；N為列車數(shù)量，列；φ為列車凈載質(zhì)量系數(shù)，即列車凈質(zhì)量與總質(zhì)量之比，一般取0.70～0.80；Q為貨物列車牽引總質(zhì)量，t；k為月間貨運量波動系數(shù)，一般取1.0～1.3。

計算得出在目前技術(shù)裝備條件及運輸組織模式下的朔黃鐵路年運輸能力，如公式（6）～公式（9）所示。

也即在現(xiàn)有技術(shù)裝備條件和運輸組織模式的情況下，朔黃鐵路年運輸量目前已經(jīng)達(dá)到理論極限值，需要采取更進(jìn)一步的措施來提高運量，如提高2 萬噸列車開行比重、開行更大載重列車等。

3.3 自動駕駛提速

根據(jù)自動駕駛系統(tǒng)在神華集團(tuán)萬噸列車的運用情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，在保持既有技術(shù)裝備條件和運輸組織模式的情況下，和人工駕駛相比，采用智能化技術(shù)的自動駕駛系統(tǒng)能夠提高平均旅行速度2km/h～3km/h。以2.5km/h 的平均提速V提速與598km 的朔黃鐵路全長S朔黃計算，不考慮其他因素，如公式（10）所示。

即每列車每開行239.2h 可節(jié)省出多開行一列車的時間和區(qū)間。假設(shè)列車運行平均時速為60km/h，則每列車每日運行時長T日運行時長約為9.67h，換算全年時長與上文全年開行列車數(shù)量，除去天窗時間，每年可多開行列車的計算如公式（11）所示。

仍然根據(jù)2 萬噸列車、萬噸列車、普通列車比例18%、50%、32%計算，全年可多開行332 列2 萬噸列車、922 列萬噸列車以及590 列車普通列車，關(guān)于年運輸能力的計算如公式（12）～公式（15）所示。

上述公式計算了每列車跑完朔黃全線及不影響現(xiàn)有運輸組織架構(gòu)下的額外可開行數(shù)量，還可與其他運量提升手段結(jié)合，產(chǎn)生疊加效應(yīng)，如與增加列車數(shù)量、提高萬噸及2 萬噸重載列車比例等措施結(jié)合，將獲得更好的運量提升效果。

3.4 自動駕駛追蹤時間間隔

影響線路通過能力的一個重要因素就是列車追蹤間隔時間。在不考慮車站調(diào)度及發(fā)車能力的情況下，列車追蹤隔間時間主要考慮的是前、后列車之間的安全制動距離。以朔黃1+1 編組帶可控列尾的列車為例，計算安全極限追蹤距離的主要根據(jù)就是列車在連續(xù)千分之10～12 的下坡道減壓50kPa 配合電制動停車距離。根據(jù)閘瓦強(qiáng)弱，該距離一般在5km 左右，加上1km～2km 的安全裕量，可以計算出朔黃2萬噸重載組合列車安全極限追蹤距離為6km～7km。以朔黃1.8km 閉塞區(qū)間長度計算，剛好是4 個閉塞區(qū)間。假設(shè)列車平均速度為70km/h，安全極限追蹤間隔時間為5min～6min，說明朔黃鐵路列車追蹤間隔時間還有提升潛力。

自動駕駛可與移動閉塞信號體系相結(jié)合，精確獲取前、后車信息，實施前、后車車協(xié)同的動態(tài)決策與控制，可以有效把控列車之間的安全追蹤距離，提高重載列車運行效率。在移動閉塞的自動駕駛大規(guī)模應(yīng)用的場景下，充分考慮安全裕量，2 萬噸列車、萬噸列車、普通列車追蹤間隔時間可分別縮短至8min、6min、4min，則根據(jù)上文計算公式，不考慮其他因素，朔黃鐵路日通過能力提升的計算如公式（16）～公式（19）所示。

將公式（16）～（19）計算的移動閉塞與自動駕駛結(jié)合后每日開行列車數(shù)量帶入公式（12）～公式（15），計算得出在移動閉塞的自動駕駛?cè)嫱度脒\行后朔黃鐵路年運輸能力的提升情況，如公式（20）～公式（23）所示。

雖然上述計算是在不考慮牽引機(jī)車數(shù)量、裝卸能力及站場發(fā)車等限制的理想情況下，仍然可以看出新技術(shù)運用在運能提升方面的巨大潛力，可以達(dá)到朔黃鐵路運能提升至4.5億t 的遠(yuǎn)期目標(biāo)。

3.5 其他經(jīng)濟(jì)與社會效益

自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)在國鐵和國能集團(tuán)實現(xiàn)了普載和萬噸重載的常態(tài)化運行，并在大秦線與朔黃鐵路進(jìn)行了2 萬噸重載組合列車自動駕駛線路試驗。目前，貨運機(jī)車自動駕駛系統(tǒng)安全運用總里程超過160 萬km，結(jié)合幾年來的運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計，自動駕駛系統(tǒng)能夠達(dá)到98%以上的自動化操縱率，提升2km/h～3km/h 的平均旅速，降低3%～5%的牽引能耗，降低5%～10%的縱向沖動。長時間運用數(shù)據(jù)及專項試驗結(jié)果表明，自動駕駛具備良好的安全性、可靠性和可用性，具體如下。

第一，降低列車牽引能耗，減少企業(yè)生產(chǎn)輸運成本。以朔黃鐵路每年25 億度電的牽引能耗及每度電成本0.6 元計算，每年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益4500～7500 萬元，為踐行國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供有力支撐。

第二，統(tǒng)一操縱水平，減少司機(jī)勞動強(qiáng)度。目前朔黃鐵路擬采用雙司機(jī)制度來減少司機(jī)勞動強(qiáng)度和人工失誤，自動駕駛系統(tǒng)可替代人工操縱，統(tǒng)一操縱水平，消除人工失誤影響因素，有利于行車組織及運輸管理。

第三，推動朔黃鐵路智能化技術(shù)創(chuàng)新，提升核心競爭能力。國際重載運輸協(xié)會（IHHA）在2019 年十二屆國際重載運輸大會上提出了重載4.0 的概念，其核心就是智能化技術(shù)與重載鐵路運輸相結(jié)合。自動駕駛技術(shù)作為軌道交通智能化技術(shù)發(fā)展的核心應(yīng)用，除了能夠帶來經(jīng)濟(jì)效益，還能推動國內(nèi)重載鐵路裝備技術(shù)水平的發(fā)展，助力朔黃鐵路成為世界一流重載輸運企業(yè)。

4 結(jié)語

縱觀我國鐵路系統(tǒng)發(fā)展歷程可知，機(jī)車自動駕駛是未來干線鐵路運輸行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。自動駕駛系統(tǒng)可以在不改變既有線路運輸組織模式和技術(shù)裝備條件的條件下，保障列車運行品質(zhì)，提高輸運效率與安全性，減少司機(jī)操縱難度與強(qiáng)度，提升操縱一致性。在國際和國內(nèi)機(jī)車自動駕駛技術(shù)日趨成熟的背景下，作為國內(nèi)重載技術(shù)最先進(jìn)的合資運輸專線，朔黃鐵路設(shè)計、研發(fā)和運用自動駕駛系統(tǒng)具有重大的意義。