朔黃鐵路基于移動閉塞的機車自動駕駛系統運用展望

陶學亮

（國能朔黃鐵路股份有限責任公司機輛分公司，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3.46 億t[1]，并提出進一步規?；_行1 萬噸和2萬噸重載列車擴能改造方案，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 擴能改造后，沒有再進行較大的基礎設施革新，在運輸壓力不斷攀升、運輸組織日益緊張的情況下，如何在現有線路及機車車輛裝備條件下實現運能增長的遠期目標，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，從現有統計數據來看，人員操縱的不一致性是導致重載運輸安全事故發生的最主要因素[3]。在創新驅動的引領下社會技術發展日新月異，作為新一輪科技革命的重要引領，以“大、智、移、云”為特征的智能化技術的廣泛應用逐漸成為驅動行業創新發展的重要方式，同樣也為軌道交通行業構建發展新生態提供了重要的技術基礎。作為智能化技術的典型應用，自動駕駛技術是保障重載列車運行品質、提高輸運效率與安全性、降低運行能耗、減少司機操縱難度與強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發展的趨勢。

1 朔黃鐵路現狀

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段，2 段連續長大下坡道總長度為190km。重載列車的開行受線路和環境的制約。由于列車載重的增大、編組輛數的增多以及長度的增長，列車動力學性能變得更復雜，從控機車車鉤所承受縱向力成倍增大，因此存在操縱難度大、安全風險高并且極易發生列車斷鉤、分離和脫線等安全隱患。為了保證運行安全，司機需要操縱機車低速運行，因此運輸效率有提高空間，而且司機頻繁操作也會導致能耗及設備損耗嚴重。

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2600m 以上，載質量大，列車制動緩解同步性較差，控制方式采用車載設備防護和人工操縱。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車易出現架車脫軌等問題，駕駛時司機較繁忙、緊張，一旦操縱失誤會導致發生列車縱向沖動大、非正常停車、超速甚至斷鉤等現象，重載列車運行的安全性和平穩性是亟待解決的問題。這些種種因素導致2萬噸重載組合列車在運行過程中極易產生較大縱向沖動，而且列車在不當的地點、采用不當的操縱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合，以實現LTE 通信模式的無線重聯數據傳輸功能和重載組合列車的控制功能，從而實現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。

1.3 信號情況

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

朔黃鐵路2014 年立項進行重載鐵路移動閉塞系統研制，2018 年完成項目驗收。2019 年立項進行朔黃重載鐵路移動閉塞擴大試驗和工程化應用項目評審，2020 年進行移動閉塞系統擴大試驗與工程化應用，朔黃鐵路移動閉塞技術日趨成熟。

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）。當線路具備多種信號制式時，駕駛員根據行車許可進行操作，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，進而影響運輸效率，并引發安全事故?；谝苿娱]塞的自動駕駛系統能夠以科學合理的統一操縱模式進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 基于移動閉塞的機車自動駕駛系統介紹

機車自動駕駛系統是朔黃鐵路聯合株洲所基于SIL4的安全計算機平臺研制的列車智能控制系統。采用“感知、決策、控制”的設計思路，通過與車載控制、信號和列尾等系統和設備進行信息交互與安全聯動，并基于多目標約束條件下的最優曲線規劃和智能跟隨等技術，實現了列車自動起車、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、準點且節能。

自動駕駛系統由自動駕駛裝置（ATO）和人機交互接口設備（IDU）組成，相關設備有移動閉塞信號系統車載設備（下文簡稱ATP）、LKJ-15C 信號系統車載設備（下文簡稱LKJ）、網絡控制系統（CCU）、制動系統（BCU）、同步控制設備（OCE）以及列尾車載主機等。系統架構如圖1 所示。

圖1 自動駕駛系統構成示意圖

自動駕駛裝置采用基于2 乘2 取2 安全計算機架構，通過接收來自ATP、LKJ、車載控制系統（CCU、BCU、OCE）和列尾車載主機等將機車狀態和實現操縱的關鍵設備關聯起來：1）與機車的網絡控制系統（CCU）和制動系統（BCU）通過MVB 總線進行連接，控制機車的牽引與制動。2）與LKJ 和ATP 通過以太網進行連接，獲取列車的行車許可、線路情況、運行揭示、列車的載重、輛數和計長等相關信息。3）與無線重聯控制系統（OCE）通過MVB 總線進行連接，獲取列車的編組狀態。4）與列尾車載主機通過RS422 總線連接，獲取列尾風壓信息。自動駕駛綜合獲取到的信息以安全導向的控制策略對牽引系統和制動系統進行控制，還能通過識別LKJ 與ATP 的主控狀態，并在不同信號制式的防護下，根據列車所處線路條件與列車運行狀態計算實時動態的規化運行曲線，從而實現同時兼容LKJ 與ATP 的自動駕駛功能。

3 朔黃鐵路自動駕駛系統運用效益分析

3.1 現有自動駕駛運用情況

根據國內某線路現開行固定閉塞重載列車自動駕駛運行情況的統計，自動駕駛運行過程中能完全代替乘務員對機車牽引、制動的操控，減輕乘務員操縱強度，某自動駕駛列車開行后各區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

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

根據國內某線路現開行固定閉塞重載列車自動駕駛能耗情況進行統計，自動駕駛在優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約大約7（kW·h/萬t·km），自動駕駛的開行具有顯著的節能作用。

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。根據列車運行對數寫實分析可知，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的比例分別為18%、50%、32%。

朔黃鐵路全年天窗時間為342h，現將天窗時間分攤到全年中，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為列車數量，列；φ為列車凈載質量系數，即列車凈質量與總質量之比，一般取0.70～0.80；Q為貨物列車牽引總質量，t；k為月間貨運量波動系數，一般取1.0～1.3。

計算得出在目前技術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。

也即在現有技術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達到理論極限值，需要采取更進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

根據自動駕駛系統在神華集團萬噸列車的運用情況統計數據來看，在保持既有技術裝備條件和運輸組織模式的情況下，和人工駕駛相比，采用智能化技術的自動駕駛系統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 可節省出多開行一列車的時間和區間。假設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有運輸組織架構下的額外可開行數量，還可與其他運量提升手段結合，產生疊加效應，如與增加列車數量、提高萬噸及2 萬噸重載列車比例等措施結合，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。在不考慮車站調度及發車能力的情況下，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就是列車在連續千分之10～12 的下坡道減壓50kPa 配合電制動停車距離。根據閘瓦強弱，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 閉塞區間長度計算，剛好是4 個閉塞區間。假設列車平均速度為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合，精確獲取前、后車信息，實施前、后車車協同的動態決策與控制，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模應用的場景下，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合后每日開行列車數量帶入公式（12）～公式（15），計算得出在移動閉塞的自動駕駛全面投入運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車數量、裝卸能力及站場發車等限制的理想情況下，仍然可以看出新技術運用在運能提升方面的巨大潛力，可以達到朔黃鐵路運能提升至4.5億t 的遠期目標。

3.5 其他經濟與社會效益

自動駕駛系統已經在國鐵和國能集團實現了普載和萬噸重載的常態化運行，并在大秦線與朔黃鐵路進行了2 萬噸重載組合列車自動駕駛線路試驗。目前，貨運機車自動駕駛系統安全運用總里程超過160 萬km，結合幾年來的運用數據統計，自動駕駛系統能夠達到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。長時間運用數據及專項試驗結果表明，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，減少企業生產輸運成本。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，每年產生直接經濟效益4500～7500 萬元，為踐行國家“碳達峰、碳中和”戰略和實現“雙碳”目標提供有力支撐。

第二，統一操縱水平，減少司機勞動強度。目前朔黃鐵路擬采用雙司機制度來減少司機勞動強度和人工失誤，自動駕駛系統可替代人工操縱，統一操縱水平，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創新，提升核心競爭能力。國際重載運輸協會（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與重載鐵路運輸相結合。自動駕駛技術作為軌道交通智能化技術發展的核心應用，除了能夠帶來經濟效益，還能推動國內重載鐵路裝備技術水平的發展，助力朔黃鐵路成為世界一流重載輸運企業。

4 結語

縱觀我國鐵路系統發展歷程可知，機車自動駕駛是未來干線鐵路運輸行業發展的必然趨勢。自動駕駛系統可以在不改變既有線路運輸組織模式和技術裝備條件的條件下，保障列車運行品質，提高輸運效率與安全性，減少司機操縱難度與強度，提升操縱一致性。在國際和國內機車自動駕駛技術日趨成熟的背景下，作為國內重載技術最先進的合資運輸專線，朔黃鐵路設計、研發和運用自動駕駛系統具有重大的意義。