朔黄铁路基于移动闭塞的机车自动驾驶系统运用展望

陶学亮

（国能朔黄铁路股份有限责任公司机辆分公司，河北 肃宁 062350）

朔黄铁路是我国西煤东运第二大通道，2020 年全年货运总量达3.46 亿t[1]，并提出进一步规模化开行1 万吨和2万吨重载列车扩能改造方案，年运量将从3.5 亿t 提高至4.5 亿t[2]。自2011 年朔黄线完成3.5 亿t 扩能改造后，没有再进行较大的基础设施革新，在运输压力不断攀升、运输组织日益紧张的情况下，如何在现有线路及机车车辆装备条件下实现运能增长的远期目标，是目前朔黄铁路面临的一项重要研究课题。

目前，朔黄铁路主要依靠开行重载来提高运量，从现有统计数据来看，人员操纵的不一致性是导致重载运输安全事故发生的最主要因素[3]。在创新驱动的引领下社会技术发展日新月异，作为新一轮科技革命的重要引领，以“大、智、移、云”为特征的智能化技术的广泛应用逐渐成为驱动行业创新发展的重要方式，同样也为轨道交通行业构建发展新生态提供了重要的技术基础。作为智能化技术的典型应用，自动驾驶技术是保障重载列车运行品质、提高输运效率与安全性、降低运行能耗、减少司机操纵难度与强度以及提升操纵一致性的有效手段，也是重载铁路未来技术发展的趋势。

1 朔黄铁路现状

1.1 线路情况

朔黄铁路正线全长598km，自西向东海拔高度差可达1527m，最小曲线半径为400m，最大线路坡度12‰，跨越恒山、太行山脉，神池南至肃宁北段山高谷低，桥隧相连，尤其是神池南站至原平南站、南湾站至西柏坡车站，上行重车近240km 的线路几乎全部为长大下坡道区段，2 段连续长大下坡道总长度为190km。重载列车的开行受线路和环境的制约。由于列车载重的增大、编组辆数的增多以及长度的增长，列车动力学性能变得更复杂，从控机车车钩所承受纵向力成倍增大，因此存在操纵难度大、安全风险高并且极易发生列车断钩、分离和脱线等安全隐患。为了保证运行安全，司机需要操纵机车低速运行，因此运输效率有提高空间，而且司机频繁操作也会导致能耗及设备损耗严重。

1.2 运用情况

朔黄铁路目前主要以开行万吨、2 万吨列车为主，运量大，列车牵引质量大，1+1 2 万吨重载组合列车开行已有6 个年头。朔黄铁路全线西高东低，坡道大，下坡多，现有的2 万吨列车采用1+1+可控列尾编组方式，列车长度可达2600m 以上，载质量大，列车制动缓解同步性较差，控制方式采用车载设备防护和人工操纵。2 万吨重载列车在长大下坡道缓解后冲动大、过分相操纵困难且小曲线半径地段缓解后从控机车易出现架车脱轨等问题，驾驶时司机较繁忙、紧张，一旦操纵失误会导致发生列车纵向冲动大、非正常停车、超速甚至断钩等现象，重载列车运行的安全性和平稳性是亟待解决的问题。这些种种因素导致2万吨重载组合列车在运行过程中极易产生较大纵向冲动，而且列车在不当的地点、采用不当的操纵方法同样也会加剧列车的纵向冲动。

朔黄铁路自开行2 万吨重载列车以来，列车编组长度变长，基于电台的传统的无线通信无法满足主、从车距离的需求。为此，朔黄铁路将800MHz 的无线电台通信与新型LTE 宽带无线通信方式相结合，以实现LTE 通信模式的无线重联数据传输功能和重载组合列车的控制功能，从而实现1+1 2 万吨牵引、制动的同步控制，为自动驾驶的开行打下坚实基础。

1.3 信号情况

既有朔黄铁路设有综合调度信息化系统，行车调度指挥采用调度集中（CTC）系统。全线区间设计为四显示固定自动闭塞，采用法国UM71 改进型移频轨道电路自动闭塞设备。货运列车信号系统主要还是基于CTCS-0级的LKJ列车运行监控装置。

朔黄铁路2014 年立项进行重载铁路移动闭塞系统研制，2018 年完成项目验收。2019 年立项进行朔黄重载铁路移动闭塞扩大试验和工程化应用项目评审，2020 年进行移动闭塞系统扩大试验与工程化应用，朔黄铁路移动闭塞技术日趋成熟。

重载货运列车全列制动依靠的是空气制动波的传递（不具备阶段缓解）。当线路具备多种信号制式时，驾驶员根据行车许可进行操作，由于操纵难度大且操纵水平不一致，因此容易造成运行时分存在差距，进而影响运输效率，并引发安全事故。基于移动闭塞的自动驾驶系统能够以科学合理的统一操纵模式进行多种信号制式下的自动操纵，可消除人为因素造成的安全隐患。

2 基于移动闭塞的机车自动驾驶系统介绍

机车自动驾驶系统是朔黄铁路联合株洲所基于SIL4的安全计算机平台研制的列车智能控制系统。采用“感知、决策、控制”的设计思路，通过与车载控制、信号和列尾等系统和设备进行信息交互与安全联动，并基于多目标约束条件下的最优曲线规划和智能跟随等技术，实现了列车自动起车、正线自动运行及自动停车等全场景的自动控制，可替代人工操纵列车，使列车运行更安全、平稳、准点且节能。

自动驾驶系统由自动驾驶装置（ATO）和人机交互接口设备（IDU）组成，相关设备有移动闭塞信号系统车载设备（下文简称ATP）、LKJ-15C 信号系统车载设备（下文简称LKJ）、网络控制系统（CCU）、制动系统（BCU）、同步控制设备（OCE）以及列尾车载主机等。系统架构如图1 所示。

图1 自动驾驶系统构成示意图

自动驾驶装置采用基于2 乘2 取2 安全计算机架构，通过接收来自ATP、LKJ、车载控制系统（CCU、BCU、OCE）和列尾车载主机等将机车状态和实现操纵的关键设备关联起来：1）与机车的网络控制系统（CCU）和制动系统（BCU）通过MVB 总线进行连接，控制机车的牵引与制动。2）与LKJ 和ATP 通过以太网进行连接，获取列车的行车许可、线路情况、运行揭示、列车的载重、辆数和计长等相关信息。3）与无线重联控制系统（OCE）通过MVB 总线进行连接，获取列车的编组状态。4）与列尾车载主机通过RS422 总线连接，获取列尾风压信息。自动驾驶综合获取到的信息以安全导向的控制策略对牵引系统和制动系统进行控制，还能通过识别LKJ 与ATP 的主控状态，并在不同信号制式的防护下，根据列车所处线路条件与列车运行状态计算实时动态的规化运行曲线，从而实现同时兼容LKJ 与ATP 的自动驾驶功能。

3 朔黄铁路自动驾驶系统运用效益分析

3.1 现有自动驾驶运用情况

根据国内某线路现开行固定闭塞重载列车自动驾驶运行情况的统计，自动驾驶运行过程中能完全代替乘务员对机车牵引、制动的操控，减轻乘务员操纵强度，某自动驾驶列车开行后各区间运行时间与人工驾驶运行时间对比见表1。

表1 人工驾驶与自动驾驶用时对比

根据表1 所示，自动驾驶在运行中的平均每个区间比人工开行用时提前1min55s，区间平均旅速由58.7km/h 提高至61.3km/h，区间平均提速2.6km/h，全线自动驾驶操纵率可达98%以上，对运量的提升和劳动强度的降低均有明显效果。

根据国内某线路现开行固定闭塞重载列车自动驾驶能耗情况进行统计，自动驾驶在优化线路操纵后能够有效降低开行能耗，某自动驾驶列车开行后某一月能耗情况对比见表2。

表2 自动驾驶能耗情况

根据表2 所示，自动驾驶控车运行下牵引万吨每公里耗电量比额定耗电量节约大约7（kW·h/万t·km），自动驾驶的开行具有显著的节能作用。

3.2 朔黄铁路线路通过能力推算

目前的朔黄铁路列车追踪间隔时间为普通列8min、万吨列11min、2 万吨列车15min。根据列车运行对数写实分析可知，朔黄铁路日均开行2 万吨列车、万吨列车、普通列车占列车总列数的比例分别为18%、50%、32%。

朔黄铁路全年天窗时间为342h，现将天窗时间分摊到全年中，在不考虑其他限制因素的情况下，朔黄铁路日线路通过能力如公式（1）～公式（4）[4]。

式中：N为朔黄铁路列车日线路通过能力，列；T为朔黄铁路列车日运行时间，min；T天窗为朔黄铁路日天窗时间，min；I为朔黄铁路列车追踪间隔时间，min。

根据铁路输送能力计算公式计算各类列车输送能力，如公式（5）所示[5]。

式中：G为年输送能力，万t；N为列车数量，列；φ为列车净载质量系数，即列车净质量与总质量之比，一般取0.70～0.80；Q为货物列车牵引总质量，t；k为月间货运量波动系数，一般取1.0～1.3。

计算得出在目前技术装备条件及运输组织模式下的朔黄铁路年运输能力，如公式（6）～公式（9）所示。

也即在现有技术装备条件和运输组织模式的情况下，朔黄铁路年运输量目前已经达到理论极限值，需要采取更进一步的措施来提高运量，如提高2 万吨列车开行比重、开行更大载重列车等。

3.3 自动驾驶提速

根据自动驾驶系统在神华集团万吨列车的运用情况统计数据来看，在保持既有技术装备条件和运输组织模式的情况下，和人工驾驶相比，采用智能化技术的自动驾驶系统能够提高平均旅行速度2km/h～3km/h。以2.5km/h 的平均提速V提速与598km 的朔黄铁路全长S朔黄计算，不考虑其他因素，如公式（10）所示。

即每列车每开行239.2h 可节省出多开行一列车的时间和区间。假设列车运行平均时速为60km/h，则每列车每日运行时长T日运行时长约为9.67h，换算全年时长与上文全年开行列车数量，除去天窗时间，每年可多开行列车的计算如公式（11）所示。

仍然根据2 万吨列车、万吨列车、普通列车比例18%、50%、32%计算，全年可多开行332 列2 万吨列车、922 列万吨列车以及590 列车普通列车，关于年运输能力的计算如公式（12）～公式（15）所示。

上述公式计算了每列车跑完朔黄全线及不影响现有运输组织架构下的额外可开行数量，还可与其他运量提升手段结合，产生叠加效应，如与增加列车数量、提高万吨及2 万吨重载列车比例等措施结合，将获得更好的运量提升效果。

3.4 自动驾驶追踪时间间隔

影响线路通过能力的一个重要因素就是列车追踪间隔时间。在不考虑车站调度及发车能力的情况下，列车追踪隔间时间主要考虑的是前、后列车之间的安全制动距离。以朔黄1+1 编组带可控列尾的列车为例，计算安全极限追踪距离的主要根据就是列车在连续千分之10～12 的下坡道减压50kPa 配合电制动停车距离。根据闸瓦强弱，该距离一般在5km 左右，加上1km～2km 的安全裕量，可以计算出朔黄2万吨重载组合列车安全极限追踪距离为6km～7km。以朔黄1.8km 闭塞区间长度计算，刚好是4 个闭塞区间。假设列车平均速度为70km/h，安全极限追踪间隔时间为5min～6min，说明朔黄铁路列车追踪间隔时间还有提升潜力。

自动驾驶可与移动闭塞信号体系相结合，精确获取前、后车信息，实施前、后车车协同的动态决策与控制，可以有效把控列车之间的安全追踪距离，提高重载列车运行效率。在移动闭塞的自动驾驶大规模应用的场景下，充分考虑安全裕量，2 万吨列车、万吨列车、普通列车追踪间隔时间可分别缩短至8min、6min、4min，则根据上文计算公式，不考虑其他因素，朔黄铁路日通过能力提升的计算如公式（16）～公式（19）所示。

将公式（16）～（19）计算的移动闭塞与自动驾驶结合后每日开行列车数量带入公式（12）～公式（15），计算得出在移动闭塞的自动驾驶全面投入运行后朔黄铁路年运输能力的提升情况，如公式（20）～公式（23）所示。

虽然上述计算是在不考虑牵引机车数量、装卸能力及站场发车等限制的理想情况下，仍然可以看出新技术运用在运能提升方面的巨大潜力，可以达到朔黄铁路运能提升至4.5亿t 的远期目标。

3.5 其他经济与社会效益

自动驾驶系统已经在国铁和国能集团实现了普载和万吨重载的常态化运行，并在大秦线与朔黄铁路进行了2 万吨重载组合列车自动驾驶线路试验。目前，货运机车自动驾驶系统安全运用总里程超过160 万km，结合几年来的运用数据统计，自动驾驶系统能够达到98%以上的自动化操纵率，提升2km/h～3km/h 的平均旅速，降低3%～5%的牵引能耗，降低5%～10%的纵向冲动。长时间运用数据及专项试验结果表明，自动驾驶具备良好的安全性、可靠性和可用性，具体如下。

第一，降低列车牵引能耗，减少企业生产输运成本。以朔黄铁路每年25 亿度电的牵引能耗及每度电成本0.6 元计算，每年产生直接经济效益4500～7500 万元，为践行国家“碳达峰、碳中和”战略和实现“双碳”目标提供有力支撑。

第二，统一操纵水平，减少司机劳动强度。目前朔黄铁路拟采用双司机制度来减少司机劳动强度和人工失误，自动驾驶系统可替代人工操纵，统一操纵水平，消除人工失误影响因素，有利于行车组织及运输管理。

第三，推动朔黄铁路智能化技术创新，提升核心竞争能力。国际重载运输协会（IHHA）在2019 年十二届国际重载运输大会上提出了重载4.0 的概念，其核心就是智能化技术与重载铁路运输相结合。自动驾驶技术作为轨道交通智能化技术发展的核心应用，除了能够带来经济效益，还能推动国内重载铁路装备技术水平的发展，助力朔黄铁路成为世界一流重载输运企业。

4 结语

纵观我国铁路系统发展历程可知，机车自动驾驶是未来干线铁路运输行业发展的必然趋势。自动驾驶系统可以在不改变既有线路运输组织模式和技术装备条件的条件下，保障列车运行品质，提高输运效率与安全性，减少司机操纵难度与强度，提升操纵一致性。在国际和国内机车自动驾驶技术日趋成熟的背景下，作为国内重载技术最先进的合资运输专线，朔黄铁路设计、研发和运用自动驾驶系统具有重大的意义。