朔黄铁路重载列车智能操控系统研究

张朝辉

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

朔黄铁路重载列车智能操控系统研究

张朝辉

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

重载铁路已成为国际铁路发展的重要方向，而智能操控辅助系统作为其重要组成部分，合理的辅助操控曲线设计将极大提高运行效率，节约运行成本。在综合研究智能操控技术的基础上，根据朔黄铁路特点，设计出适用于该线路条件下的辅助驾驶系统，除满足准时、节能要求外，还具有实时语音提示、界面显示辅助指导线路运行工况等功能。

重载铁路；智能操控；辅助系统；准时；节能

1 概述

重载列车智能操控技术是一项崭新技术，通过对现有重载列车动力分布、无线重联控制技术、列车编组、调度命令下达等运输组织模式研究，分析重载列车对智能操控、安全防护、运行效率及整个线路扩能的需求，明确重载列车智能操控系统的关键技术指标。在此基础上研发适用于重载列车智能安全操控及辅助自动控制技术，确定重载列车智能操控系统的技术体制，开发适用于重载列车的智能操控系统，为列车提供辅助自动控制设备，构建完整的重载列车智能操控系统体系，实现列车运输安全，优化运行效率，提升线路运输能力。同时通过对该项技术的工程化应用，形成具有我国自主知识产权的既有铁路大轴重条件下智能操控系统设备和成套技术体系[1-3]。

目前，国内在重载列车智能操控领域已经取得了一些成果。朔黄铁路发展有限责任公司通过系统研究，总结开行万吨列车经验，分析传统操纵中存在的弊端，规范操纵流程，优化列车运行曲线，制定科学合理的操纵办法和非正常情况处理办法及相关安全措施，对智能操控系统进行了更加贴近实际的研究，确定重载列车智能操控系统技术架构，开发适用于具体线路的重载列车智能操控系统核心设备与辅助自动控制设备，实现列车智能操控，提供列车辅助自动控制等功能，保证列车运输安全，优化运行效率，提升线路运输能力。根据实地路况实时向司机提供优化列车运行曲线，基于辅助驾驶规划曲线和列车运行状态信息在线指导司机安全、准点和节能地操纵列车，确保重载列车运行的安全、平稳、畅通，可为研究开行2万t列车提供借鉴。

2 需求分析

智能操控系统的总体需求：具备驾驶曲线优化功能、智能辅助功能、良好人机界面显示功能、司控操作语音提醒功能；按照智能操控系统优化后的曲线运行，列车旅行速度将提高5%以上、降低能耗5%～10%[4]。

2.1 功能需求

2.1.1 辅助驾驶曲线计算功能

（1）系统应能根据运营计划信息、线路信息、机车信号并综合车辆基本信息、车辆运行状态等信息，实时计算得到最优辅助驾驶规划曲线；

（2）辅助驾驶规划曲线计算在满足安全、准点要求下尽可能考虑节能运行；

（3）系统辅助驾驶规划曲线应确保在3 s内得到刷新，刷新前后的曲线应具备一定连贯性并确保其在限速曲线下方；

（4）辅助驾驶规划曲线应满足各种限制条件，当信号灯发生变化或司机操纵列车运行偏离曲线时，适时自动调整。

2.1.2 辅助驾驶功能

（1）系统提示的信息应简单易用，列车运行过程中的各种指导参数显示方式应直观明了并符合司机操纵习惯；

（2）系统指导司机升降级位，为司机提供列车制动的时机及减压量参考，以满足列车准点运行的要求，同时确保按提示操作的机车始终在限速线以下安全运行；

（3）在工况变化点，系统通过语音提示司机进行工况转换（如牵引级位、制动级位、是否惰行等信息），同时将提示司机工况转换信息通过文本形式在DMI上显示，直到下一次提示工况转换后修改；

（4）系统应能根据机车牵引能力提示司机进行赶点操纵，实现列车赶点要求；

（5）当操作前方发生信号变化时，系统应能指导司机进行正确的提速/降速操作；

（6）系统应能根据天气变化情况适当修正实际操纵策略。

2.1.3 显示功能

（1）重载列车操控系统应具备良好的人机界面显示功能，在DMI上显示用于指导司机驾驶的信息，包括推荐的牵引/制动信息、辅助驾驶速度曲线、当前速度、当前位置等信息；

（2）万吨列车显示前方2.7 km、后方2.3 km的数据。

同时，系统应具备语音输出功能，可实时输出语音提示司机进行相关操控；系统应能实时记录列车相关运行状态参数，并支持地面数据离线处理与分析。

2.2 性能需求

2.2.1 合理操纵

列车操纵必须符合安全合理原则，不能对列车正常运行产生危害。

（1）牵引/制动工况变化不能过于频繁；（2）列车运行速度不能超过线路限速；（3）考虑到列车自身长度，除保证列车车头不超速外，还要保证车尾也不超速；

（4）万吨列车运行调速时应采取动力制动为主、空气制动为辅的操纵方法，当动力制动不能满足调速需求时再投入空气制动；缓解列车时先缓解空气制动，待全部车辆缓解完毕后再逐渐解除动力制动等。

2.2.2 准点运行

（1）系统实时指导司机操纵列车在规定时间到达目的地，系统能根据行车状态及时调整行车策略，保证早晚点情况下进行适当操作，保证列车准点到达；

（2）在智能操控系统指导下控车，列车旅行速度提高5%以上。

2.2.3 节能运行

（1）运行过程中尽量避免无谓的能量损耗；

（2）在满足安全和准点运行要求条件下，尽可能采用更节能的操纵方式，降低能耗5%～10%。

3 系统架构设计

3.1 机车既有设备接口

智能操控系统总体架构见图1。通过LTE网络获取调度优化系统发送的行车运营计划信息。智能操控系统通过既有车载设备总线接口连接既有车载设备，获取LKJ2000运行数据、列尾装置数据、机车网络数据及其他第三方设备运行数据等[5]。

智能操控系统与既有车载设备的连接关系见图2。

（1）TAX2机箱。智能操控系统通过与既有车载设备融合，获取LKJ监控运行数据，从而获取TAX2机箱数据，包括速度、位置、时分秒、机车信号、机车工况、支线、侧线、司机号、副司机号、总质量、计长、区段号、车站号等。

图1 智能操控系统总体架构

图2 智能操控系统与既有车载设备连接关系

（2）轴温检测装置。智能操控系统通过与既有车载设备融合，获取轴温振动状态信息。

（3）列尾装置。智能操控系统通过与既有车载设备融合，获取列尾相关的状态信息，包括列车装置生命信号、列车尾部管压力、列车尾部蓄电池电压、列车装置状态等。

（4）智能电度表。智能操控系统通过与既有车载设备融合，获取电度表相关信息，包括电度表生命信号、牵引电能和反馈电能等。

（5）自动过分相装置。智能操控系统通过与既有车载设备融合，获取自动过分相信息，包括分相装置状态、分相预告、分相强迫、分相完成等。

（6）机车无线重联。智能操控系统通过与既有车载设备融合，获取机车无线重联信息，包括无线重联生命信号、编组数量、主车车型、主车车号、从1车型、从1车号、从2车型、从2车号、从3车型、从3车号、主从1间距、从1从2间距、从2从3间距、本车编组序号和本车通信状态等。

智能操控系统与既有车载设备的通信方式以以太网通信为主，采用UDP协议，智能操控系统每周期接收的既有车载设备发送的数据字节最多为320个。A节机车对应A节既有车载设备的IP地址和端口号向智能操控系统车载设备发送数据；B节机车对应B节既有车载设备的IP地址和端口号向智能操控系统的车载设备发送数据（见图3）。

图3 智能操控系统与既有车载设备通信

智能操控系统和既有车载设备的数据格式都采用“小端模式”，即数据高位存在内存低地址中，数据格式见表1。

表1 数据格式表

3.2 系统硬件架构

智能操控系统硬件架构见图4。

（1）智能操控系统的安全计算机是一个2取2安全计算机平台，根据EN 50129规定的组合故障安全、反应故障安全、固有故障安全原则构建多机冗余表决计算机，实现安全的输入采集、输出驱动、外部通信等功能。根据轨道交通行业标准对安全计算机平台的要求，智能操控系统安全计算机平台的安全完整性将达到SIL4级。智能操控系统的安全计算机平台满足重载列车智能操控系统的智能辅助功能硬件环境要求。

图4 智能操控系统硬件架构

（2）智能操控系统的业务软件结合车载基础线路数据、装备数据，科学生成辅助驾驶规划曲线，提供列车辅助自动控制等功能，保证列车运输安全，优化运行效率，提升线路运输能力。

（3）智能操控显示屏采用运行稳定的操作系统和图形库，提供DMI人机界面显示和语音提示等功能。

（4）智能操控系统测速单元提供正确的列车测速功能。

3.3 系统软件架构

重载列车智能操控系统软件分为人机界面软件和车载及辅助控制主软件，软件环境分别为：

（1）人机界面软件运行于Windows环境，在Microsoft Visual Studio平台上由C++语言编译而成；

（2）车载辅助控制主软件运行于Linux和Vxworks异构环境，采用符合MISRA-C2004规范的C语言编写。

重载列车智能操控系统重载业务软件模块划分见表2。

4 现场测试

重载列车智能操控系统相关设备都已安装在朔黄铁路HXD17005和HXD17147机车上，设备从2015年7月安装完毕，截至目前运行状态良好。为系统验证重载列车智能操控系统基于列车走行部、钩缓及列尾状态的驾驶曲线优化功能和重载列车司控智能辅助功能等的研究内容和研究目标是否完成及完成质量，2015年9月在朔黄铁路进行了2次30 t轴重、总质量2.3万t的综合试验。

表2 重载列车智能操控系统模块划分

试验目的：（1）检验重载列车智能操控系统与机车其他设备接口的正确性，包括与CTU设备、LKJ、雷达测速传感器、大轴重重载列车运行状态监控系统等；（2）测试与重载列车调度优化系统通过LTE-R网络交互业务数据（调度指令、列车状态数据等）的正确性、稳定性和实时性；（3）验证重载列车智能操控系统安装在动力分布无线重联的多个机车编组列车上输出的辅助驾驶优化曲线和辅助列车司控指令的安全性和正确性；（4）对约束指标（列车旅行速度提高5%以上、降低能耗5%～10%）进行测试。

以宁武西—龙宫、定州东—安国2个区间为例进行分析。其中，定州东—安国区间运行曲线对比见图5。试验结果表明，列车的规划运行时间与实际运行时间偏差满足≤5%的要求。

图5 定州东—安国区间运行曲线对比

统计可知，9月11日和9月18日列车从神池南—肃宁北的总能耗分别是17 906 kW·h和17 583 kW·h，假如列车按照智能操控系统指令行车，在宁武西—龙宫和定州东—安国即可节约总电能1 286 kW·h，按照9月11日和9月18日的总能耗计算节能指标，分别为1 286/17 906=7.18%和1 286/17 583=7.31%，已经满足节能5%～10%的指标要求。假如其他区间也按照智能操控辅助指令行车，节能效果会更加明显。

试验结果充分表明，重载列车智能操控系统能够满足轴重30 t重载列车的运行需求，各项约束指标都能实现。

5 结束语

重载列车智能操控系统的研制以节能和提高运行效率为目标。以朔黄铁路每年2亿t的运量计算，每年大概节约电能5 000万kW·h，极大降低了运输成本。重载列车智能操控系统研制综合考虑不同线路条件、列车编组和载质量，将重载列车司机的日常操控标准化和归一化，极大降低司机的工作强度，降低对司机的培养成本，同时减小新司机由于操作不熟悉、特别是行车异常事件处理能力不足而导致安全事故的可能性。

[1] 耿志修，钟章队．网络化无线机车同步操作控制的研究与应用[J]．铁道学报，2008，30(2)：103-107. [2] 陈伟．朔黄铁路重载运输信息技术[J]．中国铁路，2015(1)：51-54．

[3] 薛继连．神华既有重载铁路技术创新发展模式[J]．中国铁路，2014(7)：7-11．

[4] 朔黄铁路发展有限责任公司．朔黄铁路联合运输行车组织及安全管理细则[R]，2009．

[5] 陈会波．LKJ在朔黄重载铁路的控制模式研究[J]．中国铁路，2014(10)：54-58．

责任编辑 高红义

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

张朝辉（1971—），男，高级工程师，硕士。E-mail：ZhangChaoHui@shtlit.com.cn